TWI431530B - 嵌入式系統及其程式更新方法 - Google Patents

Description

嵌入式系統及其程式更新方法

本發明係關於一種嵌入式系統及其程式更新方法，尤其係涉及一種不需額外設置記憶單元而可直接更新程式的嵌入式系統和其程式更新方法。

嵌入式系統運作所需的韌體程式資料一般會燒錄在非揮發的儲存單元當中，例如快閃唯讀記憶體(Flash ROM)，並附隨著硬體裝置釋出。當系統因運作所需而欲執行其中部分程式時，由處理器將相關程式的映像從儲存單元讀取到主記憶體後，轉換為可執行的程式碼加以執行。

程式資料一旦燒錄在儲存單元中並隨著嵌入式系統硬體一起釋出後，一般的使用者無法自行對系統中的韌體程式進行修改。

然而，當嵌入式系統釋出後，為了修補程式中的缺陷、或為提供新增的服務或功能，製造者或研發者經常會提供新版本的程式映像(image)，用以供嵌入式系統進行程式的更新或升級。為更新新版本的程式映像到嵌入式系統，目前通用的作法是在嵌入式系統的主機板上額外設置一個隨機存取記憶體(RAM)，在嵌入式系統啟動後，經由開機程式(boot loader)的引導，將所下載的新版本映像先送到隨機存取記憶體中，再從隨機存取記憶體將新版本的映像一次寫入儲存單元以取代舊版本的資料。

若要使嵌入式系統支援上述的更新作法，必須在製造採用嵌入式系統的產品時，就預先在主機板上保留設置記憶體的位置，並且因此項額外設置的記憶體而提高製造成本。是以，尋求一種可更新程式且不造成成本負擔的嵌入式系統，係為研發或製造者長久以來關注的焦點。

本發明之目的係為提供一種可更新程式的嵌入式系統，以及其程式更新方法，利用複數個開機程式分別更新自身以外的其他開機程式映像的手段，達到不需額外設置用來暫存更新內容的記憶體，即可完成對嵌入式系統之韌體程式更新的效果。

根據本發明的一種方案，提供一種嵌入式系統程式更新方法，所述的嵌入式系統包括複數儲存區塊一對一地儲存複數程式的映像，其中一個實施例包括：嵌入式系統執行複數程式中的一第一開機程式，並接收主機所發出用以指示更新第一開機程式的一更新命令；接著，嵌入式系統切換為執行複數程式中第一開機程式以外的一第二開機程式，並於執行該第二開機程式時接收該主機發出的一更新映像，以及將更新映像寫入儲存第一開機程式之映像的儲存區塊，以更新該第一開機程式。

本發明還提供另一種嵌入式系統程式更新方法，所述的嵌入式系統包括複數儲存區塊一對一地儲存複數程式的映像，其中一個實施例包括：嵌入式系統執行複數程式中的一第一開機程式，並接收主機發出的一控制命令，所述的控制命令指示更新複數程式中的一第二開機程式；根據控制命令再接收主機發出的一控制映像，並寫入儲存第二開機程式之映像的儲存區塊，以更新第二開機程式；嵌入 式系統切換為執行更新後的第二開機程式；並於執行更新後的第二開機程式時接收主機發出的一更新映像，並寫入儲存第一開機程式之映像的儲存區塊，以更新第一開機程式。

根據本發明的另一方案，還提供一種嵌入式系統，可連接一主機以更新程式，包括：一儲存單元及一處理單元。其中，儲存單元包括複數儲存區塊，所述的複數儲存區塊一對一儲存複數程式的映像；而處理單元則用以執行複數程式當中的一第一開機程式，並且於嵌入系統準備更新第一開機程式時，切換為執行複數程式中的一第二開機程式。當處理單元執行第二開機程式時，接收由主機傳送的一更新映像到嵌入式系統，並將更新映像寫入儲存第一開機程式之映像的儲存區塊，以更新第一開機程式。

上述嵌入式系統以及其程式更新方法的詳細內容及其他特點，請進一步配合圖式參考以下的實施方式說明。

第一圖為本發明所提供的一種嵌入式系統實施例的方塊圖。嵌入式系統1包括：一處理單元10、一儲存單元12、一主記憶單元14及一序列通訊單元16。儲存單元12畫分為複數個儲存區塊，用以一對一地儲存複數程式映像檔，本實施例中包括一第一開機程式映像120、一第二開機程式映像122及一應用程式映像124。

嵌入式系統1與一主機2分別透過序列通訊單元16及主機2的主機序列通訊單元20連接，二者藉由序列通訊介面傳遞命令及用於更新儲存單元12中資料的程式映像。

嵌入式系統1的處理單元10可為一數位訊號處理器(DSP)或一微控制器(microcontroller)；儲存單元12則為非揮發性之記憶元件如：快閃記憶體(包括Nand-Flash、Nor-Flash)或各類唯讀記憶體；主記憶單元14為一揮發性的隨機存取記憶體；序列通訊單元16則可為通用序列匯流排(USB)接口或通用非同步收發傳輸器(UART)接口。嵌入式系統1啟動時，處理單元10用以將儲存單元12中所儲存的一開機程式映像(boot loader image)，載入主記憶單元14並轉換為可執行的開機程式碼，用以對嵌入式系統1初始化以建立核心系統程式運行的環境。

嵌入式系統1可在處理單元10執行一開機程式時接收主機2準備更新開機程式映像之命令，本例的嵌入式系統1預設執行的開機程式以第一開機程式為例。當處理單元10將第一開機程式映像120載入主記憶單元14而執行第一開機程式時，主機2可透過由主機序列通訊單元20及序列通訊單元16所建構的序列通訊介面，發送更新命令到嵌入式系統1，由處理單元10接收；更新命令用以指示嵌入式系統1進行第一開機程式映像120的更新。

特別說明，第一圖所示的主機2僅繪示出用以連接嵌入式系統1的主機序列通訊單元20，但本領域之具通常知識之人士皆可知主機2還包括運算處理元件、記憶或儲存元件，以及視主機2之運作需要而設置的其他控制元件，第一圖省略上述各元件，僅為彰顯與本發明相關之特點。

由於嵌入式系統1正在執行第一開機程式映像120所轉換的第一開機程式，無法對儲存第一開機程式映像120的儲存區塊同時進行讀取及寫入的動作，因此，本實施例 所採取的手段，係控制嵌入式系統1執行將被更新之第一開機程式映像120以外的其他開機程式，亦即控制處理單元10切換為載入第二開機程式映像122並執行第二開機程式。切換的手段請一併參照第二圖所示的儲存單元資料結構示意圖。

儲存單元12除了以多個儲存區塊分別儲存第一開機程式映像120、第二開機程式映像122及應用程式映像124之外，還可能在其他的儲存區塊分別儲存各種不同功能的程式映像。此外，儲存單元12還在特定的儲存區段分別記錄一開機位址125、一中斷指標126，以及一第一中斷向量表127與一第二中斷向量表128。其中，第一中斷向量表127對應到第一開機程式，而第二中斷向量表128則對應到第二開機程式。開機位址125係記錄儲存第一開機程式映像120之儲存區塊的起始位址、或記錄儲存第二開機程式映像122之儲存區塊的起始位址，用以供處理單元10在嵌入式系統1一旦啟動後，根據開機位址125的指示，前往相對應的儲存區塊讀取指定的開機程式映像進行加載。中斷指標126則記錄第一中斷向量表127或第二中斷向量表128的位址，用以指示處理單元10接收到中斷(interrupt)時所應對照的中斷向量表。

由於預設執行的開機程式為第一開機程式，因此開機位址125預設後記錄的即為儲存第一開始程式映像120之儲存區塊的起始位址；而中斷指標126亦對應到第一中斷向量表127(即記錄第一中斷向量表127的起始位址)。當要切換執行第二開機程式時，處理單元10控制將開機位址125中的記錄變更為儲存第二開機程式映像122之儲存區塊 的起始位址；同時，亦將中斷指標126變更為對應到第二中斷向量表128。

接著再重新啟動嵌入式系統1，使處理單元10根據開機位址125的記錄將第二開機程式映像122載入主記憶單元14，並轉換為可執行的第二開機程式。同時，處理單元10亦會透過序列通訊介面，向主機2通知有關嵌入式系統1正在執行第二開機程式的狀態。當主機2獲得嵌入式系統1已進入執行第二開機程式的狀態後，即可以序列的方式，中斷第二開機程式的運作，開始傳送用以更新第一開機程式映像的更新映像。

處理單元10接收到更新映像時，即可根據更新映像所附帶的資訊對照第二中斷向量表128，以獲取對應此一中斷活動的中斷常式(routine)，並執行所述的中斷常式以將更新映像寫入(即燒錄)儲存單元12中用以儲存原本的第一開機程式映像120的儲存區塊。

此時因嵌入式系統1並非讀取第一開機程式映像120或執行第一開機程式，因此處理單元10即可順利將更新映像寫入正確的儲存區塊，以完成更新第一開機程式映像120的程序。藉此，下次嵌入式系統1載入的第一開機程式映像即為更新後的第一開機程式映像。

為了使嵌入式系統1再度重啟後可載入及執行更新的第一開機程式，當上述的更新工作完成後，處理單元10可再將開機位址125及中斷指標126切換回對應更新後之第一開機程式的儲存區塊以及第一中斷向量表127。

在另一個實施例中，本發明所述的嵌入式系統1不僅可指定更新其中一個程式映像，更可交替互相進行更新。 繼續以第一圖為例來說，當處理單元10執行預設的第一開機程式時，可接收主機2透過序列通訊介面所傳輸的一控制命令以及一控制映像，所述控制命令係指示更新第二開機程式映像122，並且以控制映像取代原本的第二開機程式映像122。處理單元10接收控制命令後可向主機2通知嵌入式系統1目前為執行第一開機程式的狀態，並開始透過序列通訊介面接收控制映像。

處理單元10可根據控制映像之資料，比對第一開機程式所對應的第一中斷向量表127(參照第二圖)，以執行一中斷常式而將控制映像寫入儲存第二開機程式映像的儲存區塊，藉此以控制映像取代原本的第二開機程式映像，而成為更新的第二開機程式映像。

待第二開機程式映像更新完成後，處理單元10可控制將開機位址125變更為對應到儲存更新的第二開機程式映像的儲存區塊，以及將中斷指標126變更為對應到第二中斷向量表128，並重新啟動嵌入式系統1。

待嵌入式系統1重新啟動後，處理單元10即會根據開機位址125的指示，載入及執行已更新過的第二開機程式。經由通知主機2關於嵌入式系統1目前執行第二開機程式的狀態後，即可再繼續進行接收更新命令及更新映像以更新第一開機程式映像120的工作。以更新映像取代原本的第一開機程式映像120，以做為更新的第一開機程式映像的詳細內容，請參照前一實施例之說明，相同之處即不再重述。

值得一提的是，不論是在執行第一開機程式或是在執行第二開機程式時，除了可接收主機2發出的命令與資料 更新自身以外的開機程式映像之外，更可一併接收其他的映像資料，更新儲存在其他儲存區塊的程式。例如：當處理單元10執行第二開機程式時，除了接收用以指示更新第一開機程式映像120的更新命令、及用以取代原本的第一開機程式映像120的更新映像之外，還可接收用以指示更新應用程式映像124的更新應用程式命令，並透過序列通訊介面接收一更新應用程式映像，寫入儲存應用程式映像124的儲存區塊，藉此達成更新應用程式映像124的工作。

第三圖顯示了本發明的嵌入式系統程式更新方法一實施例之流程圖，請同時參照第一圖以利說明。

在本實施例中，啟動後的嵌入式系統1係由處理單元10根據開機位址125(參見第二圖)的指示，載入及執行數個開機程式的其中之一，在本例中係為第一開機程式(S301)。主機2可透過主機序列通訊單元20及序列通訊單元16傳送一更新命令到嵌入式系統1，用以指示嵌入式系統1更新儲存單元12所儲存的第一開機程式映像120(S303)。

由於處理單元10無法對儲存第一開機程式映像120的儲存區塊同時進行讀取和寫入的動作，因此處理單元10可將開機位址125的內容變更為指示到儲存第二開機程式映像122的儲存區塊，以及將中斷指標126從指示對應第一開機程式的第一中斷向量表127變更為指示對應第二開機程式的第二中斷向量表128後(S305)，再重新啟動嵌入式系統1(S307)，藉以使處理單元10載入第二開機程式映像122到主記憶單元14，並執行第二開機程式(S309)。

處理單元10可透過序列通訊介面通知與嵌入式系統1 連接的主機2，使主機2偵知嵌入式系統1已處於執行第二開機程式的狀態(S311)，而非執行第一開機程式。接著，主機2即可開始透過序列通訊介面連續傳輸更新映像的位元資料(S313)，處理單元10根據中斷指標126的指示，利用更新映像的資料比對第二中斷向量表128，以獲得一適當的中斷常式(S315)，例如一寫入常式，再執行所述的中斷常式將更新映像的位元資料依序寫入儲存第一開機程式映像120的儲存區塊(S317)，直到更新映像完全被寫入儲存區塊而取代原本的第一開機程式映像120。

當映像資料更新完畢後，處理單元10可更進一步再將開機位址125變更回指示到更新後的第一開機程式映像所在的儲存區塊，以及將中斷指標126再度指示為對應第一中斷向量表127(S319)，以便嵌入式系統1再次重啟後，可載入及執行更新過的第一開機程式。

第四圖則顯示本發明所提供的嵌入式系統程式更新方法另一實施例的流程圖，亦請一併參照第一圖所示之方塊圖以利說明。本實施例與第三圖所示實施例之不同處，在於上一實施例說明了在多個程式映像中更新其中一個映像的一種手段；而本實施例則說明透過一連串的流程，可將儲存單元12所儲存的複數程式映像皆進行更新的程序。

啟動後的嵌入式系統1由處理單元10根據開機位址125(參見第二圖)的指示，載入及執行數個開機程式中的第一開機程式(S401)。主機2根據嵌入式系統1的運作狀態，發送一控制命令，用以指示更新第一開機程式映像120以外的第二開機程式映像122(S403)，接著即透過序列通訊介面開始傳送一控制映像的位元資料(S405)，所述的控制映像即係用以取代儲存單元12中原有的第二開機程式映像122，以作為更新的第二開機程式映像。

處理單元10接收到主機2發送的位元資料後，即根據中斷指標126(參閱第二圖)所指示的內容，對照第一中斷向量表127以獲得對應的中斷常式，並執行該中斷常式以便將控制映像的位元資料依序寫入儲存第二開機程式映像122的儲存區塊，以作為更新的第二開機程式映像(S407)。待第二開機程式映像更新完成，處理單元10接著將開機位址125對應到儲存更新的第二開機程式映像的儲存區塊，並且將中斷指標126也變更為指示與更新的第二開機程式對應的第二中斷向量表128(S409)，以利後續的更新。

接著重新啟動嵌入式系統1(S411)，使處理單元10根據開機位址125的指示，將更新的第二開機程式映像載入主記憶單元13，以執行第二開機程式(S413)。處理單元10接著通知主機2嵌入式系統1係為執行第二開機程式的狀態(S415)，使主機2開始透過序列通訊介面開機傳送用以更新第一開機程式映像120的一更新映像的位元資料，以及用以更新應用程式映像124的一更新應用程式映像的位元資料(S417)。

處理單元10接收來自主機2的資料時，依照中斷指標126的指示，自第二中斷向量表128獲得相對應的中斷常式(S419)，再執行所述的中斷常式將更新映像與更新應用程式映像分別寫入儲存原本的第一開機程式映像120與原本的應用程式映像124的儲存區塊(S421)，以完成對第一開機程式及應用程式的更新。

為了便於使嵌入式系統1再度重啟時可執行更新的第一開機程式，處理單元10可在更新映像寫入儲存區塊完成後，再將開機位址125變更為指示儲存更新的第一開機程式映像的儲存區塊，以及將中斷指標126變更為對應到更新的第一開機程式映像的第一中斷向量表127(S423)。

綜合上述各實施例的說明，本發明已揭示一種可直接在嵌入式系統的非揮發性儲存單元進行更新的程式更新手段，克服了習知將開機程式映像釋出到嵌入式系統後即無法加以更新、或是必須額外在嵌入式系統設置另一記憶單元才能間接將更新的資料寫入儲存單元的問題。

本發明之手段係利用多個開機程式相互為自身以外的其他程式映像進行更新，僅需在主機傳達的命令中提供必要的資訊，即可控制每一開機程式引導嵌入式系統更新一或多個不同程式映像的更新作業，不但節省額外設置硬體的成本，同時還具有提升系統更新效率的效果。

惟上述各實施例當中之元件及步驟，僅係為闡述本發明所舉之例示，並無自限所請求保護之範圍的意圖，凡遵循本發明之精神及根據本發明所揭示之技術手段，而進行微幅之修飾或改變者，亦屬本發明所保護之範疇。

1‧‧‧嵌入式系統

10‧‧‧處理單元

12‧‧‧儲存單元

120‧‧‧第一開機程式映像

122‧‧‧第二開機程式映像

124‧‧‧應用程式映像

125‧‧‧開機位址

126‧‧‧中斷指標

127‧‧‧第一中斷向量表

128‧‧‧第二中斷向量表

14‧‧‧主記憶單元

16‧‧‧序列通訊單元

2‧‧‧主機

20‧‧‧主機序列通訊單元

S301-S319‧‧‧流程步驟

S401-S423‧‧‧流程步驟

第一圖：本發明所提供的一種嵌入式系統實施例的方塊圖；

第二圖：本發明所提供的儲存單元資料結構示意圖；

第三圖：本發明所提供的一種嵌入式系統程式更新方法實施例的流程圖；及

第四圖：本發明所提供的另一種嵌入式系統程式更新方法實施例的流程圖。

S401-S423．．．流程步驟

Claims (10)

1. 一種嵌入式系統程式更新方法，該嵌入式系統包括複數儲存區塊，該等儲存區塊一對一儲存複數程式的映像，該方法包括：該嵌入式系統執行該等程式中的一第一開機程式；接收一主機發出的一更新命令，該更新命令用以指示更新該第一開機程式；將該嵌入式系統的一開機位址指向儲存該等程式中的一第二開機程式之映像的該儲存區塊；該嵌入式系統切換為執行該等程式中該第一開機程式以外的該第二開機程式，並重新啟動該嵌入式系統；及該嵌入式系統於執行該第二開機程式時接收該主機發出的一更新映像，並將該更新映像寫入儲存該第一開機程式的映像的該儲存區塊，以更新該第一開機程式。
2. 如申請專利範圍第1項所述的嵌入式系統程式更新方法，更包括：在該嵌入式系統切換為執行該第二開機程式的步驟前，將一中斷指標指向該第二開機程式所對應的一第二中斷向量表；及在接收該更新映像以更新該第一開機程式的步驟前，通知該主機關於該嵌入式系統所執行之該程式為該第二開機程式；其中，該嵌入式系統切換為執行該第二開機程式的步驟中包括：根據該開機位址讀取該第二開機程式之 映像以執行該第二開機程式；其中，接收該更新映像以更新該第一開機程式的步驟中包括：根據所接收的該更新映像對照該第二中斷向量表，以獲取對應的中斷常式，以及執行中斷常式以將該更新映像寫入儲存該第一開機程式之映像的該儲存區塊。
3. 如申請專利範圍第2項所述的嵌入式系統程式更新方法，其中，更新該第一開機程式之步驟後，更包括：將該開機位址指向儲存更新後之該第一開機程式的該儲存區塊，以及將該中斷指標指向更新後之該第一開機程式所對應的一第一中斷向量表。
4. 一種嵌入式系統程式更新方法，該嵌入式系統包括複數儲存區塊，該等儲存區塊一對一儲存複數程式的映像，該方法包括：該嵌入式系統執行該等程式中的一第一開機程式；接收一主機發出的一控制命令，該控制命令用以指示更新該等程式中的一第二開機程式；根據該控制命令接收該主機發出的一控制映像，並寫入儲存該第二開機程式之映像的該儲存區塊，以更新該第二開機程式；將該嵌入式系統的一開機位址指向儲存該第二開機程式之映像的該儲存區塊；該嵌入式系統切換為執行更新後的該第二開機程式，並重新啟動該嵌入式系統；及該嵌入式系統於執行更新後的該第二開機程式時，接收該主機發出的一更新映像，並寫入儲存該第一開 機程式之映像的該儲存區塊，以更新該第一開機程式。
5. 如申請專利範圍第4項所述的嵌入式系統程式更新方法，更包括：在該嵌入式系統切換為執行該第二開機程式的步驟前，將一中斷指標指向該第二開機程式所對應的一第二中斷向量表；及在更新該第一開機程式的步驟後，將該開機位址指向儲存更新後之該第一開機程式之映像的該儲存區塊，以及將該中斷指標指向更新後之該第一開機程式所對應的一第一中斷向量表；其中，該嵌入式系統切換為執行該第二開機程式的步驟中包括：根據該開機位址讀取該第二開機程式的映像以執行該第二開機程式；其中，該第二開機程式接收該更新映像以更新該第一開機程式的步驟中包括：根據所接收的該更新映像對照該第二中斷向量表，以獲取對應的中斷常式，以及執行中斷常式以將該更新映像寫入儲存該第一開機程式之映像的該儲存區塊。
6. 如申請專利範圍第4項所述的嵌入式系統程式更新方法，其中，該嵌入式系統切換為執行該第二開機程式的步驟後，更包括：通知該主機關於該嵌入式系統所執行之該程式為該第二開機程式。
7. 如申請專利範圍第6項所述的嵌入式系統程式更新方法，其中，通知該主機關於該嵌入式系統所執行之該程式 為該第二開機程式之步驟後，更包括：接收該主機發出的一應用程式更新映像，並寫入儲存該第一開機程式及該第二開機程式之映像以外的一或多個該等儲存區塊，以更新相對應的該等程式。
8. 一種嵌入式系統，可連接一主機以更新程式，包括：一儲存單元，包括複數儲存區塊及記錄一開機位址，該等儲存區塊一對一儲存複數程式的映像；一處理單元，用以執行該等程式當中的一第一開機程式，並且於該嵌入系統準備更新該第一開機程式的映像時，將該開機位址指向儲存一第二開機程式之映像的該儲存區塊，並重新啟動該嵌入式系統，以切換為執行該等程式中的該第二開機程式；及一序列通訊單元，連接該主機及該處理單元；其中，該處理單元於執行該第二開機程式時，透過該序列通訊單元接收由該主機所傳送的一更新映像，並將該更新映像寫入儲存該第一開機程式之映像的該儲存區塊，以更新該第一開機程式。
9. 如申請專利範圍第8項所述的嵌入式系統，其中，該儲存單元更包括一中斷指標，以及對應該第二開機程式的一第二中斷向量表，當該嵌入式系統執行該第二開機程式時，該中斷指標指向該第二中斷向量表，該處理單元根據所接收的該更新映像對照該第二中斷向量表，以獲取對應的中斷常式，並執行中斷常式以將該更新映像寫入儲存該第一開機程式之映像的該儲存區塊，以更新該第一開機程式。
10. 如申請專利範圍第8項所述的嵌入式系統，其中，該儲存單元更包括對應該第一開機程式的一第一中斷向量表，當該嵌入式系統執行該第一開機程式時，該處理單元接收該主機發出的一控制命令，該控制命令用以指示更新該第二開機程式，以及接收一控制映像，並根據該控制映像對照該第一中斷向量表，以獲取應對的中斷常式，並執行對應的中斷常式將該控制映像寫入儲存該第二開機程式之映像的該儲存區塊，以更新該第二開機程式。