基于xmodem协议的单文件传输系统

<cd></cd>毕业设计是这个题目。

现在需要相关资料。我手头上只有一本《串行通信-c程序员指南（第二版）》。

这个题目需要用到crc 算法。

希望大家给我提供一点资料。

注：我使用的语言是c （c++描述的也行）。


解决方法: <ca></ca>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。
n

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