電力設(shè)備用MCU嵌入式程序分塊更新技術(shù)

江蘇林洋能源股份有限公司 陳昊琦 沈煜迪 黃柳勝

電力設(shè)備用MCU嵌入式程序分塊更新技術(shù)

江蘇林洋能源股份有限公司 陳昊琦 沈煜迪 黃柳勝

【摘要】文章介紹電力設(shè)備MCU的嵌入式程序按功能或按函數(shù)級(jí)別對(duì)增加、修改、刪除代碼進(jìn)行精確分塊更新的工作原理，指出采用分散加載機(jī)制方法，可對(duì)MCU劃分代碼區(qū)域，敘述使用偽指令、函數(shù)殼、void ★、void ★★、void ★★★方法保證因修改程序代碼或變量，需要更新的程序范圍不會(huì)擴(kuò)大的設(shè)計(jì)方法。該技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際項(xiàng)目中使用，可以根據(jù)產(chǎn)品功能需求的變化精確、快速更新程序。

【關(guān)鍵詞】嵌入式程序分塊更新；分散加載機(jī)制；函數(shù)殼；空類型指針

一、引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，在電力設(shè)備中MCU的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在很多情況下，如現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備需要增加新功能、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)了BUG等等，都要求更新MCU內(nèi)部的嵌入式程序；同時(shí)由于電力設(shè)備往往工作在無(wú)人值守的環(huán)境下，且數(shù)量眾多，一旦需要對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更新，就會(huì)耗費(fèi)大量現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的人力、物力和時(shí)間。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電力設(shè)備使用GPRS/CDMA進(jìn)行遠(yuǎn)程通信成為現(xiàn)實(shí)；同時(shí)IAP在線應(yīng)用編程技術(shù)的出現(xiàn)使得MCU不必增加專用編程接口，就可實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程下載來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的更新。

一些廠家采用了IAP + GPRS/CDMA通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序更新。該方案雖然解決了現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的繁重工作量。但由于目前廣泛使用的程序更新方式都是將MCU的嵌入式程序全部更新，即如果僅僅修改了一個(gè)函數(shù)的代碼或增加、刪除一個(gè)功能甚至只修改一行代碼都需要更新整個(gè)程序。

同時(shí)由于GPRS/CDMA的傳輸速度低、并根據(jù)流量收費(fèi)，當(dāng)程序代碼量大、需要頻繁升級(jí)時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致升級(jí)的時(shí)間長(zhǎng)、流量大、收費(fèi)高等問(wèn)題的產(chǎn)生。

本文敘述的嵌入式程序分塊更新技術(shù)，可以按功能或按函數(shù)級(jí)別對(duì)修改的代碼進(jìn)行精確的分塊更新，從根本上避免在任何情況下都必須更新全部程序的低效率工作方式，同時(shí)也有效解決通過(guò)GPRS/CDMA遠(yuǎn)程更新設(shè)備程序所造成的升級(jí)時(shí)間長(zhǎng)、流量大、收費(fèi)高的問(wèn)題。

二、嵌入式程序編譯、運(yùn)行原理

目前，國(guó)內(nèi)使用的MCU大部分屬于中低端設(shè)備，不具備運(yùn)行Linux的條件，普遍采用前后臺(tái)系統(tǒng)或嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如uCos運(yùn)行程序。同時(shí)，為了提高開發(fā)效率，很多嵌入式程序采用C、C++語(yǔ)言編寫。

根據(jù)編譯原理如圖1所示，源代碼形成可執(zhí)行文件需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接四個(gè)階段。最終生成的目標(biāo)程序包含了代碼段（Code）、只讀數(shù)據(jù)段（RO-data）、已初始化讀寫數(shù)據(jù)段（RW-data）、未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）、堆棧段等信息。

圖1 生成目標(biāo)程序流程

圖2 目標(biāo)程序運(yùn)行時(shí)布局

1、代碼段（Code）由程序中可執(zhí)行的機(jī)器代碼組成。程序語(yǔ)句進(jìn)行編譯后，形成機(jī)器代碼。在執(zhí)行程序的過(guò)程中，CPU的程序計(jì)數(shù)器指向代碼段的每一條機(jī)器代碼，并由處理器依次運(yùn)行。

2、只讀數(shù)據(jù)段（RO-data）是程序運(yùn)行時(shí)不會(huì)被更改的數(shù)據(jù)，如常量。使用這些數(shù)據(jù)類似查表式操作，由于不需要更改，因此只需放置在只讀存儲(chǔ)器中。

3、已初始化讀寫數(shù)據(jù)段（RW-data）是在程序中聲明且具有初值的變量，如已初始化的全局變量、靜態(tài)變量。這些變量需要占用存儲(chǔ)器的空間，在程序執(zhí)行時(shí)它們需要位于可讀寫的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)，并具有初值，以供程序運(yùn)行時(shí)讀寫。

4、未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）也是在程序中聲明，但沒(méi)有初始化的變量，如未初始化的全局變量和靜態(tài)變量。這些變量在程序運(yùn)行之前不需要占用存儲(chǔ)器的空間。

5、堆內(nèi)存只在程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，一般由程序員分配和釋放空間，如new、delete操作。

6、棧內(nèi)存也只在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，程序臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量、函數(shù)內(nèi)部使用的變量、函數(shù)的參數(shù)以及返回值將使用?？臻g，?？臻g由編譯器自動(dòng)分配。

Code、RO-data、RW-data、BSS屬于靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域；堆和棧屬于動(dòng)態(tài)區(qū)域。Code、RO-data和RW-data在鏈接之后生成，BSS在程序初始化時(shí)候開辟，而堆和棧在程序運(yùn)行中分配和釋放。

目標(biāo)程序運(yùn)行時(shí)分為映像文件和運(yùn)行兩種狀態(tài)，具體布局如圖2所示。通過(guò)工具將映像文件固化在MCU的ROM或Nor-Flash中，映像文件中包含了Code、RO-data以及RW-data；

程序運(yùn)行的初始化階段，各段必須載入到內(nèi)存RAM的恰當(dāng)位置，其中RW-data復(fù)制到內(nèi)存的Data區(qū)域中，各個(gè)BSS區(qū)域?qū)⒃趦?nèi)存中開辟空間并清零，堆和?？臻g一般是向前擴(kuò)展，棧由編譯器管理，程序運(yùn)行后堆大小分配由程序決定（見圖2）。

三、分塊更新要點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路

通過(guò)上文對(duì)嵌入式程序的編譯和運(yùn)行原理分析介紹，需要關(guān)注以下2點(diǎn)：

1、程序編譯后生成的目標(biāo)代碼順序存放，緊密地靠在一起。若增刪程序后再編譯，生成的目標(biāo)代碼將和原來(lái)大相徑庭。

2、目標(biāo)程序使用的存儲(chǔ)空間見表1：

表1 目標(biāo)程序使用存儲(chǔ)空間匯總

程序編譯后，由于RW-data段會(huì)保存在目標(biāo)代碼中，并和其他段緊靠一起。若增刪RW-data中的變量，也會(huì)導(dǎo)致再編譯生成的目標(biāo)代碼和原來(lái)區(qū)別非常大。

RO-data段存放在ROM中，由于程序運(yùn)行時(shí)不會(huì)被修改，所以也可以看成Code段。

分塊更新的目標(biāo)是“嵌入式程序可以按功能或按函數(shù)級(jí)別對(duì)增加、修改、刪除代碼進(jìn)行精確分塊更新，減少更新的代碼量”，即只更新增加、修改、刪除的代碼，而且是按照功能模塊或函數(shù)級(jí)別更新。但本節(jié)提到的2個(gè)關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)指出，若直接修改代碼或RW-data段中的變量，會(huì)導(dǎo)致編譯生成的目標(biāo)代碼改動(dòng)非常大，給人一種“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的感覺(jué)，無(wú)法滿足分塊更新的要求。

為實(shí)現(xiàn)分塊更新的目標(biāo)，需要滿足以下3點(diǎn)：

1、按功能模塊或函數(shù)級(jí)別對(duì)代碼劃分區(qū)域

源程序編譯后，目標(biāo)代碼順序緊靠存放。修改源程序后必然導(dǎo)致目標(biāo)代碼的大小變化，其后的代碼位置也隨之改動(dòng)。按功能模塊或函數(shù)級(jí)別對(duì)目標(biāo)代碼劃分開獨(dú)立的區(qū)域，區(qū)域的位置按更新的頻率設(shè)定，更新頻率低的區(qū)域放置在ROM低地址處，更新頻率高的區(qū)域放置在ROM高地址處；區(qū)域的大小根據(jù)實(shí)際情況預(yù)留一部分備用空間，在實(shí)際使用過(guò)程中若區(qū)域不夠時(shí)，可在ROM中劃出一塊還未使用的區(qū)域繼續(xù)。

源程序中函數(shù)一定是很多的，按函數(shù)級(jí)別劃分區(qū)域帶來(lái)的工作量相當(dāng)大。在實(shí)際使用時(shí)，建議采用按功能模塊級(jí)別劃分區(qū)域。

使用偽指令劃分區(qū)域，根據(jù)編譯原理應(yīng)在預(yù)處理階段實(shí)施。本文將在下一節(jié)介紹使用分散加載機(jī)制方法劃分代碼。

2、代碼精確更新，減少更新程序的范圍

如圖3所示，功能模塊之間、函數(shù)之間、模塊和函數(shù)之間需要相互調(diào)用。若僅僅對(duì)代碼劃分區(qū)域，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的代碼修改編譯后，與之相互調(diào)用函數(shù)的區(qū)域會(huì)改變，隨之又影響到其他有關(guān)聯(lián)的區(qū)域。

圖3 區(qū)域關(guān)聯(lián)

圖4 區(qū)域之間調(diào)用函數(shù)流程

這種情況導(dǎo)致更新一個(gè)區(qū)域時(shí)，與之有關(guān)聯(lián)的區(qū)域，甚至與關(guān)聯(lián)區(qū)域有關(guān)聯(lián)的區(qū)域都需要更新。

使用偽指令和函數(shù)殼既切斷區(qū)域之間連帶更新，又保證關(guān)聯(lián)區(qū)域正常工作。本文將在下一節(jié)闡述處理的方法。

3、RAM中變量改變時(shí)減少更新程序的范圍

由于模塊、函數(shù)之間相互調(diào)用，若函數(shù)的參數(shù)或模塊內(nèi)的變量需要改變時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致更新一個(gè)區(qū)域后，與之有關(guān)聯(lián)的其它區(qū)域都需要更新。

為了減少更新程序的范圍，使用1級(jí)、2級(jí)甚至3級(jí)空類型指針變量，使變量修改后再編譯減少對(duì)目標(biāo)代碼的影響。

四、實(shí)施分塊更新的方法

上一節(jié)討論了需要滿足3要點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)分塊更新的目標(biāo)，這節(jié)詳細(xì)闡釋每個(gè)要點(diǎn)實(shí)施的方法。

（一）分散加載機(jī)制劃分代碼區(qū)域

在第2節(jié)中已經(jīng)介紹了映像文件及其組成，要構(gòu)建映像文件的存儲(chǔ)器映射，鏈接器必須有：描述如何分組成區(qū)的分組信息、描述映像區(qū)在存儲(chǔ)器映射中放置地址的放置信息。

分散加載機(jī)制允許為鏈接器指定映像文件的存儲(chǔ)器映射信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)映像組件分組和布局的全面控制，如固定函數(shù)的位置，即使周圍程序已經(jīng)被修改并重新編譯。分散加載通常用于具有復(fù)雜存儲(chǔ)器映射的映像（盡管也可用于簡(jiǎn)單映像），適合在加載和執(zhí)行時(shí)映射中多個(gè)區(qū)域是分散的情況。

源程序在編譯前，利用開發(fā)平臺(tái)如Keil μVision自帶的分散加載機(jī)制功能，按程序設(shè)計(jì)的功能模塊劃分多個(gè)區(qū)域，并設(shè)置區(qū)域位置及大小。下面例子是相關(guān)代碼及注釋。

使用分散加載機(jī)制將所有程序文件按功能級(jí)別劃分ROM的地址空間。區(qū)域劃分后，功能模塊內(nèi)部的函數(shù)相互調(diào)用、修改，不影響其他區(qū)域。

（二）偽指令和函數(shù)殼減少更新程序的范圍

功能模塊劃分完區(qū)域，區(qū)域之間會(huì)相互調(diào)用函數(shù)，為減少程序更新的范圍，需要在不影響正常運(yùn)行的前提下切斷區(qū)域之間的連帶更新。對(duì)需要相互調(diào)用的函數(shù)建立相應(yīng)函數(shù)殼，同時(shí)使用偽指令固定函數(shù)殼在區(qū)域內(nèi)的位置。下面例子是相關(guān)代碼及注釋。

2個(gè)區(qū)域之間調(diào)用函數(shù)的流程如圖4所示。

函數(shù)殼起到“中間人”的角色，區(qū)域之間調(diào)用函數(shù)時(shí)都需要先通過(guò)函數(shù)殼。同時(shí)固定了函數(shù)殼的位置后，對(duì)應(yīng)的函數(shù)修改代碼只會(huì)改變?cè)摵瘮?shù)所在的區(qū)域，不會(huì)影響到調(diào)用它的其他區(qū)域，從而切斷區(qū)域之間的連帶更新，達(dá)到了減少更新程序范圍的目的。

（三）使用空類型指針減少更新程序的范圍

4.2節(jié)的例子中函數(shù)沒(méi)有使用參數(shù)，實(shí)際情況下函數(shù)經(jīng)常需要傳遞各種參數(shù)。同時(shí)功能模塊中還有各種變量需要使用或被其他模塊調(diào)用。本節(jié)對(duì)這2種情況的處理做詳細(xì)說(shuō)明。

函數(shù)傳遞各種參數(shù)、或更新代碼后傳遞的參數(shù)改變了，如果直接使用函數(shù)殼加xxx參數(shù)，還是會(huì)造成關(guān)聯(lián)區(qū)域更新范圍擴(kuò)大。使用1級(jí)（或2級(jí)）空類型指針傳遞實(shí)際參數(shù)，即使實(shí)際參數(shù)改變也不會(huì)擴(kuò)大關(guān)聯(lián)區(qū)域的更新范圍。下面例子是相關(guān)代碼及注釋。

前文中對(duì)目標(biāo)程序使用的存儲(chǔ)空間做了匯總，詳見表1。功能模塊中已初始化的全局變量、靜態(tài)變量（屬于RW-data段）需要占用ROM存儲(chǔ)空間，而且其他模塊也能調(diào)用這些變量。若修改變量也會(huì)造成關(guān)聯(lián)區(qū)域更新范圍擴(kuò)大。使用2級(jí)（或3級(jí)）空類型指針代替變量，保證了即使實(shí)際變量改變也不會(huì)擴(kuò)大關(guān)聯(lián)區(qū)域的更新范圍。下面例子是相關(guān)代碼及注釋。

void** pVariate；// 2級(jí)空指針變量

pVariate = new void *［RowCount］； // 動(dòng)態(tài)申請(qǐng)變量數(shù)組

// 指針變量關(guān)聯(lián)實(shí)際變量

使用n級(jí)空類型指針可以避免編譯器為RW-data段分配ROM存儲(chǔ)空間。

五、結(jié)語(yǔ)

采用本文介紹的分塊更新技術(shù)，將電力設(shè)備用MCU的嵌入式程序按功能模塊或函數(shù)級(jí)別進(jìn)行精確的分塊，產(chǎn)品投運(yùn)后可以根據(jù)功能需求變化，只對(duì)更改了功能的模塊進(jìn)行更新，從而避免了在任何情況下都必須更新全部程序的低效率工作方式，同時(shí)也有效解決了通過(guò)GPRS/CDMA遠(yuǎn)程更新設(shè)備程序所造成的升級(jí)時(shí)間長(zhǎng)、流量大、收費(fèi)高的問(wèn)題。

分塊更新技術(shù)已經(jīng)在公司多個(gè)項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用，效果極佳。我們?cè)贗I型集中器項(xiàng)目中以修改LED驅(qū)動(dòng)為例做過(guò)統(tǒng)計(jì)，若沒(méi)有使用分塊更新技術(shù)編譯、鏈接后生成的Bin文件達(dá)到330k左右，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程更新時(shí)每2秒傳輸1024字節(jié)，需要11～15分鐘傳輸完畢。使用分塊更新技術(shù)后生成的LED驅(qū)動(dòng)Bin文件只有3k左右，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)僅需6～10秒傳輸完畢。分塊更新技術(shù)降低了產(chǎn)品投運(yùn)后的維護(hù)成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

當(dāng)然，分塊更新技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中，需要注意到動(dòng)態(tài)申請(qǐng)空類型指針變量會(huì)多占用一些內(nèi)存，在內(nèi)存不足的情況下需要及時(shí)釋放；而且，在編寫調(diào)試程序的時(shí)候也會(huì)有一定的難度。

參考文獻(xiàn)

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