近年来，随着计算机技术及集成电路技术的发展，嵌入式设备广泛应用于通信、网络、工控、医疗、电子等领域。随着用户需求的提升，设备的升级越来越频繁。然而有些设备安装在高空高压环境下，作业危险性很大。因此，需要一套行之有效的设备管理及升级方案，让操作人员可以通过无线的方式[1]进行产品的升级和维护。
    本文的软件升级方案以TI公司的MSP430F5438A[2]为例，通过片内Flash备份，引导升级合一，常量定位，虚拟复位等方式，避免了程序升级需要上电复位及设备意外掉电导致升级失败等风险，使终端设备实现了软件升级远程化，无需引导等待，掉电可恢复，数据包可断点续传，稳定可靠的目的。
1 基本原理
1.1远程升级系统介绍
    CDMA2000 1X是CDMA2000第三代无线通信系统的第一个阶段，完全兼容IS-95，采用码分和频分结合的多址技术。CDMA2000 1X的空中信道支持的调制方式在兼容CDMAOne的基础上进行了极大的增强，单个用于传输分组数据的空中信道的最大传输速率可以达到307.2 kb/s,是真正意义上的第三代移动通信系统[3]。如图1所示，本方案中上位机作为网络服务器，将升级代码借助Internet、CDMA网络发送到远程终端的CDMA模块中。MSP430读取模块中的缓存，存入到内部的Flash中,待远程终端接收完全部的升级代码并校验正确后开始升级。

1.2 升级实现原理介绍
    本方案将程序存储空间划分为Boot区、Code区、Temp区、Flag区和Vector区。Boot区存放基本的Flash读写、标志判断等代码(不含通信处理及基本操作)；Code区存放完整的应用程序工程代码(含通信处理及基本操作)；Temp区用于备份程序区的代码；Flag区是专门存放升级标志位的特殊区域；Vector区用于备份程序区的中断向量。其中Boot区代码使用特殊的“常量定位”方式添加到应用程序中,与Code区的应用程序一次编译完成，且Boot区提供UpdateAPI函数供Code区调用。
    MSP430F543A的Code Flash最多为256 KB,共128段，擦除的时候必须按段擦除，写入或者读出的时候按字或者字节进行操作。在Main Flash 中每段seg均为512 B,在Information Flash中每段为128 B。由于BankA分为0x40000-0x45bff和0x5c00-0xffff两部分，段擦除会将两部分都擦除，故在BankA中不使用0x40000-0x45bff(共23 KB)，用户中断向量和备份中断向量各为512 B,占据1 KB，Boot区分配16 KB。由于要程序升级可恢复，故做成备份的模式,这样就达到了Temp区和Code区均为(256 KB-23KB-1 KB-16 KB)/2=108 KB的最佳效果。
    在应用程序中下载完代码并校验正确后置位升级进度，通过虚拟复位跳转到Boot区，读取升级标志位来选择相应的处理。如果置位的是下载完成标志，则按照分块交换的理念，逐个相对应地交换，待全部交换完成，则跳转到应用程序入口,开始执行交换后的新应用程序，如图2所示。

2 关键技术
2.1 常量定位技术
    一个函数的入口地址称为函数的指针。可以用一个指针变量指向函数，然后通过该指针变量调用此函数。而Const常量定位技术就是从此衍生出来的。
　在本方案中首先建立一个完整的工程，编写Boot区代码。开辟一段专门空间(0x5c00-0x5cff)来存储Boot区函数的入口地址，得到Boot区txt格式的文件，转换成16进制数据文件后,通过静态存储的方式定位到实际运行程序中在Boot区开辟的固定区间内(0x5c00-0x9bff)，Code区通过Boot区提供的UpdateAPI函数入口地址,将其转换成Code区函数后供自己调用。
    为了防止误升级，在Boot区定义一个读取软件版本信息的函数int s_Boot_GetUpdateVersion( ),此函数在Boot区的入口地址是56 6d，把它存放在0x5c00-0x5c01的空间内。在Code区中加入转换后的Boot区代码后，再自定义函数int(*Boot_GetUpdateVersion)(),然后将存储在0x5c00-0x5c01处的s_Boot_GetUpdateVersion入口地址赋给该函数，接着调用Code区的(*Boot_GetUpdateVersion)()函数即可实现软件版本信息读取的功能。
   可见通过常量定位这种方式，可以将应用程序和Boot程序一次编译完成，Boot区提供UpdateAPI函数供Code区调用。
2.2 虚拟复位技术
    所谓的虚拟复位不是通过产生外部的复位信号来迫使单片机复位，而是通过改变PC指针实现程序的跳转。通常的方法是在C语言中内嵌汇编语言来实现。只要在需要复位的地方嵌入汇编语言[4] asm("mov &0xFFFE,PC")即可实现虚拟复位[3]。然而内嵌汇编总是存在诸多麻烦，因此，提出一种新的虚拟复位方法：
    ((void (*)(void))0x5d00)();
    由于0x5d00是复位地址，故把它强制转换成指向函数的指针，然后调用此函数，达到程序复位的目的。同时这种方法也解决了升级中存在的一个比较严重的问题：由于虚拟复位是通过内嵌的方式提供API函数供Code区函数调用的，而Code区的起始地址是0x9c00，则虚拟复位后的PC指针指向就是0x9c00，而不是Boot区的0x5d00。所以Code区的应用程序在执行虚拟复位时，无法跳转到Boot区，这样在Boot区要完成的代码交换也将无法进行。可见此种无需嵌入汇编的方法，简单方便且切实可行。
2.3 断点续传技术
    UDP协议被称为一种不可靠的传输协议，因为从发送方到接收方的传递过程中出现数据包的丢失，协议本身并不能做出任何检测和提示，但具有TCP所望尘莫及的速度优势。为了使远程升级系统既获得实时的性能，又获得相对可靠性，必须在上层应用程序中完成安全和排序等功能，并建立可靠传递机制。
    在本方案设计中，专门在Information Flash中开辟一段空间0x1800—0x187f,用来记录当前经过CRC16校验正确后的数据包数。为了保证Flash擦除的方便和稳定，规定数据包中数据的长度必须为128 B、256 B或者512 B，若所要传输的数据小于规定字节数,需在数据包中填充0xff方法以保证数据的一致性。当由于网络不稳定或者断电等突发情况下导致升级失败时，若再次启动升级，终端设备要首先读取当前数据包数，擦除Flash中空余的存储空间，然后发送含有当前数据包数的升级配置数据包给上位机，上位机在获得当前命令包后计算下一数据包在解析文件中的位置，并组包发送。从而避免了相同数据包的重复发送和Flash的全部擦除。
3 上位机软件设计
　上位机方案采用Visual C++中的MFC对话框编程，其中的关键是对升级文件TXT文件的处理。@为地址引导符，其后数据为地址，即接下来代码所存入的Flash地址起始位置。如果地址为0xFF80-0xFFFF，则为中断向量地址，特别@后面的FFFE是应用程序中断向量表中的复位地址。q为结束字符，表明文件结束。
    上位机完成对文件的解析后，通过数据包与终端进行交互。数据包定义如表1所示。

    其中命令码是用来区分数据包所要执行的具体操作。由于寻址范围超过了64 KB，故采用4 B来表示地址信息。
4 风险避免措施
    升级中不可避免地存在各种风险，本方案采取如下措施： (1)将Code区和Temp划分为若干块，每次完成块交换后，都将置备份标志，如果交换过程中有一块交换不成功则再次虚拟复位，通过升级标志位的判断进行恢复处理，将已经和Temp交换的部分再次交换回来保证原程序依然可用。(2)在下载代码的过程中,每一包数据在上位机都计算CRC16校验值，然后单片机接收数据后重新计算CRC16值，如果两者相等才认为这包数据正确，给出正确回应[5]。(3)遇到在应用程序中代码下载不完整或者代码下载时断电的情况，可通过读取升级进度标志，单片机重新复位后不会在Boot区中进行代码交换。(4)专门划分一个区域用于记录升级进度信息，通过修改进度信息来进行相应的处理[5]。(5)在等待升级完成的过程中，发送一定数目的升级完成确认包(地址信息为01 01 01 01，命令码为88),如果收到回应，则确认升级完成。(6)本方案并不擦除原来的程序，只是将Code区和Temp区互换，所以可以实现升级区变为备份区，备份区变为升级区，等待下次文件的写入，也可以按照需求还原程序。通过这种校验、存储、替换的方式，可以有效地降低由于传输错误导致升级失败的风险。
5 测试结果及总结
　为了保证通信的速率和稳定，本测试设置通信超时为5 s，重发次数为5次。即发送的数据包如果5 s内没有回应，则重发。重发次数最多为5次，否则提示升级失败。打开端口后，等待设备的登录，登录成功且升级文件解析正确后才可进行升级。点击“程序升级”按钮，上位机和终端开始交互。终端接收完正确数据后，虚拟复位完成Code区和Temp区的代码交换。运行新程序后终端重启CDMA模块仍然发送包含新IP地址和终端ID的通信连接数据包给上位机。若终端ID前后一致且对升级完成确认包的回应正确，则表明升级成功。测试结果如图3所示。

    本方案借助Internet、CDMA网络成功地实现了远程终端的软件升级。同时运用常量定位技术达到了升级无需引导等待的目的；虚拟复位、断点续传和升级进度标志的应用增加了升级程序抗风险的能力；采用片内Flash备份的方式，支持升级和备份恢复的功能。随着通信技术和自编程序技术的发展，本方案对嵌入式终端设备的软件更新具有极大的参考意义。
参考文献
[1] 唐文, 刘芳伶. MSP430系列单片机软件在线升级设计与实现[J].通信技术,2012,45(1):144-146.
[2] 美国德州仪器.MSP430 Flash SelfProgramming Technique[Z]. SLLAA103.2004.
[3] 张云. 第三代移动通信技术特点、后续演进及其全球竞争格局[J]. 中国集成电路, 2009(2):67-72.
[4] 孙亚萍, 张慧熙.一种新型DSP软件在线升级方法的研究与实现[J].微型机与应用,2010,29(5):72-74.
[5] 罗文, 王莉娜, 肖鲲.基于GPRS的嵌入式系统远程监控和升级[J].电子技术应用, 2010,36(5):159-162.