ARM的嵌入式Bootloader實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升級(jí)

0 引言

作為一種32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC（Reduced Instruction Set Computer）微處理器，ARM（Advanced RISC Machines）微處理器目前已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的嵌入式微處理器。和基于簡(jiǎn)單RTOS甚至沒(méi)有使用任何操作系統(tǒng)的嵌入式程序設(shè)計(jì)相比，基于ARM- uClinux嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了成熟、高效、可靠、模塊化、易于配置的操作系統(tǒng)，使程序具有良好的可移植性，博得眾多嵌入式開(kāi)發(fā)者的青睞[1]。嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，軟件部分主要包括Bootloader、內(nèi)核和文件系統(tǒng)。但由于Bootloader與處理器的體系結(jié)構(gòu)和具體嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置密切相關(guān)，至今沒(méi)有一個(gè)完全通用的Bootloader可以直接應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，因此Bootloader成為運(yùn)行嵌入式 Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

通常在嵌入式系統(tǒng)中，首先通過(guò)專(zhuān)用燒錄器將Bootloader燒寫(xiě)到目標(biāo)板的Flash中，然后在Bootloader中，將內(nèi)核映像文件和文件系統(tǒng)映像文件通過(guò)串口和網(wǎng)絡(luò)下載并燒寫(xiě)到Flash中。若需對(duì)內(nèi)核或文件系統(tǒng)升級(jí)，則按上述方法重新燒寫(xiě)新的Kernel，Romfs直接覆蓋原來(lái)的 Kernel，Romfs。這種方法中，一方面必須將目標(biāo)板和主機(jī)通過(guò)串口線或網(wǎng)線相連，需到現(xiàn)場(chǎng)去升級(jí)，比較麻煩；另一方面，通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)燒寫(xiě)映像文件，速度很慢。本文分析Bootloader的結(jié)構(gòu)和主要任務(wù)，并針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中用到的Sigma Designs 公司的EM8624L芯片（ARM7TDMI處理器+uClinux）擴(kuò)充Bootloader功能，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)CF存儲(chǔ)卡或硬盤(pán)對(duì)內(nèi)核或文件系統(tǒng)映像文件的自動(dòng)升級(jí)。對(duì)需要經(jīng)常為Kernel，Romfs升級(jí)的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，克服了傳統(tǒng)升級(jí)方法的局限，簡(jiǎn)化了升級(jí)方法，提高了升級(jí)速度。

1  ARM-uClinux嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)

EM8624L是Sigma Designs公司的一款采用ARM7TDMI內(nèi)核的高性能的嵌入式芯片，主要用于多媒體播放，尤其支持高清片源播放的場(chǎng)合。該芯片的特點(diǎn)：主頻為 166MHz和200MHz（可選），沒(méi)有內(nèi)存單元（MMU），16KB的數(shù)據(jù)cache和16KB的指令cache，8KB的SRAM和2KB的 ISP、2KB的DSP，外圍總線接口支持SDRAM、靜態(tài)存儲(chǔ)器、Flash并且有以太網(wǎng)（Ethemet10/100）、USB2.0接口，2個(gè) UART接口等等，其總體設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖1：

2  Bootloader分析

Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段程序。通過(guò)此程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

2．1 Bootloader結(jié)構(gòu)及工作流程

大多數(shù)Bootloader都包含兩種不同的操作模式[2]：

1）啟動(dòng)加載（Boot loading）模式。即Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶(hù)的介入。

2）下載（Down loading）模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)的Bootloader將通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等，然后保存到目標(biāo)機(jī)上的Flash類(lèi)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。 Bootloader的這種模式通常在系統(tǒng)初次安裝和更新時(shí)被使用。

基于ARM的芯片多數(shù)為復(fù)雜的片上系統(tǒng)(SoC)，這類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)里的多數(shù)硬件模塊都是可配置的，因此大多數(shù)Bootloader都分為stage0 和stage1兩大部分。依賴(lài)于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，通常都放在stage0中，在這一部分，我們直接對(duì)處理器內(nèi)核和硬件控制器進(jìn)行編程，因此常常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。而stage1則通常用C/C++語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，而且代碼具有更好的可讀性和可移植性。

因此，Bootloader中stage0的主要任務(wù)如下：屏蔽所有中斷，初始化相關(guān)GPIO(General Purpose IO)，初始化SDRAM，拷貝Bootloader和Kernel到SDRAM中，關(guān)閉數(shù)據(jù)Cache，跳轉(zhuǎn)到Stage1執(zhí)行等。本實(shí)驗(yàn)在 Bootloader中實(shí)現(xiàn)進(jìn)入stage0的代碼如下：
//@EM8624L has internal memory at REG_BASE_CPUwww.51kaifa.com
ldr r1,=(REG_BASE_CPU + STAGE0_CRYPTO_STACK_SIZE) 
mov sp , r1
//@call crypto stage 0 entry function
ldr r1 , =(STAGE0_CRYPTO_IMAGE_START)     @new pc
mov lr , pc
mov pc , r1
uart_putc #’x’ , r10 , r11
Stage1的主要任務(wù)如下：初始化計(jì)時(shí)器，初始化網(wǎng)絡(luò)，初始化Flash，裝載內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)映像，初始化命令控制臺(tái)等。進(jìn)入stage1的匯編代碼如下：
adr r0 , load_addr         //@get stage1 entry point
ldr r9 , [r0 , #0x0c]
3 本實(shí)驗(yàn)基本原理

本實(shí)驗(yàn)對(duì) Bootloader的功能進(jìn)行了擴(kuò)充，加入自動(dòng)升級(jí)的功能。即：用戶(hù)需要對(duì)目標(biāo)板的內(nèi)核或文件系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，只需要將新的映像文件拷貝到CF存儲(chǔ)卡或移動(dòng)硬盤(pán)中，然后將CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)插入目標(biāo)板相應(yīng)的插槽，每次重啟目標(biāo)板時(shí)，先啟動(dòng)Bootloader，初始化硬件環(huán)境后，在應(yīng)用程序運(yùn)行前，判斷是否存在要升級(jí)的文件，如果存在則先把Flash指定的位置的內(nèi)容擦除掉，然后再把要升級(jí)的內(nèi)核或文件系統(tǒng)的映像文件寫(xiě)進(jìn)相應(yīng)的位置，寫(xiě)完后立即刪除CF存儲(chǔ)卡或移動(dòng)硬盤(pán)上的升級(jí)文件，即完成升級(jí)。如圖2

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)板上有一塊8M Byte的Flash和二塊32M Bit的DDR SDRAM。Flash的起始地址映射到0x00000000，其布局如下[7]：    

如圖所示，在虛擬地址位置0x00030000（實(shí)際物理地址為0x46030000）擦除和重寫(xiě)內(nèi)核與文件系統(tǒng)映像文件。要對(duì)CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)進(jìn)行文件存取，必須將CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)格式化成某種文件系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)所編寫(xiě)的Bootloader主要支持3種文件系統(tǒng)：FAT16，F(xiàn)AT32，EXT2。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，Bootloader首先檢測(cè)CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)的文件系統(tǒng)類(lèi)型，然后按照相應(yīng)的文件系統(tǒng)格式查詢(xún)CF 卡或移動(dòng)硬盤(pán)的所有文件。若發(fā)現(xiàn)有更新的映像文件，則讀CF卡的操作，CF卡的驅(qū)動(dòng)見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，將映像文件讀到SDRAM中，再?gòu)腟DRAM燒寫(xiě)到嵌入式開(kāi)發(fā)版的Flash中，實(shí)現(xiàn)升級(jí)。

生成內(nèi)核和文件系統(tǒng)步驟如下：

1）進(jìn)入linux的armutils_2.5.127.0目錄下執(zhí)行make linux-config，裁剪uClinux的配置；
2）make linux   生成kernel-2.4.22-dtv-EM8624L-romfs.bin ，這是uClinux的內(nèi)核；
3）make rootfs   生成rootfs-dtv-EM8624L-romfs.ext2，這是root文件系統(tǒng)；
4）make romfs   生成romfs-dtv-EM8624L-romfs.bin.gz，這是rom文件系統(tǒng)。

Bootloader在系統(tǒng)初次安裝或傳統(tǒng)升級(jí)時(shí)燒寫(xiě)內(nèi)核和文件系統(tǒng)時(shí)用Sigma Designs 公司提供的tera term軟件燒寫(xiě)，步驟為：
1） cd  ../armutils_2.5.80.0/bin
2) uuencode romfs-config-envision8624L-romfs-rom.bin.gz x > romfs-config-envision8624L-romfs-rom.bin.gz.uuencode   //生成uuencode編碼的文件（為ascii碼，用于在windows環(huán)境下燒入flash）；
3） 運(yùn)行tera term出現(xiàn)boot >
4）運(yùn)行config serial fast，然后選菜單setupàserial port，設(shè)置baud rate為115200(串口波特率)；
5）在Boot>download serial romfs gz ，準(zhǔn)備接受文件；
6）選菜單file-->send file,選中romfs-config-envision8620L-romfs-rom.bin.gz.uuencode,確定后,你會(huì)看到tera term下載文件；
7). Boot> flash romfs,把文件燒到flash中；

在本實(shí)驗(yàn)中，升級(jí)時(shí)將生成的內(nèi)核和文件系統(tǒng)映像文件直接以二進(jìn)制形式燒進(jìn)去，不需要用uuencode轉(zhuǎn)，即：把romfs-dtv-EM8624L-romfs.bin放在CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)相應(yīng)的文件中進(jìn)行升級(jí)即可。實(shí)現(xiàn)的偽代碼為：
#define FLASH_SIZE 0X8000000
#define LOADER_FLASHBASE 0X46030000         //romfs存放的起始物理地址
if (fp = fopen(UPDATEFILE  ,  ”rb”)) == NULL)return;www.51kaifa.com
else
{
Flash_erase_region(LOADER_FLASHBASE , romfs_len);  //刪除0x46030000開(kāi)始的romfs_len長(zhǎng)度的flash區(qū)域;
Flash_write_data(LOADER_FLASHBASE ,UPDATEFILE, romfs_len); //把要升級(jí)的romfs燒寫(xiě)0x46030000開(kāi)始的romfs_len長(zhǎng)度的flash區(qū)域中;
}
remove(UPDATEFILE);    //升級(jí)完后刪除CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)的升級(jí)文件，以免下次啟動(dòng)又要開(kāi)始升級(jí);
system("reboot");   //重啟新系統(tǒng)

上述函數(shù)調(diào)用放在Bootloader的stage1中執(zhí)行。

4  結(jié)論

本文分析了嵌入式系統(tǒng)的Bootloader的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并提出了通過(guò)CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)升級(jí)，一方面簡(jiǎn)化了升級(jí)過(guò)程，不需要通過(guò)串口將目標(biāo)板與主機(jī)相連來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)，而只需插入CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)就可以完成自動(dòng)升級(jí)，尤其對(duì)支持網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)，只需遠(yuǎn)程地把要升級(jí)的文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拷貝到CF卡或硬盤(pán)中指定的目錄下即可，不需要帶著主機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)去升級(jí)；另一方面，升級(jí)速度也大大提高，因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)CF卡或移動(dòng)硬盤(pán)的存取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于串口。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是:通過(guò)CF存儲(chǔ)卡或移動(dòng)硬盤(pán)在嵌入式系統(tǒng)的Bootloader中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升級(jí)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到自動(dòng)升級(jí)的目的，具有一定的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，同時(shí)，對(duì)同類(lèi)的嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]王建，許毅平，周曼麗. ARM7嵌入式系統(tǒng)中Bootloader分析與設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，5-2
[2] 詹榮開(kāi) . 嵌入式系統(tǒng)Bootloader技術(shù)內(nèi)幕
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-btloader/index.html
[3] 張治斌，喬應(yīng)旭 .  SST89C54與CF卡的接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
http://www.chinaecnet.com/xsj06/xsj064331.aspwww.51kaifa.com
[4]Raj Kamal . Embedded Systems Architecture , Programming and Design 清華大學(xué)出版社
[5] 單承剛，戴學(xué)豐，劉樹(shù)東，崔登志 .基于ARM的嵌入式 BootLoader設(shè)計(jì)與啟動(dòng)過(guò)程 . 微計(jì)算機(jī)信息2006，32期
[6]周立功等 . ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M] . 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 . 2003