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基于xmodem协议的单文件传输系统  

2009-11-03 15:57:25|  分类: 嵌入式 |  标签: |举报 |字号 订阅

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基于xmodem协议的单文件传输系统

内容提要:本文描述了使用XMOMDEM文件传输协议的通信程序设计,该设计为具有FLASH 存储器的嵌入式系统提供了和PC机上超级终端软件之间的文件传输功能,在PC机上不安装专用通信软件情况下,实现程序在板升级、数据在板定制等,给现场调试和维护带来方便。另外,本文也描述了基于状态矩阵的通信软件编程方法。
关 键 字: XMODEM 文件下载 FSM 状态矩阵
1 设计目的与用途
2 XMODEM协议介绍
3 协议分层与层间接口
3.1 协议分层
3.2 链路层和物理层间的接口
3.3 链路层和应用层间的接口
4 分层协议实现
4.1 协议的OS平台
4.2 应用层软件实现
4.3 链路层软件实现
4.4 物理层软件实现
5 软件移植
6 软件调试方法
参考文献
附录1:XMODEM协议通信的异常情况列表
附录2:XMODEM协议的状态转移表
附录3:源代码文件列表
附录4:完整源代码
1 设计目的与用途
嵌入式系统的程序代码一般存放在FLASH存储器或者OTP存储器中,后者实际上是一种一次性可编程的EPROM,成本低,适合于批量大的产品使用,但程序写入后不能修改,使用FLASH的优点是程序可以随时在板更换,这种特点给现场调试和软件升级、修改带来极大方便。
对印制板上FLASH编程有几种方法,原始的方法是使用编程器,由于要将芯片取下,十分不便,也有一些厂家生产的处理器通过JTAG接口或者串口连接到PC机上(如PHILIPS公司的P89C51RD),可以实现处理器内部FLASH的在板编程,但需要专用下载编程软件(一般由芯片生产厂商提供),无法对处理器外部的FLASH进行编程。
使用XMODEM协议进行程序下载是目前很多产品通用的做法,比如CISCO公司的路由器产品,HUAWEI公司的ISDN终端产品,这种方法使用WINDOWS自带的超级终端软件来传送文件,无需安装专用软件。只要在目标板上增加一断实现XMODEM协议的代码【图表1】,就可以方便地实现程序或者数据文件的下载了。在下文中,就叙述XMODEM协议程序的实现方法。
图表 1:目标板程序由二部分组成:下载程序和应用程序
2 XMODEM协议介绍
XMODEM协议【文献1】是最早出现的2台计算机间通过RS232异步串口进行文件传输的通信协议标准,相对于YMODEM,ZMODEM等其他文件传送协议来说,XMODEM协议实现简单,适合于那些存储器有限的场合。
XMODEM文件发送方将文件分解成128字节的定长数据块,每发送一个数据块,等待对方应答后才发送下一个数据块,数据校验采用垂直累加和校验,也可以采用16位的CRC校验。属于简单ARQ(自动请求重发)协议,所以也适合于2线制的半双工的RS485网络中使用。
2.1 术语
在具体叙述XMODEM协议的具体内容前,我们先给出协议用到的术语缩写【图表2】。
术语 数值 含义 备注
十进制 十六进制
SOH 1 01H 数据块开始
EOT 4 04H 发送结束
ACK 6 06H 认可响应
NAK 21 15H 不认可响应 对于CRC校验的协议软件,本信号用字母“C”(43H)代替。
DLE 16 10H 中止数据连接
X-on 17 11H 数据传送启动 当通信双方的速度不一致时,可采用该字符来调节通信速度,比如接收方速度太慢而导致接收缓冲器满时,发送“X-off”给发送方,使发送方暂停发送数据。相当于RS232接口的DSR,CTS等信号。
X-off 19 13H 数据传送停止
SYN 22 16H 同步
CAN 24 18H 撤销传送
图表 2:XMODEM协议的控制字符
上表中各个缩写也是标准ASCII码的一个字符,在XMODEM协议中需要使用这些字符来表达协议的状态。而其基本含义如表中所述。
2.2 数据帧格式与文件分解
XMODEM协议每次传送的数据帧长度为132字节,其中文件数据占128字节,其他4个字节分别为开始标志,块序号,块序号的补码和校验字节。其中开始标志,块序号,块序号的补码位于数据块开始, 校验字节位于数据块结尾,如【图表3】:
偏移 字节数 名称 描述 说明
名称 数值(HEX)
0 1 SOH 01 起始字节标志
1 1 Seq 1~FFh 块序号
2 1 cmpl FFH-seq 块序号的补码
3 128 data ? 文件内容数据
131 1 csum ? 垂直累加和校验 1:XMODEM协议允许使用2种校验码。2:校验码只从128字节的数据进行计算后得出,头部3个字节不参加校验和运算。
2 CRC ? 16位循环冗余校验
图表 3:XMODEM协议的数据帧格式
如果文件长度不是128字节的整数倍,最后一个数据块的有效内容必然小于帧长,剩下部分需要用其他数据来填充,XMODEM建议使用“CTRL-Z”(=26(01aH)),这种情况下,接收方如何区别该帧中属于文件的内容和填充的内容呢?
如果传送的文件是只包含字母、数字和可显示符号的文本文件(例如C程序源代码文件),那么根据内容本身接收方是可以区分的(“26”不是字母或者数字的ASCII码),如果传送的是任意数值的二进制文件(如程序目标码),则接收方是无法区分文件内容和填充内容。
重要提示:XMODEM协议不能保证接收方接收的文件长度和发送方完全一致,接收方所接收的文件数据长度总是128字节的整数倍,比发送文件的实际长度要大1到127字节。多出的内容位于文件结尾处。
XMODEM协议的这种缺点对于用于嵌入式系统的程序代码下装没有实际影响,处理器不会将填充内容当作代码执行,只要程序存储器的容量足够,能存储接收的所有数据就可以了。如果将XMODEM协议用于数据库下装,应当考虑多余内容的影响,一般标准数据库文件中均有表示数据库尺寸、字段数、记录数等数据库结构参数,所以也不会把填充内容当作数据库的记录本身。
同样,对于汉字库这种数据库,使用XMODEM协议来下载也不会产生问题。
2.3 校验算法
校验码是对发送数据进行某种计算得到的编码,为了防止数据在发送途中某些位发生错误,各种数据通信协议规定发送方除了发送应用数据外,还要发送校验码,而数据接收方则根据同样算法从收到的应用数据中计算出校验码,并和发送方发送的校验码比较,如相等,才认为收到了正确的数据。
在XMODEM协议中,可使用垂直累加和或者CRC校验,使用CRC校验的通信软件可以自动从CRC校验自动切换到累加和校验模式。在本应用中,我们使用垂直累加和校验。
累加和校验码是将所有发送数据的和按字节累加,保留其最低字节作为校验码,例如,发送的3个字节数据分别为255(FFh),5(05h),6(06h), 则:
   1 1 1 1 1 1 1 1     FFH
   0 0 0 0 0 1 0 1     05H
   0 0 0 0 0 1 1 0      06H
   1 0 0 0 0 1 0 1 0     -> 0000 1010  
将高位丢弃后,得到累加和校验码为0Ah(10)。在上例中,如果原来数据在途中发生了变化,如FFH变为FEH,06H变为07H, 05H未变,则接收方所计算的校验码为:
        接收                           发送
   1 1 1 1 1 1 1 0     FEH <- FFH
   0 0 0 0 0 1 0 1     05H < - 05H
   0 0 0 0 0 1 1 1      07H <- 06H

   1 0 0 0 0 1 0 1 0     -> 0000 1010
校验码也为0AH。可见,在数据中有2位改变时,接收方所计算的校验码仍然与发送方一致,这种校验方式不能检测偶数位的误码。
XMODEM协议的校验码只对数据帧中的128字节数据进行计算后得出,头部3个字节不参加校验和运算。
2.4 XMODEM协议的启动
XMODEM协议开始是文件接收方发出“NAK”字节,文件发送方在收到该信号后发送数据帧,双方开始正常通信过程。而文件发送方进入XMODEN协议后,等待对方发送”NAK”,如果等待时间超过60秒,则退出本次通信【图4B】。
接收方发出“NAK”后,如果10秒后对方还没有发送第一个数据帧,则重复发送“NAK”,这种重复次数最多允许10次,仍然没有收到第一个数据块,则退出本次通信【图4A】。
(A):发送方软件延迟100秒以上工作导致不能启动协议
(B):接收方软件延迟60秒发送”NAK”信号导致不能启动协议
图表 4 XMODEM协议不能启动的2种情况
在嵌入式系统通过PC机来下载软件的应用中,嵌入式系统软件是文件接收方,PC机超级终端软件是文件发送方。按照协议规定,嵌入式系统 的通信软件进入XMODEM协议状态后,PC机软件必须在100秒内进入协议状态(即执行超级终端的XMODEM文件传输功能),反之,后者先进入协议状态,前者必须在60秒内进入协议状态,显然,通过人工来操作,这种时间差有些紧张。解决办法只有加长嵌入式系统加载软件的启动等待时间,这种修改不会引起协议理解的歧义。
重要提示:为了发送和接收方能够更容易启动XMODEM协议,在设计中,将延长嵌入式系统下载软件的启动延时时间,在以下的代码中,将这种延时时间改为600秒(10分钟)。或者将等待时间设置为无限长,一致发出”NAK”信号,直到PC机上的超级终端软件运行为止。
2.5 XMODEM的正常传输过程
【图5】中给出了一次正常的XMODEM通信中收发双方的通信过程。
图 5:没有差错的文件传输过程
文件接收方每收到一个数据帧后,如没有校验差错、序号差错等情况,均发送一个“ACK”字符作为应答,发送方在收到应答后才开始发送下一个字符,如此反复,直到文件内容传送完毕,发送方传送“EOT”字符表示传送完成,发送方收到后再次以“ACK”回应,至此,整个文件传输过程就结束了。
2.6 XMODEM协议的中止
在通信进行过程中,双方中的任意一方如果希望中止本次通信,可以发送“CAN”字符给对方,现在很多XMODEM协议软件要求发送2个”CAN”字符来实现,
协议软件的主动中止通信一般是人为发起的,例如按下超级终端软件的“取消”按钮。或者通过拔码开关来控制嵌入式系统的下载软件退出通信。
2.7 XMODEM协议的异常处理
在通信过程中,总是要出现各种异常情况,比如通信线路的突然中断,一方机器停电而导致软件中止执行等;通信软件必须能够检测这些错误,并作出合理的处理。在前面的协议启动一节中已经涉及到了错误检测的问题,XMODEM对错误的规定很详细,共计有8种情况,协议文本没有说明是如何引起的,【附录1】中给出了可能原因,
在嵌入式系统中,考虑到下载软件一般均有人操作的,也可不考虑错误处理,这样实现实现代码会减小。在本文中,考虑到协议的完整性,考虑了各种错误的处理。
2.8 CRC校验与累加和校验方式的切换
XMODEM协议要求支持CRC校验的通信软件也能支持累加和校验,这样就可以和那些只支持累加和校验的软件进行通信,如果文件接收方只支持累加和,而发送方可支持CRC,接收方发送启动信号为“NAK”,发送方收到后自动按累加和方式发送数据帧;如果相反,接收方支持CRC,而发送方支持累加和,接收方首先发出字母“C”来作为启动信号,这时接收方应不理睬此信号,发送方在3秒后继续发送信号“C”,共三次未收到应答后,改为发送“NAK”信号,表示使用累加和方式进行通信了。
如果通信双方均采用CRC校验,上述通信握手信号“NAK”用字母“C来代替,其他过程同上。
因为PC机超级终端软件支持CRC模式,嵌入式系统作为文件接收方,只要发送“NAK”信号就能使对方自动按照校验和方式通信了。
3 协议分层与层间接口
3.1 协议分层
我们将协议代码分成3层:物理层,链路层和协议应用层。物理层用于控制UART器件,链路层处理XMODEM协议,应用层负责将收到的单个128字节数据块组合成一个完成的数据块,并写入程序存储器缓冲区。这种分层,在程序移植时只要修改和硬件相关的物理层、应用层代码,无需修改实现XMODEM协议的链路层代码。
层与层之间通过消息来通信,XMODEM协议没有规定分层结构和层间消息格式,这里将链路层与应用层之间、链路层和物理层之间的消息格式统一规定如下:
typedef   struct   {                 
int len;                       /* 消息内容长度,即Message中的内容字节数 */
char mType;                    /* 层间消息类型,                         */
char Message[MAX_ MESSAGE_LEN]; /* 消息内容, 由发送进程填写      */
} MessageOfLayer;
考虑到XMODEM数据帧为132字节,定义常量“MAX_MESSAGE_LEN”为132字节,按OSI标准,层间消息原语有数据请求、数据指示、响应、证实4种类型【文献5】。【图7】给出了A方发送数据,B方接收数据时的层间消息类型图 6: 单向数据传送的层间消息顺序:①②③④
消息1,2是承载实际数据的数据帧,消息3,4是传送过程中的应答帧,表明数据已经正确传送,必须说明的是,在发送数据的证实消息3不是从对方发出的,物理层在发送出数据后,立即向上一层发出证实消息。
在实际应用中,处理正常的数据传送所需要的消息外,也需要定义一些控制管理消息,下面具体说明层间消息类型和作用。
3.2 链路层和物理层间的接口
n 数据请求:该消息用于向物理层发送XMODEM帧数据,包括132字节的文件数据帧和NAK,ACK,CAN单字节信号帧等,下载软件只是接收文件,不需要发送132字节的文件数据帧。
n 数据证实:物理层收到链路层的数据请求帧后,送到UART的缓冲器中,等发送缓冲器为空后,表明该字节数据发送完成,向链路层发送证实消息,链路层接收到此消息后,就可以发送下一个字节,实际上物理层传送是一个无连接,证实消息不是由接收方产生的,不能表明对方已经正确接收到数据,而只表明已经发出数据。物理层协议一般也不提供有应答的传输机制。
n 数据指示:物理层在接收缓冲器满后,将数据发送给链路层。
除了以上3个消息外,物理层和应用层之间还有以下2个消息:
n 启动电路:由链路层向物理层发出,物理层在收到该协议后将串口进行初始化。
n 电路出错:由物理层向链路层发出,用于报告物理层在数据传送过程中的错误。
“数据响应”消息在本应用中不使用。
3.3 链路层和应用层间的接口
链路层和应用层之间的数据传输消息有二个:
n 数据块指示:由链路层收到一个XMODEM协议帧(128字节)后向应用层发出,应用层收到数据帧后写入flash memory(PC版本写入文件)。
n 数据块块响应:应用层收到XMODEM数据帧后,并写入flash memory(PC版本写入文件)后向链路层发出的响应信号。链路层收到响应后,向文件发送方发出“ACK”信号。
其他管理控制消息定义了3个:
n 协议启动:应用层通知链路层启动XMODEM协议。
n 通信结束:链路层在收到对方的EOT信号后向应用层发出,应用层收到此消息后,可以转入应用程序入口,从而执行应用程序。
n 通信中止:链路层因为各种情况无法继续进行XMODEM传输时向应用层传送该消息,应用层收到此消息后,丢弃已经收到的数据,发出通信错误指示。
4 分层协议实现
4.1 协议的OS平台
为了实现分层协议,使用【文献4】中的非抢先式操作系统作为软件平台,各层分别作为一个进程。
4.2 应用层软件实现
嵌入式系统下载软件只接收代码文件,对于协议中作为文件发送方的处理代码可不编写,应用层的任务是接收链路层的数据包,根据收到数据包的先后次序写入程序存储器,在PC机上模拟实现时,我们将数据存放在一个缓冲区内,完成后写入文件中,使用windiff软件和发送文件进行比较,以判断代码的是否正确。
应用层的进程初始化代码的作用是:
n 擦除程序存储器所使用的FLASH MEMORY(在本例中按29F010来编写代码)。
n 启动一个10秒定时器,10秒后通知链路层启动XMODEM协议。

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