嵌入式多节点的无线批量程序更新系统设计

一 总体设计和平台简介

项目旨在实现多ARM节点通过无线通信完成对批量节点的程序烧录，如图2.1所示。系统分为上位机、发射接收模块和待烧录节点三个部分，上位机通过ID号选择待烧录节点并通过无线模块向下广播烧录数据，各被选择节点通过无线模块接收烧录数据检查无误后存储。上位机软件设定待烧录节点的ID、烧录文件目录、发送数据包大小、发送速率等参数后将数据打包传送到基站，基站通过无线发射模块广播数据。

图2.1 多节点无线批量烧录示意

整体思想是利用已有的代码和目标代码进行比较。将两者的差异通过无线网络(802.15.4)广播出去。在每个接受节点根据收到的差异文件(也就是补丁文件patch)，对原有代码进行修改(patching的过程)以达到更新程序的目的。

总体上来说本项目有两大难点，涉及到巧妙的算法设计。

1、如何用尽可能少的字节数，来表示不同代码之间的差异？

2、如何确保可靠性传输？

关于问题1，我们知道要待传输的字节数越少，对通信的要求越低。更新程序的效率也会更高。而且少的字节数也意味着丢更少的包。关于问题2，由于我们是要对代码进行修正，所以一个字节的错误可能就会造成整个程序的崩溃。这对嵌入式程序，特别是运行在成千上万个节点上的程序是不可接受的，必须保证100%的正确接受。除此两大难点（也是关键点）之外，还有一些别的附加要求。如果满足了能够提高系统的持久性。分别是：

1、使用尽可能小的RAM。因为嵌入式芯片的RAM普遍珍贵。

2、消耗尽可能少的能量。

3、更新速度尽可能的快。

项目使用的硬件平台是我们自制的智能小车eMouse 。平台采用 TI公司32位Stellaris LM3S1968微处理器，工作频率为50MHz，内含256 KB单周期Flash和64 KB单周期SRAM，flash支持可由用户管理的块保护和数据编程；板上Zigbee模块通过串口与CPU通信，模块仅提供MAC层服务，CPU与模块间以MAC帧的形式通过串口传递数据。eMouse外观如图2.2所示。

图2.2 硬件平台eMouse

项目开发系统环境为Ubuntu9.04，程序编译和下载工具分别为开源的sourcery G++和Openocd，用户界面采用java语言编写。

以下章节将对系统设计作详尽的论述。

二 程序更新设计与实现

一些传统的更新方法注重代码本身的特点。比如以函数为基本的更新单位。在每个节点上运行一个动态链接器，将新的函数重新链接到原程序。其实代码本身可以将其视为一串二进制的文本文件。代码的更新即是从一串旧的文本更新为一串新的文本。

为此我们定义了一系列基本的更新操作命令，以及两个辅助的索引指针：in_index以及out_index。in_index代表输入文件当前的索引值，而out_index代表输出文件当前的索引值。

基本的命令如下：

Copy:将in_index所指的字节复制到out_index处，并且in_index和out_index分别加1。

Replace A:将当前out_index所指的字节用A来替换，并且in_index和out_index分别加1。

Delete:in_index加1,out_index不变。实际为删除in_index所指的字节

Insert A:在当前out_index处插入A，in_index不变,out_index加1。

Kill:表示删除in_index后所有的原程序代码。

其中包含了如下的子问题：

2.1 命令的表示

通过上面所说的基本命令的组合，我们可以表示出从一个旧文件到一个新文件的过程。随之带来了一个问题。这些命令应该如何表示才能尽可能的降低补丁文件(命令的组合)的大小？

有几个需要注意的地方：

如果有连续的Copy命令，我们可以将其合并成一条命令，只要在Copy后加上表示长度的Length参数即可。

同理，如果有连续的Delete命令，也可以将其合并成一条命令，只要在Delete后加上表示长度的Length参数即可。

如果可以利用Replace命令，就不要用Delete和Insert命令的组合。这其实是另一重要的子问题:如何根据这些命令产生尽可能少补丁文件？

有五条基本命令，这样为了区别这五条命令，至少需要3个比特。

由于大多数情况下，更新的大多数是程序的参数。也就是说Copy命令的数目远远大于其他命令。我们定义这5条命令如下表所示：

表3.1