0 引言

    據統計，2013年全球可穿戴設備出貨量在700萬件以上^[1]，2014年則達到了2 890萬件，國內市場規模更是達到了22億人民幣，年增長率在144%^[2]， 2015年全球可穿戴設備出貨量已達到7 610萬件，與2014年相比增長了163.6%，預計2016年年底，可穿戴設備的出貨量將達到1.1億。如此龐大數量的產品想要長期保持市場的占有量與使用性能，就要對產品進行周期性的優化與升級，使產品在使用過程中修正BUG，優化、增加新的功能。對產品進行固件升級有多種方式，如JTAG、BSL等，這些方式只適用于產品未出廠時使用，對于已經售出的產品，就需要通過互聯網、無線傳輸等方法，隨時控制更新產品中的固件，以發揮可穿戴設備的性能。這些對于固件的更新，將對用戶的體驗度產生很大的影響。本文以基于MSP430F1611為處理器的可穿戴設備為例，通過模擬BIOS程序，對Flash分塊操作來實現設備的固件升級。

1 在線升級總體架構

    可穿戴設備進行固件在線升級時，首先要接收服務器推送的最新固件包。圖1為升級包從服務器到達設備中的過程圖，對于能夠連接互聯網的設備，可以直接內嵌一個到服務器的接口，直接下載升級包，如圖中虛線所示；對于許多體積小無法連接網絡的設備，如常見的智能手環，可以如圖中實線所示，通過手機從網絡中接收升級包，然后通過藍牙等無線方式下載到設備中。

2 固件升級原理

2.1 系統從Flash啟動過程

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

    從MSP430F1611數據手冊上可以查找到內部資源空間地址表。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行操作。當向芯片中燒寫程序時，程序代碼被寫入到Flash中，寫入的起始位置即程序的入口地址。系統上電后，PC指針指到中斷向量表的復位向量，從中讀取程序起始地址入口，然后跳轉到這個入口處執行程序。這個地址在代碼編譯過程中會自動生成，用戶可以修改，指定將固件燒寫到Flash中其他地址。

2.2 自動更新原理

    圖2為計算機中BIOS程序引導操作系統過程的簡化框圖。在計算機上電時，會啟用固化在主板空間內的一段BIOS引導程序進入POST階段，該階段主要工作為初始化和檢測相關的硬件資源。然后進入操作系統引導階段，首先根據BIOS設置來檢測光驅或U盤中有無引導系統，如果有則將引導系統加入到內存0000:7C00H中，執行引導系統；如果沒有，則搜索硬盤第一個扇區，將內容加載到內存0000:7C00H中，運行系統。

    基于這種思想，本文模擬設計了一段BIOS引導程序，將Flash劃分區域，一塊相當于光驅，起始地址記為A，一塊相當于C盤，起始地址記為C。在系統上電時，檢測Flash上A地址后有無新版固件，如果有，則將該固件復制到Flash上地址C后的空間，完成從光驅安裝系統到C盤。復制完成后刪除A空間內容，相當于光驅彈出的動作，重啟系統；如果檢測到起始地址為A的空間內無文件存在，則通過匯編指令，將PC指針指到C地址，系統將從C盤啟動。總體架構流程圖如圖3所示，其中用虛線圍起來的部分不屬于BIOS引導程序中的內容，而是操作系統，即用戶程序。這樣，單片機中相當于有2個程序：1個BIOS程序，1個用戶程序。在開機時進入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位向量地址0xFFDE中指向的地址^[4]，即C盤起始地址：

    asm(“mov &0xFFDE”);

    因為在Flash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15個中斷向量表進行映射^[6]。如對第一個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引導程序固化

    BIOS引導程序編寫完成后，需要修改工程中的xcl文件，將BIOS引導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，整個灰色部分為原來的用戶空間。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； 0xB000～0xFFBF為存儲空間，類似電腦上的光驅，用來存儲接收到的新固件；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文件通過下載器燒寫到單片機中，完成BIOS引導程序的固化。

2.4 用戶程序實現

    用戶程序的實現需要通過藍牙連接手機或電腦App，當有新版本的固件包時，App會將固件包通過藍牙下發到設備中。用戶程序在接收固件包的同時，將固件包保存在0xB000～0xFFBF范圍內的Flash空間中，本設計因為用戶程序代碼量少，將程序保存在0xB000地址后，如果用戶程序過大，可以考慮通過擴展片外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，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。另外因為原中斷向量地址被BIOS程序所占據，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。要將應用程序作為固件更新包推送到設備終端，因此要選擇生成txt格式的16進制Hex文件。圖6所示是一簡單的文件生成的txt文件內容，傳輸過程中可以考慮加密及錯誤驗證。

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

3 藍牙通信

3.1 藍牙技術簡介

    為了實現無線接收，本文在設備上使用了藍牙技術來進行數據傳送。藍牙技術^[6]最初是在1994年時由電信巨頭愛立信公司推出，用來替代RS232標準的一種短距離(10 m～100 m)無線通信技術。藍牙通信工作在2.4 GHz ISM頻段上，可以連接多個設備，方便數據共享傳輸。藍牙通信無需取得執照許可，因此被廣泛用于工業、醫療、手機、平板等電子設備中。

3.2 藍牙模塊

    設計中采用了BLK-MD-HC-05藍牙模塊，該模塊采用了英國CSR公司的BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0+EDR藍牙規范^[7]，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等豐富的接口，支持AT指令集，簡化了操作。圖7為藍牙模塊架構與MCU之間通過UART口連接圖。

3.3 AT指令配置藍牙模塊

    在使用藍牙模塊前需要通過串口通信對藍牙模塊初始化，BLK-MD-HC-05支持AT指令，藍牙模塊默認的波特率為9 600，因此串口需要調整到9 600后方能與藍牙模塊進行數據交互。表1為藍牙模塊初始化需要用到的AT指令。

4 結語

    本文通過模擬BIOS來實現固件更新，經過不同大小的固件包反復推送測試，可以順利地完成在線升級。升級過程安全可靠，具有較好的可行性，在應用中，將推送的升級包進行加密和解密過程，會更加完善。同時，本文將Flash進行分割，其中一部分作為BIOS和光驅空間，雖然犧牲了Flash空間，但通常情況下Flash空間都會有剩余，不會造成對可靠性的影響。

參考文獻

[1] 耿怡，安暉，李揚，等．可穿戴設備發展現狀和前景探析[J]．電子科學與技術，2014（2）：238-245.

[2] 鄧俊杰，劉紅．可穿戴智能設備的現狀及未來發展趨勢展望[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程序自升級的實現原理及過程[EB/OL][2008-12-08]．http：www.microcontrol.cn.

[5] 張園，萬眾．MSP430單片機串口的程序升級方法[J]．單片機與嵌入式系統應用，2011（10）：23-24.

[6] 張群，楊絮．藍牙模塊串口通信的設計與實現[J]．實驗室研究與探索，2012，319（3）：79-82.

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

作者信息:

何國鋒，李月婷，劉宇紅

(貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽550025)