何國鋒， 李月婷， 劉宇紅
(貴州大學 大資料與資訊工程學院， 貴州 貴陽550025)
可穿戴設備需要不斷地進行系統升級以達到良好的使用者體驗度， 產品升級方法和安全性是最為直觀的用戶體驗。 針對以MSP430晶片為核心的可穿戴設備， 通過研究晶片內部的程式啟動方式， 借鑒了電腦中BIOS啟動載入系統的方法， 將Flash劃分成不同空間， 一塊內固化了BIOS程式， 類比電腦BIOS， 另外兩塊空間類比了C盤和光碟機， 實現了一種線上升級方案。
可穿戴設備；線上升級；BIOS；嵌入式；Flash
中圖分類號：TN609；TP368.1
文獻標識碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.015
中文引用格式：何國鋒， 李月婷， 劉宇紅. 基於類比BIOS的可穿戴設備固件線上升級實現[J].電子技術應用，
英文引用格式：He Guofeng， Li Yueting， Liu Yuhong. Firmware online upgrade implementation for wearable devices based on simulating BIOS[J].Application of Electronic Technique， 2017， 43(3)：63-65， 69.
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佔有量與使用性能， 就要對產品進行週期性的優化與升級， 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， 這些方式只適用於產品未出廠時使用， 對於已經售出的產品， 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。
1 線上升級總體架構
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，
從MSP430F1611資料手冊上可以查找到內部資源空間位址表。 其中0x4000～0xFFFF為Flash位址空間， 共48 KB， 這其中從0xFFE0～0xFFFF為中斷向量位址， 其他空間都可以由用戶進行操作。 當向晶片中燒寫程式時， 程式碼被寫入到Flash中， 寫入的起始位置即程式的入口位址。 系統上電後， PC指針指到中斷向量表的復位向量， 從中讀取程式起始位址入口， 然後跳轉到這個入口處執行程式。 這個位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中其他位址。
2.2 自動更新原理
圖2為電腦中BIOS程式引導作業系統過程的簡化框圖。 在電腦上電時，
基於這種思想， 本文模擬設計了一段BIOS引導程式， 將Flash劃分區域， 一塊相當於光碟機， 起始位址記為A， 一塊相當於C盤， 起始位址記為C。 在系統上電時， 檢測Flash上A位址後有無新版固件， 如果有， 則將該固件複製到Flash上位址C後的空間， 完成從光碟機安裝系統到C盤。 複製完成後刪除A空間內容， 相當於光碟機彈出的動作， 重啟系統；如果檢測到起始位址為A的空間內無檔存在， 則通過彙編指令， 將PC指標指到C位址， 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於BIOS引導程式中的內容， 而是作業系統， 即使用者程式。 這樣， 單片機中相當於有2個程式：1個BIOS程式， 1個使用者程式。在開機時進入BIOS，由BIOS決定是否將程式入口指標切換到使用者程式。切換到使用者程式需使用彙編指令將PC指標移到使用者程式的重定向量位址0xFFDE中指向的位址[4]，即C盤起始位址：
asm(“mov &0xFFDE”);
因為在Flash中重新為使用者程式分配了中斷向量表，需要使用彙編指令對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引導程式固化
BIOS引導程式編寫完成後，需要修改工程中的xcl檔，將BIOS引導程式固化到指定位置，晶片的主Flash位址範圍為0x4000～0xFFFF，其中0xFFE0～0xFFF為中斷向量表，其餘的為用戶空間。將使用者空間分成4部分，如圖4所示，整個灰色部分為原來的使用者空間。其中0x4000～0x5FFF為BIOS程式空間；0x6000～0xAFFF為使用者程式空間，類似電腦上的C盤； 0xB000～0xFFBF為存儲空間，類似電腦上的光碟機，用來存儲接收到的新固件；0xFFC0～0xFFDF為用戶中斷向量表。修改xcl檔[4，5]
2.4 使用者程式實現
使用者程式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。使用者程式在接收固件包的同時，將固件包保存在0xB000～0xFFBF範圍內的Flash空間中，本設計因為用戶程式碼量少，將程式保存在0xB000位址後，如果使用者程式過大，可以考慮通過擴展片外Flash解決。使用者程式流程圖如圖5所示。
使用者程式需要放在0x6000～0xAFFF範圍內，因此同樣需要修改工程檔中的xcl檔，修改程式碼片段、常量的地址範圍為0x6000～0xAFFF。另外因為原中斷向量位址被BIOS程式所佔據，需要修改xcl檔中的中斷向量位址為0xFFC0～0xFFDF，重啟向量地址為0xFFDE。要將應用程式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檔。圖6所示是一簡單的檔生成的txt檔內容，傳輸過程中可以考慮加密及錯誤驗證。
圖6中@6000代表程式的起始位址為6000，這段代碼會被放在以0x6000為起始位址的Flash內；@FFDE表示程式的重定向量位址為0xFFDE，其中保存副程式入口位址，即0x6000；q表示程式結束。
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資料傳送。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)無線通訊技術。藍牙通信工作在2.4 GHz ISM頻段上，可以連接多個設備，方便資料共用傳輸。藍牙通信無需取得執照許可，因此被廣泛用於工業、醫療、手機、平板等電子設備中。
3.2 藍牙模組
設計中採用了BLK-MD-HC-05藍牙模組，該模組採用了英國CSR公司的BlueCore4-Ext晶片，遵循V2.0+EDR藍牙規範[7]，支援UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等豐富的介面，支援AT指令集，簡化了操作。圖7為藍牙模組架構與MCU之間通過UART口連接圖。
3.3 AT指令配置藍牙模組
在使用藍牙模組前需要通過串口通信對藍牙模組初始化，BLK-MD-HC-05支援AT指令，藍牙模組預設的串列傳輸速率為9 600，因此串口需要調整到9 600後方能與藍牙模組進行資料交互。表1為藍牙模組初始化需要用到的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，可以順利地完成線上升級。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和光碟機空間，雖然犧牲了Flash空間，但通常情況下Flash空間都會有剩餘，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] 鄧俊傑，劉紅．可穿戴智慧設備的現狀及未來發展趨勢展望[J]．黑龍江科技資訊，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程式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單片機串口的程式升級方法[J]．單片機與嵌入式系統應用，2011（10）：23-24.
[6] 張群，楊絮．藍牙模組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] 練傑，聶俊飛．基於MSP430單片機的多功能藍牙溫度檢測系統[J]．儀錶技術，2015（8）：36-38.
1個使用者程式。在開機時進入BIOS，由BIOS決定是否將程式入口指標切換到使用者程式。切換到使用者程式需使用彙編指令將PC指標移到使用者程式的重定向量位址0xFFDE中指向的位址[4]，即C盤起始位址：asm(“mov &0xFFDE”);
因為在Flash中重新為使用者程式分配了中斷向量表，需要使用彙編指令對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引導程式固化
BIOS引導程式編寫完成後，需要修改工程中的xcl檔，將BIOS引導程式固化到指定位置，晶片的主Flash位址範圍為0x4000～0xFFFF，其中0xFFE0～0xFFF為中斷向量表，其餘的為用戶空間。將使用者空間分成4部分，如圖4所示，整個灰色部分為原來的使用者空間。其中0x4000～0x5FFF為BIOS程式空間；0x6000～0xAFFF為使用者程式空間，類似電腦上的C盤； 0xB000～0xFFBF為存儲空間，類似電腦上的光碟機，用來存儲接收到的新固件；0xFFC0～0xFFDF為用戶中斷向量表。修改xcl檔[4，5]
2.4 使用者程式實現
使用者程式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。使用者程式在接收固件包的同時，將固件包保存在0xB000～0xFFBF範圍內的Flash空間中，本設計因為用戶程式碼量少，將程式保存在0xB000位址後，如果使用者程式過大，可以考慮通過擴展片外Flash解決。使用者程式流程圖如圖5所示。
使用者程式需要放在0x6000～0xAFFF範圍內，因此同樣需要修改工程檔中的xcl檔，修改程式碼片段、常量的地址範圍為0x6000～0xAFFF。另外因為原中斷向量位址被BIOS程式所佔據，需要修改xcl檔中的中斷向量位址為0xFFC0～0xFFDF，重啟向量地址為0xFFDE。要將應用程式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檔。圖6所示是一簡單的檔生成的txt檔內容，傳輸過程中可以考慮加密及錯誤驗證。
圖6中@6000代表程式的起始位址為6000，這段代碼會被放在以0x6000為起始位址的Flash內；@FFDE表示程式的重定向量位址為0xFFDE，其中保存副程式入口位址，即0x6000；q表示程式結束。
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資料傳送。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)無線通訊技術。藍牙通信工作在2.4 GHz ISM頻段上，可以連接多個設備，方便資料共用傳輸。藍牙通信無需取得執照許可，因此被廣泛用於工業、醫療、手機、平板等電子設備中。
3.2 藍牙模組
設計中採用了BLK-MD-HC-05藍牙模組，該模組採用了英國CSR公司的BlueCore4-Ext晶片，遵循V2.0+EDR藍牙規範[7]，支援UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等豐富的介面，支援AT指令集，簡化了操作。圖7為藍牙模組架構與MCU之間通過UART口連接圖。
3.3 AT指令配置藍牙模組
在使用藍牙模組前需要通過串口通信對藍牙模組初始化，BLK-MD-HC-05支援AT指令，藍牙模組預設的串列傳輸速率為9 600，因此串口需要調整到9 600後方能與藍牙模組進行資料交互。表1為藍牙模組初始化需要用到的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，可以順利地完成線上升級。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和光碟機空間，雖然犧牲了Flash空間，但通常情況下Flash空間都會有剩餘，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.
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[4] 喬海坤.微控論壇特約，DC，微控論壇版主．MSP430程式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單片機串口的程式升級方法[J]．單片機與嵌入式系統應用，2011（10）：23-24.
[6] 張群，楊絮．藍牙模組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] 練傑，聶俊飛．基於MSP430單片機的多功能藍牙溫度檢測系統[J]．儀錶技術，2015（8）：36-38.