ARM的嵌入式Bootloader實現(xiàn)自動升級

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。和基于簡單RTOS甚至沒有使用任何操作系統(tǒng)的嵌入式程序設(shè)計相比，基于ARM- uClinux嵌入式系統(tǒng)的開發(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)和具體嵌入式板級設(shè)備的配置密切相關(guān)，至今沒有一個完全通用的Bootloader可以直接應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，因此Bootloader成為運行嵌入式 Linux系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。

通常在嵌入式系統(tǒng)中，首先通過專用燒錄器將Bootloader燒寫到目標板的Flash中，然后在Bootloader中，將內(nèi)核映像文件和文件系統(tǒng)映像文件通過串口和網(wǎng)絡(luò)下載并燒寫到Flash中。若需對內(nèi)核或文件系統(tǒng)升級，則按上述方法重新燒寫新的Kernel，Romfs直接覆蓋原來的 Kernel，Romfs。這種方法中，一方面必須將目標板和主機通過串口線或網(wǎng)線相連，需到現(xiàn)場去升級，比較麻煩；另一方面，通過串口或網(wǎng)絡(luò)燒寫映像文件，速度很慢。本文分析Bootloader的結(jié)構(gòu)和主要任務(wù)，并針對實際項目開發(fā)中用到的Sigma Designs 公司的EM8624L芯片（ARM7TDMI處理器+uClinux）擴充Bootloader功能，實現(xiàn)了通過CF存儲卡或硬盤對內(nèi)核或文件系統(tǒng)映像文件的自動升級。對需要經(jīng)常為Kernel，Romfs升級的嵌入式系統(tǒng)來說，克服了傳統(tǒng)升級方法的局限，簡化了升級方法，提高了升級速度。

1  ARM-uClinux嵌入式系統(tǒng)硬件平臺

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合。該芯片的特點：主頻為 166MHz和200MHz（可選），沒有內(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)存儲器、Flash并且有以太網(wǎng)（Ethemet10/100）、USB2.0接口，2個 UART接口等等，其總體設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)如圖1：

2  Bootloader分析

Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段程序。通過此程序，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）啟動加載（Boot loading）模式。即Bootloader從目標機上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶的介入。

2）下載（Down loading）模式：在這種模式下，目標機的Bootloader將通過串口或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等，然后保存到目標機上的Flash類固態(tài)存儲設(shè)備中。 Bootloader的這種模式通常在系統(tǒng)初次安裝和更新時被使用。

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，我們直接對處理器內(nèi)核和硬件控制器進行編程，因此常常都用匯編語言來實現(xiàn)。而stage1則通常用C/C++語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(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。本實驗在 Bootloader中實現(xiàn)進入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：初始化計時器，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，初始化命令控制臺等。進入stage1的匯編代碼如下：
adr r0 , load_addr         //@get stage1 entry point
ldr r9 , [r0 , #0x0c]
3 本實驗基本原理

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本實驗對 Bootloader的功能進行了擴充，加入自動升級的功能。即：用戶需要對目標板的內(nèi)核或文件系統(tǒng)進行升級，只需要將新的映像文件拷貝到CF存儲卡或移動硬盤中，然后將CF卡或移動硬盤插入目標板相應(yīng)的插槽，每次重啟目標板時，先啟動Bootloader，初始化硬件環(huán)境后，在應(yīng)用程序運行前，判斷是否存在要升級的文件，如果存在則先把Flash指定的位置的內(nèi)容擦除掉，然后再把要升級的內(nèi)核或文件系統(tǒng)的映像文件寫進相應(yīng)的位置，寫完后立即刪除CF存儲卡或移動硬盤上的升級文件，即完成升級。如圖2

項目開發(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（實際物理地址為0x46030000）擦除和重寫內(nèi)核與文件系統(tǒng)映像文件。要對CF卡或移動硬盤進行文件存取，必須將CF卡或移動硬盤格式化成某種文件系統(tǒng)。本實驗所編寫的Bootloader主要支持3種文件系統(tǒng)：FAT16，F(xiàn)AT32，EXT2。系統(tǒng)啟動時，Bootloader首先檢測CF卡或移動硬盤的文件系統(tǒng)類型，然后按照相應(yīng)的文件系統(tǒng)格式查詢CF 卡或移動硬盤的所有文件。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)動見文獻[3]，將映像文件讀到SDRAM中，再從SDRAM燒寫到嵌入式開發(fā)版的Flash中，實現(xiàn)升級。

生成內(nèi)核和文件系統(tǒng)步驟如下：

1）進入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)升級時燒寫內(nèi)核和文件系統(tǒng)時用Sigma Designs 公司提供的tera term軟件燒寫，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） 運行tera term出現(xiàn)boot >
4）運行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,你會看到tera term下載文件；
7). Boot> flash romfs,把文件燒到flash中；

在本實驗中，升級時將生成的內(nèi)核和文件系統(tǒng)映像文件直接以二進制形式燒進去，不需要用uuencode轉(zhuǎn)，即：把romfs-dtv-EM8624L-romfs.bin放在CF卡或移動硬盤相應(yīng)的文件中進行升級即可。實現(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開始的romfs_len長度的flash區(qū)域;
Flash_write_data(LOADER_FLASHBASE ,UPDATEFILE, romfs_len); //把要升級的romfs燒寫0x46030000開始的romfs_len長度的flash區(qū)域中;
}
remove(UPDATEFILE);    //升級完后刪除CF卡或移動硬盤的升級文件，以免下次啟動又要開始升級;
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。

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4  結(jié)論

本文分析了嵌入式系統(tǒng)的Bootloader的實現(xiàn)過程，并提出了通過CF卡或移動硬盤實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的自動升級，一方面簡化了升級過程，不需要通過串口將目標板與主機相連來實現(xiàn)系統(tǒng)升級，而只需插入CF卡或移動硬盤就可以完成自動升級，尤其對支持網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式設(shè)備來說，只需遠程地把要升級的文件通過網(wǎng)絡(luò)拷貝到CF卡或硬盤中指定的目錄下即可，不需要帶著主機到現(xiàn)場去升級；另一方面，升級速度也大大提高，因為系統(tǒng)對CF卡或移動硬盤的存取速度遠遠高于串口。

本文作者創(chuàng)新點是:通過CF存儲卡或移動硬盤在嵌入式系統(tǒng)的Bootloader中實現(xiàn)自動升級。經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)運行正常，達到自動升級的目的，具有一定的商業(yè)價值和社會價值，同時，對同類的嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)具有一定的借鑒意義。
參考文獻：
[1]王建，許毅平，周曼麗. ARM7嵌入式系統(tǒng)中Bootloader分析與設(shè)計[J]. 微計算機信息，2006，5-2
[2] 詹榮開 . 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)計與實現(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，劉樹東，崔登志 .基于ARM的嵌入式 BootLoader設(shè)計與啟動過程 . 微計算機信息2006，32期
[6]周立功等 . ARM微控制器基礎(chǔ)與實踐[M] . 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 . 2003