0 引言

    据统计，2013年全球可穿戴设备出货量在700万件以上^[1]，2014年则达到了2 890万件，国内市场规模更是达到了22亿人民币，年增长率在144%^[2]， 2015年全球可穿戴设备出货量已达到7 610万件，与2014年相比增长了163.6%，预计2016年年底，可穿戴设备的出货量将达到1.1亿。如此庞大数量的产品想要长期保持市场的占有量与使用性能，就要对产品进行周期性的优化与升级，使产品在使用过程中修正BUG，优化、增加新的功能。对产品进行固件升级有多种方式，如JTAG、BSL等，这些方式只适用于产品未出厂时使用，对于已经售出的产品，就需要通过互联网、无线传输等方法，随时控制更新产品中的固件，以发挥可穿戴设备的性能。这些对于固件的更新，将对用户的体验度产生很大的影响。本文以基于MSP430F1611为处理器的可穿戴设备为例，通过模拟BIOS程序，对Flash分块操作来实现设备的固件升级。

1 在线升级总体架构

    可穿戴设备进行固件在线升级时，首先要接收服务器推送的最新固件包。图1为升级包从服务器到达设备中的过程图，对于能够连接互联网的设备，可以直接内嵌一个到服务器的接口，直接下载升级包，如图中虚线所示；对于许多体积小无法连接网络的设备，如常见的智能手环，可以如图中实线所示，通过手机从网络中接收升级包，然后通过蓝牙等无线方式下载到设备中。

2 固件升级原理

2.1 系统从Flash启动过程

    MSP430F1611单片机^[3]是德州仪器公司推出的一款具有10 KB片内RAM和48 KB+256 B片内Flash的16 bit超低功耗处理器，拥有丰富的外设资源，常被用在智能可穿戴设备中，以达到低功耗的目的。

    从MSP430F1611数据手册上可以查找到内部资源空间地址表。其中0x4000～0xFFFF为Flash地址空间，共48 KB，这其中从0xFFE0～0xFFFF为中断向量地址，其他空间都可以由用户进行操作。当向芯片中烧写程序时，程序代码被写入到Flash中，写入的起始位置即程序的入口地址。系统上电后，PC指针指到中断向量表的复位向量，从中读取程序起始地址入口，然后跳转到这个入口处执行程序。这个地址在代码编译过程中会自动生成，用户可以修改，指定将固件烧写到Flash中其他地址。

2.2 自动更新原理

    图2为计算机中BIOS程序引导操作系统过程的简化框图。在计算机上电时，会启用固化在主板空间内的一段BIOS引导程序进入POST阶段，该阶段主要工作为初始化和检测相关的硬件资源。然后进入操作系统引导阶段，首先根据BIOS设置来检测光驱或U盘中有无引导系统，如果有则将引导系统加入到内存0000:7C00H中，执行引导系统；如果没有，则搜索硬盘第一个扇区，将内容加载到内存0000:7C00H中，运行系统。

    基于这种思想，本文模拟设计了一段BIOS引导程序，将Flash划分区域，一块相当于光驱，起始地址记为A，一块相当于C盘，起始地址记为C。在系统上电时，检测Flash上A地址后有无新版固件，如果有，则将该固件复制到Flash上地址C后的空间，完成从光驱安装系统到C盘。复制完成后删除A空间内容，相当于光驱弹出的动作，重启系统；如果检测到起始地址为A的空间内无文件存在，则通过汇编指令，将PC指针指到C地址，系统将从C盘启动。总体架构流程图如图3所示，其中用虚线围起来的部分不属于BIOS引导程序中的内容，而是操作系统，即用户程序。这样，单片机中相当于有2个程序：1个BIOS程序，1个用户程序。在开机时进入BIOS，由BIOS决定是否将程序入口指针切换到用户程序。切换到用户程序需使用汇编指令将PC指针移到用户程序的复位向量地址0xFFDE中指向的地址^[4]，即C盘起始地址：

    asm(“mov &0xFFDE”);

    因为在Flash中重新为用户程序分配了中断向量表，需要使用汇编指令对15个中断向量表进行映射^[6]。如对第一个中断向量映射的代码如下：

    #pragma vector=0

    __interrupt void intec_0(void)

    {

        asm(“br &0xFFC0”);

    }

2.3 BIOS引导程序固化

    BIOS引导程序编写完成后，需要修改工程中的xcl文件，将BIOS引导程序固化到指定位置，芯片的主Flash地址范围为0x4000～0xFFFF，其中0xFFE0～0xFFF为中断向量表，其余的为用户空间。将用户空间分成4部分，如图4所示，整个灰色部分为原来的用户空间。其中0x4000～0x5FFF为BIOS程序空间；0x6000～0xAFFF为用户程序空间，类似电脑上的C盘； 0xB000～0xFFBF为存储空间，类似电脑上的光驱，用来存储接收到的新固件；0xFFC0～0xFFDF为用户中断向量表。修改xcl文件^[4，5]，将BIOS程序代码段、常量的地址范围改为0x6000～0xAFFF后编译工程，将生成的BIOS文件通过下载器烧写到单片机中，完成BIOS引导程序的固化。

2.4 用户程序实现

    用户程序的实现需要通过蓝牙连接手机或电脑App，当有新版本的固件包时，App会将固件包通过蓝牙下发到设备中。用户程序在接收固件包的同时，将固件包保存在0xB000～0xFFBF范围内的Flash空间中，本设计因为用户程序代码量少，将程序保存在0xB000地址后，如果用户程序过大，可以考虑通过扩展片外Flash解决。用户程序流程图如图5所示。

    用户程序需要放在0x6000～0xAFFF范围内，因此同样需要修改工程文件中的xcl文件，修改代码段、常量的地址范围为0x6000～0xAFFF。另外因为原中断向量地址被BIOS程序所占据，需要修改xcl文件中的中断向量地址为0xFFC0～0xFFDF，重启向量地址为0xFFDE。要将应用程序作为固件更新包推送到设备终端，因此要选择生成txt格式的16进制Hex文件。图6所示是一简单的文件生成的txt文件内容，传输过程中可以考虑加密及错误验证。

    图6中@6000代表程序的起始地址为6000，这段代码会被放在以0x6000为起始地址的Flash内；@FFDE表示程序的复位向量地址为0xFFDE，其中保存子程序入口地址，即0x6000；q表示程序结束。

3 蓝牙通信

3.1 蓝牙技术简介

    为了实现无线接收，本文在设备上使用了蓝牙技术来进行数据传送。蓝牙技术^[6]最初是在1994年时由电信巨头爱立信公司推出，用来替代RS232标准的一种短距离(10 m～100 m)无线通信技术。蓝牙通信工作在2.4 GHz ISM频段上，可以连接多个设备，方便数据共享传输。蓝牙通信无需取得执照许可，因此被广泛用于工业、医疗、手机、平板等电子设备中。

3.2 蓝牙模块

    设计中采用了BLK-MD-HC-05蓝牙模块，该模块采用了英国CSR公司的BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0+EDR蓝牙规范^[7]，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等丰富的接口，支持AT指令集，简化了操作。图7为蓝牙模块架构与MCU之间通过UART口连接图。

3.3 AT指令配置蓝牙模块

    在使用蓝牙模块前需要通过串口通信对蓝牙模块初始化，BLK-MD-HC-05支持AT指令，蓝牙模块默认的波特率为9 600，因此串口需要调整到9 600后方能与蓝牙模块进行数据交互。表1为蓝牙模块初始化需要用到的AT指令。

4 结语

    本文通过模拟BIOS来实现固件更新，经过不同大小的固件包反复推送测试，可以顺利地完成在线升级。升级过程安全可靠，具有较好的可行性，在应用中，将推送的升级包进行加密和解密过程，会更加完善。同时，本文将Flash进行分割，其中一部分作为BIOS和光驱空间，虽然牺牲了Flash空间，但通常情况下Flash空间都会有剩余，不会造成对可靠性的影响。

参考文献

[1] 耿怡，安晖，李扬，等．可穿戴设备发展现状和前景探析[J]．电子科学与技术，2014（2）：238-245.

[2] 邓俊杰，刘红．可穿戴智能设备的现状及未来发展趋势展望[J]．黑龙江科技信息，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] 乔海坤.微控论坛特约，DC，微控论坛版主．MSP430程序自升级的实现原理及过程[EB/OL][2008-12-08]．http：www.microcontrol.cn.

[5] 张园，万众．MSP430单片机串口的程序升级方法[J]．单片机与嵌入式系统应用，2011（10）：23-24.

[6] 张群，杨絮．蓝牙模块串口通信的设计与实现[J]．实验室研究与探索，2012，319（3）：79-82.

[7] 练杰，聂俊飞．基于MSP430单片机的多功能蓝牙温度检测系统[J]．仪表技术，2015（8）：36-38. 

作者信息:

何国锋，李月婷，刘宇红

(贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳550025)