中心議題
??? * 提出了一種IPTV數(shù)字電視機(jī)頂盒的升級(jí)方案
??? * 給出了具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
解決方案
??? * 將Flash從邏輯上劃分為引導(dǎo)區(qū)、升級(jí)分區(qū)、工作分區(qū)和備份分區(qū)
??? * 直接對(duì)Flash的地址范圍進(jìn)行燒寫

1 IPTV數(shù)字電視機(jī)頂盒概述

IPTV機(jī)頂盒的軟件系統(tǒng)是一種基于嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)。在實(shí)際使用中，為了解決軟件中存在的問題，提高機(jī)頂盒運(yùn)行性能，進(jìn)一步擴(kuò)展機(jī)頂盒的功能，需要對(duì)機(jī)頂盒的軟件系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行更新。由于終端產(chǎn)品數(shù)量巨大，分布分散，所以一般采用遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)的方法。

目前用于機(jī)頂盒的在線升級(jí)方案中，Flash大多采取主、備分區(qū)的方式，當(dāng)機(jī)頂盒斷電造成工作于主分區(qū)的系統(tǒng)崩潰時(shí)，從備份分區(qū)直接進(jìn)入升級(jí)系統(tǒng)，恢復(fù)主系統(tǒng)。這樣做雖然節(jié)省了Flash空間，在一定程度上解決了機(jī)頂盒升級(jí)時(shí)斷電造成系統(tǒng)崩潰的問題，但是仍然存在不足。如果在對(duì)Flash進(jìn)行多次擦寫后備份分區(qū)出現(xiàn)壞塊導(dǎo)致不可用時(shí)，只要斷電，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰，并且無法自我修復(fù)，用戶便無法正常體驗(yàn)IPTV業(yè)務(wù)。筆者針對(duì)這點(diǎn)不足進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套具備自愈機(jī)制的升級(jí)方案，通過改良Flash空間分配和Linux系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序，使用戶在斷電時(shí)不能自我修復(fù)的情況下仍能夠正常體驗(yàn)IPTV業(yè)務(wù)。并且，對(duì)實(shí)現(xiàn)后的升級(jí)方案進(jìn)行了有針對(duì)性的測(cè)試，驗(yàn)證了該升級(jí)方案的可靠性和穩(wěn)定性。

2基于嵌入式Linux的IPTV數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)

該機(jī)頂盒以美國(guó)德州儀器（TI）公司提供的ARM嵌入式系統(tǒng)作為硬件平臺(tái)，包括一個(gè)以ARM為內(nèi)核的處理器、存儲(chǔ)器、外部接口與設(shè)備以及一個(gè)DSP。其中，Flash存儲(chǔ)器是一種可在線多次擦除的非易失性存儲(chǔ)器，承載嵌入式系統(tǒng)中的主要數(shù)據(jù)和程序。

基于嵌入式Linux的機(jī)頂盒軟件系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：引導(dǎo)加載程序（boot load program）、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)加電復(fù)位后，處理器將執(zhí)行存放在復(fù)位地址處的引導(dǎo)加載程序。通過它可以初始化硬件設(shè)備、建立或檢測(cè)內(nèi)存空間的映射圖，為運(yùn)行操作系統(tǒng)提供基本的運(yùn)行環(huán)境，并將所選的操作系統(tǒng)內(nèi)核裝載到RAM中合適的位置上。接著，運(yùn)行內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)，裝載必須的驅(qū)動(dòng)。實(shí)際上，Linux內(nèi)核僅包含了基本的硬件驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)安裝過程中會(huì)檢測(cè)系統(tǒng)硬件信息，根據(jù)安裝信息和系統(tǒng)硬件信息將一部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)寫入initrd中。這樣在以后啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，一部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)就放在initrd中來加載。當(dāng)初始化開始后，執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本的配置，掛載根文件系統(tǒng)及其他文件系統(tǒng)，并最終運(yùn)行操作系統(tǒng)。

3 IPTV數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)軟件升級(jí)方案設(shè)計(jì)

機(jī)頂盒加電或復(fù)位后，首先根據(jù)版本信息判斷機(jī)頂盒系統(tǒng)是否需要升級(jí)，如需升級(jí)，應(yīng)能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)更新。然后，將需要更新的文件系統(tǒng)生成映像文件后燒寫到Flash中。當(dāng)機(jī)頂盒出現(xiàn)斷電、系統(tǒng)崩潰等異常情況不能正常升級(jí)時(shí)，需要解決機(jī)頂盒自我修復(fù)問題，對(duì)機(jī)頂盒進(jìn)行緊急升級(jí)。當(dāng)緊急升級(jí)不成功時(shí)，為了保證用戶仍能夠正常使用所有業(yè)務(wù)，需要將機(jī)頂盒還原到升級(jí)之前正常使用的工作狀態(tài)，使用戶仍能夠體驗(yàn)IPTV業(yè)務(wù)。

為了保證機(jī)頂盒在軟件升級(jí)時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，保證用戶正常使用，該升級(jí)方案將Flash從邏輯上劃分為引導(dǎo)區(qū)、升級(jí)分區(qū)、工作分區(qū)和備份分區(qū)。將系統(tǒng)引導(dǎo)信息存入引導(dǎo)區(qū)，將只具有升級(jí)功能的系統(tǒng)存放到升級(jí)分區(qū)，將包含升級(jí)功能和正常業(yè)務(wù)功能的系統(tǒng)存入工作分區(qū)，將升級(jí)成功后工作分區(qū)中的系統(tǒng)備份放入備份分區(qū)。在該機(jī)頂盒的Flash中，系統(tǒng)的空間安排方式如圖1所示。

將Flash空間劃分為不同功能的分區(qū)，每個(gè)區(qū)的大小應(yīng)該是Flash擦除塊大小的整數(shù)倍。各分區(qū)可以單獨(dú)地操作，每個(gè)分區(qū)有唯一標(biāo)識(shí)的相關(guān)信息，包括相對(duì)Flash基地址的偏移量和分區(qū)大小。因此，可以直接對(duì)Flash的地址范圍進(jìn)行燒寫。在Flash中存放內(nèi)核時(shí)，在內(nèi)核內(nèi)容的前面加一段標(biāo)識(shí)有效性的值，加載內(nèi)核時(shí)就能夠判斷出從指定地址讀取的內(nèi)核是否有效，如果無效，則在升級(jí)標(biāo)志中使用內(nèi)核無效標(biāo)識(shí)。

系統(tǒng)加電或復(fù)位后，所有CPU都會(huì)從某個(gè)地址開始執(zhí)行，這是由處理器設(shè)計(jì)決定的。ARM處理器在復(fù)位時(shí)從地址0x00000000取第1條指令。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)板都要把板上的ROM或Flash映射到這個(gè)地址。因此，必須把引導(dǎo)加載程序存儲(chǔ)在相應(yīng)的Flash位置，系統(tǒng)加電后，CPU將首先執(zhí)行這一步驟。初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)是引導(dǎo)加載程序代碼中的一個(gè)重要部分，許多操作系統(tǒng)在開始運(yùn)行之前，希望了解存儲(chǔ)器的組織情況。存儲(chǔ)器系統(tǒng)初始化是通過軟件設(shè)定Flash和RAM存儲(chǔ)器的地址范圍以及數(shù)據(jù)總線寬度。初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)部分代碼如下：

機(jī)頂盒終端啟動(dòng)時(shí)，首先將引導(dǎo)區(qū)信息載入內(nèi)存，并根據(jù)標(biāo)志有效性的值判斷升級(jí)分區(qū)、工作分區(qū)和備份分區(qū)中的系統(tǒng)是否正常。使用中通常包括以下情況：

1）當(dāng)判斷出工作分區(qū)中的系統(tǒng)正常時(shí)，使用該系統(tǒng)從升級(jí)服務(wù)器下載升級(jí)文件，更新工作分區(qū)中的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。接著，更新升級(jí)分區(qū)中的系統(tǒng)，成功后擦寫標(biāo)志位將其值置為有效。然后，將升級(jí)成功的系統(tǒng)備份到備份分區(qū)中，成功后擦寫標(biāo)志位將其值置為有效，完成升級(jí)。重啟后，從工作分區(qū)進(jìn)入系統(tǒng)。

2）當(dāng)判斷出工作分區(qū)中的系統(tǒng)被破壞，而升級(jí)分區(qū)和備份分區(qū)中的系統(tǒng)正常時(shí)，可以使用升級(jí)分區(qū)中的系統(tǒng)進(jìn)行緊急升級(jí)，從升級(jí)服務(wù)器下載正常運(yùn)行的系統(tǒng)鏡像，更新工作分區(qū)中的內(nèi)核和文件系統(tǒng)，成功后擦寫標(biāo)志位將其值置為有效。機(jī)頂盒自動(dòng)重啟，使用工作分區(qū)中的系統(tǒng)從升級(jí)服務(wù)器下載升級(jí)軟件，更新工作分區(qū)中的內(nèi)核和文件系統(tǒng)，并且更新升級(jí)分區(qū)中的系統(tǒng)，成功后擦寫標(biāo)志位將其置為有效。然后，將升級(jí)成功的系統(tǒng)備份到備份分區(qū)中，成功后擦寫標(biāo)志位將其置為有效，完成升級(jí)。如果用戶不想升級(jí)，可以直接從備份分區(qū)運(yùn)行系統(tǒng)，體驗(yàn)IPTV業(yè)務(wù)。這樣做有效地解決了機(jī)頂盒斷電時(shí)的自我修復(fù)問題，同時(shí)，在自我修復(fù)不成功時(shí)，還能夠回退到上一次正常使用的狀態(tài)，不需要維護(hù)人員干預(yù)。

3）當(dāng)判斷出工作分區(qū)和升級(jí)分區(qū)中的系統(tǒng)都被破壞時(shí)，可以從備份分區(qū)運(yùn)行系統(tǒng)，將系統(tǒng)恢復(fù)到被破壞之前的使用狀態(tài)，保證用戶的正常使用。若要升級(jí)，可以使用該系統(tǒng)從升級(jí)服務(wù)器下載正常運(yùn)行的系統(tǒng)鏡像來更新工作分區(qū)中的內(nèi)核和文件系統(tǒng)，擦寫標(biāo)志位。接著，更新升級(jí)分區(qū)中的系統(tǒng)，成功后擦寫標(biāo)志位將其值置為有效。然后，將工作分區(qū)中正常狀態(tài)下的系統(tǒng)重新備份到備份分區(qū)中，完成升級(jí)。

從以上3種情況可以看出，Flash中3個(gè)分區(qū)的系統(tǒng)構(gòu)成了一套完整的自愈機(jī)制，保證了在各種情況下，機(jī)頂盒都能夠完成自動(dòng)升級(jí)，并且保證了用戶總能夠正常體驗(yàn)IPTV業(yè)務(wù)，因此該系統(tǒng)具有高可靠性和自我修復(fù)能力。

4 IPTV數(shù)字電視機(jī)頂盒系統(tǒng)的測(cè)試及分析

本方案采用交叉編譯調(diào)試的方式，即編譯調(diào)試環(huán)境建立在宿主機(jī)（即1臺(tái)PC機(jī)）上，開發(fā)時(shí)使用宿主機(jī)上的交叉編譯工具鏈（包括編譯、匯編及連接工具）來生成目標(biāo)板上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼，然后把可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。本方案中，以裝有RedHat Linux操作系統(tǒng)的主機(jī)作為宿主機(jī)，該宿主機(jī)上安裝了交叉編譯工具鏈unicore-linux-gcc，當(dāng)編譯成功后，通過串口板和USB線下載到機(jī)頂盒開發(fā)板上運(yùn)行，通過視頻線將視頻信號(hào)接入電視機(jī)進(jìn)行用戶體驗(yàn)測(cè)試，通過宿主機(jī)上串口通信程序來監(jiān)視機(jī)頂盒串口輸出信息并可以輸入一些控制命令測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)信息。調(diào)試環(huán)境如圖2所示。

本測(cè)試方案的主要目的是進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)試，重點(diǎn)測(cè)試機(jī)頂盒斷電后的自我恢復(fù)機(jī)制。通過對(duì)機(jī)頂盒正常升級(jí)時(shí)斷電，恢復(fù)供電后，查看系統(tǒng)能否正常開啟，能否重新升級(jí)。重新升級(jí)后，檢查機(jī)頂盒配置頁面中參數(shù)是否改變。若不能繼續(xù)升級(jí)，則檢查能否繼續(xù)體驗(yàn)業(yè)務(wù)。然后進(jìn)行多次斷電、復(fù)位，檢測(cè)本升級(jí)方案的穩(wěn)定性和可靠性。圖3為部分引導(dǎo)加載程序啟動(dòng)信息。

測(cè)試結(jié)果表明，本升級(jí)方案很好地解決了機(jī)頂盒自我修復(fù)問題，并實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定的在線升級(jí)。不足之處在于，機(jī)頂盒只能在復(fù)位時(shí)啟動(dòng)升級(jí)程序來檢測(cè)升級(jí)，不能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)并且在不影響用戶使用的情況下后臺(tái)安裝升級(jí)文件。

5小結(jié)

筆者在現(xiàn)有的機(jī)頂盒在線升級(jí)方案基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux機(jī)頂盒的升級(jí)方案，對(duì)其可靠性和穩(wěn)定性方面進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)際測(cè)試表明，本升級(jí)方案對(duì)解決用戶體驗(yàn)問題非常安全和有效。下一步的工作是改進(jìn)機(jī)頂盒的開機(jī)升級(jí)機(jī)制，加強(qiáng)其對(duì)實(shí)時(shí)性的支持，使用戶在體驗(yàn)業(yè)務(wù)的同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)升級(jí)。