0 引言

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年全球可穿戴設(shè)備出貨量在700萬(wàn)件以上^[1]，2014年則達(dá)到了2 890萬(wàn)件，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模更是達(dá)到了22億人民幣，年增長(zhǎng)率在144%^[2]， 2015年全球可穿戴設(shè)備出貨量已達(dá)到7 610萬(wàn)件，與2014年相比增長(zhǎng)了163.6%，預(yù)計(jì)2016年年底，可穿戴設(shè)備的出貨量將達(dá)到1.1億。如此龐大數(shù)量的產(chǎn)品想要長(zhǎng)期保持市場(chǎng)的占有量與使用性能，就要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行周期性的優(yōu)化與升級(jí)，使產(chǎn)品在使用過(guò)程中修正BUG，優(yōu)化、增加新的功能。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固件升級(jí)有多種方式，如JTAG、BSL等，這些方式只適用于產(chǎn)品未出廠時(shí)使用，對(duì)于已經(jīng)售出的產(chǎn)品，就需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳輸?shù)确椒ǎS時(shí)控制更新產(chǎn)品中的固件，以發(fā)揮可穿戴設(shè)備的性能。這些對(duì)于固件的更新，將對(duì)用戶的體驗(yàn)度產(chǎn)生很大的影響。本文以基于MSP430F1611為處理器的可穿戴設(shè)備為例，通過(guò)模擬BIOS程序，對(duì)Flash分塊操作來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的固件升級(jí)。

1 在線升級(jí)總體架構(gòu)

    可穿戴設(shè)備進(jìn)行固件在線升級(jí)時(shí)，首先要接收服務(wù)器推送的最新固件包。圖1為升級(jí)包從服務(wù)器到達(dá)設(shè)備中的過(guò)程圖，對(duì)于能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，可以直接內(nèi)嵌一個(gè)到服務(wù)器的接口，直接下載升級(jí)包，如圖中虛線所示；對(duì)于許多體積小無(wú)法連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，如常見(jiàn)的智能手環(huán)，可以如圖中實(shí)線所示，通過(guò)手機(jī)從網(wǎng)絡(luò)中接收升級(jí)包，然后通過(guò)藍(lán)牙等無(wú)線方式下載到設(shè)備中。

2 固件升級(jí)原理

2.1 系統(tǒng)從Flash啟動(dòng)過(guò)程

    MSP430F1611單片機(jī)^[3]是德州儀器公司推出的一款具有10 KB片內(nèi)RAM和48 KB+256 B片內(nèi)Flash的16 bit超低功耗處理器，擁有豐富的外設(shè)資源，常被用在智能可穿戴設(shè)備中，以達(dá)到低功耗的目的。

    從MSP430F1611數(shù)據(jù)手冊(cè)上可以查找到內(nèi)部資源空間地址表。其中0x4000～0xFFFF為Flash地址空間，共48 KB，這其中從0xFFE0～0xFFFF為中斷向量地址，其他空間都可以由用戶進(jìn)行操作。當(dāng)向芯片中燒寫(xiě)程序時(shí)，程序代碼被寫(xiě)入到Flash中，寫(xiě)入的起始位置即程序的入口地址。系統(tǒng)上電后，PC指針指到中斷向量表的復(fù)位向量，從中讀取程序起始地址入口，然后跳轉(zhuǎn)到這個(gè)入口處執(zhí)行程序。這個(gè)地址在代碼編譯過(guò)程中會(huì)自動(dòng)生成，用戶可以修改，指定將固件燒寫(xiě)到Flash中其他地址。

2.2 自動(dòng)更新原理

    圖2為計(jì)算機(jī)中BIOS程序引導(dǎo)操作系統(tǒng)過(guò)程的簡(jiǎn)化框圖。在計(jì)算機(jī)上電時(shí)，會(huì)啟用固化在主板空間內(nèi)的一段BIOS引導(dǎo)程序進(jìn)入POST階段，該階段主要工作為初始化和檢測(cè)相關(guān)的硬件資源。然后進(jìn)入操作系統(tǒng)引導(dǎo)階段，首先根據(jù)BIOS設(shè)置來(lái)檢測(cè)光驅(qū)或U盤(pán)中有無(wú)引導(dǎo)系統(tǒng)，如果有則將引導(dǎo)系統(tǒng)加入到內(nèi)存0000:7C00H中，執(zhí)行引導(dǎo)系統(tǒng)；如果沒(méi)有，則搜索硬盤(pán)第一個(gè)扇區(qū)，將內(nèi)容加載到內(nèi)存0000:7C00H中，運(yùn)行系統(tǒng)。

    基于這種思想，本文模擬設(shè)計(jì)了一段BIOS引導(dǎo)程序，將Flash劃分區(qū)域，一塊相當(dāng)于光驅(qū)，起始地址記為A，一塊相當(dāng)于C盤(pán)，起始地址記為C。在系統(tǒng)上電時(shí)，檢測(cè)Flash上A地址后有無(wú)新版固件，如果有，則將該固件復(fù)制到Flash上地址C后的空間，完成從光驅(qū)安裝系統(tǒng)到C盤(pán)。復(fù)制完成后刪除A空間內(nèi)容，相當(dāng)于光驅(qū)彈出的動(dòng)作，重啟系統(tǒng)；如果檢測(cè)到起始地址為A的空間內(nèi)無(wú)文件存在，則通過(guò)匯編指令，將PC指針指到C地址，系統(tǒng)將從C盤(pán)啟動(dòng)。總體架構(gòu)流程圖如圖3所示，其中用虛線圍起來(lái)的部分不屬于BIOS引導(dǎo)程序中的內(nèi)容，而是操作系統(tǒng)，即用戶程序。這樣，單片機(jī)中相當(dāng)于有2個(gè)程序：1個(gè)BIOS程序，1個(gè)用戶程序。在開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)入BIOS，由BIOS決定是否將程序入口指針切換到用戶程序。切換到用戶程序需使用匯編指令將PC指針移到用戶程序的復(fù)位向量地址0xFFDE中指向的地址^[4]，即C盤(pán)起始地址：

    asm(“mov &0xFFDE”);

    因?yàn)樵贔lash中重新為用戶程序分配了中斷向量表，需要使用匯編指令對(duì)15個(gè)中斷向量表進(jìn)行映射^[6]。如對(duì)第一個(gè)中斷向量映射的代碼如下：

    #pragma vector=0

    __interrupt void intec_0(void)

    {

        asm(“br &0xFFC0”);

    }

2.3 BIOS引導(dǎo)程序固化

    BIOS引導(dǎo)程序編寫(xiě)完成后，需要修改工程中的xcl文件，將BIOS引導(dǎo)程序固化到指定位置，芯片的主Flash地址范圍為0x4000～0xFFFF，其中0xFFE0～0xFFF為中斷向量表，其余的為用戶空間。將用戶空間分成4部分，如圖4所示，整個(gè)灰色部分為原來(lái)的用戶空間。其中0x4000～0x5FFF為BIOS程序空間；0x6000～0xAFFF為用戶程序空間，類似電腦上的C盤(pán)； 0xB000～0xFFBF為存儲(chǔ)空間，類似電腦上的光驅(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)接收到的新固件；0xFFC0～0xFFDF為用戶中斷向量表。修改xcl文件^[4，5]，將BIOS程序代碼段、常量的地址范圍改為0x6000～0xAFFF后編譯工程，將生成的BIOS文件通過(guò)下載器燒寫(xiě)到單片機(jī)中，完成BIOS引導(dǎo)程序的固化。

2.4 用戶程序?qū)崿F(xiàn)

    用戶程序的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)藍(lán)牙連接手機(jī)或電腦App，當(dāng)有新版本的固件包時(shí)，App會(huì)將固件包通過(guò)藍(lán)牙下發(fā)到設(shè)備中。用戶程序在接收固件包的同時(shí)，將固件包保存在0xB000～0xFFBF范圍內(nèi)的Flash空間中，本設(shè)計(jì)因?yàn)橛脩舫绦虼a量少，將程序保存在0xB000地址后，如果用戶程序過(guò)大，可以考慮通過(guò)擴(kuò)展片外Flash解決。用戶程序流程圖如圖5所示。

    用戶程序需要放在0x6000～0xAFFF范圍內(nèi)，因此同樣需要修改工程文件中的xcl文件，修改代碼段、常量的地址范圍為0x6000～0xAFFF。另外因?yàn)樵袛嘞蛄康刂繁籅IOS程序所占據(jù)，需要修改xcl文件中的中斷向量地址為0xFFC0～0xFFDF，重啟向量地址為0xFFDE。要將應(yīng)用程序作為固件更新包推送到設(shè)備終端，因此要選擇生成txt格式的16進(jìn)制Hex文件。圖6所示是一簡(jiǎn)單的文件生成的txt文件內(nèi)容，傳輸過(guò)程中可以考慮加密及錯(cuò)誤驗(yàn)證。

    圖6中@6000代表程序的起始地址為6000，這段代碼會(huì)被放在以0x6000為起始地址的Flash內(nèi)；@FFDE表示程序的復(fù)位向量地址為0xFFDE，其中保存子程序入口地址，即0x6000；q表示程序結(jié)束。

3 藍(lán)牙通信

3.1 藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介

    為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線接收，本文在設(shè)備上使用了藍(lán)牙技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。藍(lán)牙技術(shù)^[6]最初是在1994年時(shí)由電信巨頭愛(ài)立信公司推出，用來(lái)替代RS232標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離(10 m～100 m)無(wú)線通信技術(shù)。藍(lán)牙通信工作在2.4 GHz ISM頻段上，可以連接多個(gè)設(shè)備，方便數(shù)據(jù)共享傳輸。藍(lán)牙通信無(wú)需取得執(zhí)照許可，因此被廣泛用于工業(yè)、醫(yī)療、手機(jī)、平板等電子設(shè)備中。

3.2 藍(lán)牙模塊

    設(shè)計(jì)中采用了BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊，該模塊采用了英國(guó)CSR公司的BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)范^[7]，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等豐富的接口，支持AT指令集，簡(jiǎn)化了操作。圖7為藍(lán)牙模塊架構(gòu)與MCU之間通過(guò)UART口連接圖。

3.3 AT指令配置藍(lán)牙模塊

    在使用藍(lán)牙模塊前需要通過(guò)串口通信對(duì)藍(lán)牙模塊初始化，BLK-MD-HC-05支持AT指令，藍(lán)牙模塊默認(rèn)的波特率為9 600，因此串口需要調(diào)整到9 600后方能與藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。表1為藍(lán)牙模塊初始化需要用到的AT指令。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文通過(guò)模擬BIOS來(lái)實(shí)現(xiàn)固件更新，經(jīng)過(guò)不同大小的固件包反復(fù)推送測(cè)試，可以順利地完成在線升級(jí)。升級(jí)過(guò)程安全可靠，具有較好的可行性，在應(yīng)用中，將推送的升級(jí)包進(jìn)行加密和解密過(guò)程，會(huì)更加完善。同時(shí)，本文將Flash進(jìn)行分割，其中一部分作為BIOS和光驅(qū)空間，雖然犧牲了Flash空間，但通常情況下Flash空間都會(huì)有剩余，不會(huì)造成對(duì)可靠性的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 耿怡，安暉，李揚(yáng)，等．可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和前景探析[J]．電子科學(xué)與技術(shù)，2014（2）：238-245.

[2] 鄧俊杰，劉紅．可穿戴智能設(shè)備的現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)展望[J]．黑龍江科技信息，2015（28）：135.

[3] Texas Instruments．MSP430x1xx family user's guide[EB/OL]．[2006-02-28].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau049f/slau049f.pdf.

[4] 喬海坤.微控論壇特約，DC，微控論壇版主．MSP430程序自升級(jí)的實(shí)現(xiàn)原理及過(guò)程[EB/OL][2008-12-08]．http：www.microcontrol.cn.

[5] 張園，萬(wàn)眾．MSP430單片機(jī)串口的程序升級(jí)方法[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（10）：23-24.

[6] 張群，楊絮．藍(lán)牙模塊串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，319（3）：79-82.

[7] 練杰，聶俊飛．基于MSP430單片機(jī)的多功能藍(lán)牙溫度檢測(cè)系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)，2015（8）：36-38. 

作者信息:

何國(guó)鋒，李月婷，劉宇紅

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025)