一種嵌入式系統(tǒng)bootrom自動(dòng)備份及切換技術(shù)

引言
    隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，嵌入式系統(tǒng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。由于產(chǎn)品應(yīng)用的場合越來越復(fù)雜，對(duì)于嵌入式產(chǎn)品開發(fā)就提出了新的要求，其中最明顯的表現(xiàn)就是嵌入式系統(tǒng)軟件的維護(hù)變得日益重要。嵌入式系統(tǒng)投入實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行后，一部分在軟件開發(fā)過程中無法充分測(cè)試的錯(cuò)誤便會(huì)暴露出來；在嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行期內(nèi)，用戶也往往會(huì)對(duì)嵌入式軟件提出新的功能要求和性能要求。因此，嵌入式軟件的更新逐漸成為嵌入式系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要問題。在嵌入式系統(tǒng)安裝數(shù)量較多，或安裝位置不方便的情況下，采用人工更新方式會(huì)花費(fèi)較大的人力和物力。這時(shí)候就需要實(shí)現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)程自動(dòng)更新，通過在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)有線或無線的通信接口，在異地采用遠(yuǎn)程通信的方式實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件的自動(dòng)更新。
    實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新能有效地降低嵌入式軟件的更新和維護(hù)成本，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在實(shí)際的應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。由于更新過程中發(fā)生的一些異常操作(比如突然斷電、更新數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品軟件損壞，用戶無法維修，必須發(fā)回產(chǎn)品生產(chǎn)廠家進(jìn)行維修，這給產(chǎn)品使用造成了很大的不便。
    分析這種問題發(fā)生的原因，當(dāng)采用嵌入式Linux、Windows CE等較為復(fù)雜的操作系統(tǒng)時(shí)，一般設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的bootrom程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并引導(dǎo)嵌入式操作系統(tǒng)。而系統(tǒng)的更新僅僅考慮備份了應(yīng)用層程序或是嵌入式操作系統(tǒng)，沒有對(duì)bootrom進(jìn)行備份，所以當(dāng)升級(jí)boot rom出現(xiàn)異常后，系統(tǒng)將無法再次啟動(dòng)。同時(shí)，由于bootrom的加載必須通過燒片機(jī)或?qū)Ｓ肑TAG仿真器進(jìn)行，而這些工具一般無法在現(xiàn)場使用，用戶也不具備這種條件，因此必須返回廠家進(jìn)行維修。本文針對(duì)這種問題，提出一種bootrom自動(dòng)備份及切換技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)更新出錯(cuò)后，產(chǎn)品能自動(dòng)切換從備份bootrom啟動(dòng)，啟動(dòng)后再恢復(fù)已寫壞的主bootrom。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)思想
    對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，基于ARM、Power PC或MIPS架構(gòu)，以及基于Linux、VxWorks等操作系統(tǒng)，其啟動(dòng)原理都是一樣的。首先，系統(tǒng)上電后復(fù)位電路復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)；在復(fù)位過程中，CPU讀取外部配置(這個(gè)配置一般由CPU引腳通過上下拉電阻確定)；復(fù)位結(jié)束后，CPU根據(jù)配置從相應(yīng)的外部程序存儲(chǔ)器的特定地址讀取bootrom代碼，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)一般采用的是NOR Flash，也有部分采用NAND Flash或CF卡等存儲(chǔ)器；然后執(zhí)行bootrom代碼，初始化CPU各個(gè)部分，最后引導(dǎo)操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件啟動(dòng)。
    對(duì)于一個(gè)確定的嵌入式系統(tǒng)，其CPU讀取第一條指令的地址和片選是一定的。下面就以MPC5200B系統(tǒng)為例，說明實(shí)現(xiàn)bootrom自備份及自切換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
    MPC5200B支持的bootrom地址為0x00000000或是0xfff00000，由復(fù)位配置確定從哪一個(gè)地址讀取，支持的bootrom空間為512 KB。要實(shí)現(xiàn)bootrom自動(dòng)備份及自動(dòng)切換有兩種方案：
    ①采用2片NOR Flash，同時(shí)掛在MPC5200B的本地總線上，通過一個(gè)CPLD提供2個(gè)Flash的片選信號(hào)，由軟件和CPLD根據(jù)boot啟動(dòng)狀態(tài)確定把boot_cs輸出給哪一片F(xiàn)lash。
    ②采用1片NOR Flash，劃分兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)?12 KB，通過CPLD去切換地址實(shí)現(xiàn)。
    本文采用方案一實(shí)現(xiàn)bootrom切換功能。
1．2 總體設(shè)計(jì)
    如圖1所示，CPU輸出兩個(gè)片選信號(hào)(boot_cs和CSD給CPLD，同時(shí)CPU Local bus的其他信號(hào)分別連接到FlashA、FlashB以及CPLD上，CPLD輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)給CPU，復(fù)位電路和時(shí)鐘電路給CPLD和CPU提供復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)。

    要實(shí)現(xiàn)bootrom自動(dòng)切換及備份，需要CPLD和軟件共同進(jìn)行處理。默認(rèn)主Flash為FlashA，備份Flash為FlashB。具體步驟如下：
    ①啟動(dòng)時(shí)，CPU發(fā)出boot_cs信號(hào)，從Local bus的0x00000000地址開始讀取軟件，CPLD默認(rèn)把boot_cs信號(hào)送給FlashA。如果CPU正常啟動(dòng)，等CPU啟動(dòng)完成后，軟件向CPLD的bootrom啟動(dòng)寄存器中寫入值A(chǔ)。
    ②CPLD延時(shí)5 s后讀取bootrom啟動(dòng)寄存器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)寄存器值為A時(shí)，代表bootrom已經(jīng)成功啟動(dòng)，CPLD鎖定輸出boot_cs給第一片F(xiàn)lash。同時(shí)，輸出CS1給FlashB，軟件檢測(cè)FlashB中代碼的完整性。如果完整，則不處理；如果發(fā)現(xiàn)FlashB中代碼不完整，重新往FlashB中寫入代碼。[!--empirenews.page--]
    ③如果FlashA中的代碼已經(jīng)損壞，CPU將無法啟動(dòng)。此時(shí)，CPLD等待5 s后檢測(cè)到的bootrom啟動(dòng)寄存器值仍為初始值，CPLD認(rèn)為FlashA已損壞，切換boot_cs信號(hào)輸出到FlashB，然后發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)給CPU，CPU重新開始啟動(dòng)過程。CPU從FlashB中啟動(dòng)代碼，啟動(dòng)完成后，軟件向CPLD的bootrom啟動(dòng)寄存器中寫入值B。此時(shí)輸出CS1給FlashA，軟件檢測(cè)FlashA中代碼的完整性。如果完整，則不處理。如果發(fā)現(xiàn)FlashA中代碼不完整，則更新FlashA中的代碼，更新完畢后通知CPLD復(fù)位CPU，并輸出boot_cs給FlashA，從FlashA重新啟動(dòng)。
    ④系統(tǒng)更新bootrom時(shí)，首先改寫FlashA中的代碼，并重新啟動(dòng)；然后驗(yàn)證FlashA中代碼的完整性，如果FlashA中代碼完整，則更新到FlashB中。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)由軟件和CPLD配合實(shí)現(xiàn)，其中CPLD根據(jù)軟件反饋的狀態(tài)來確定片選的分配以及系統(tǒng)的復(fù)位。軟件則在啟動(dòng)后對(duì)cpld Bootrom_run寄存器進(jìn)行置位，并對(duì)兩片F(xiàn)lash的代碼進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果有錯(cuò)誤，則修復(fù)相應(yīng)的Flash代碼，并記錄相關(guān)錯(cuò)誤信息。
    CPLD工作流程如圖2所示。

    本系統(tǒng)采用了Altera公司的MAXII CPLD實(shí)現(xiàn)，編譯通過后僅占用124個(gè)邏輯單元，很方便就可以把相關(guān)的代碼添加到產(chǎn)品現(xiàn)有的CPLD中，實(shí)現(xiàn)bootrom自動(dòng)備份和切換功能。

結(jié)語
    本文提出了一種基于CPLD實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件bootrom自動(dòng)備份及切換功能的方法。該方法在PowerPC處理器MPC5200、MIPS處理器RM7000A和ARM處理器ATM9200的平臺(tái)上都得到了驗(yàn)證，均能保證系統(tǒng)的正常啟動(dòng)，并能完成bootrom的自動(dòng)恢復(fù)，為產(chǎn)品軟件更新升級(jí)提供了強(qiáng)有力的保證。本設(shè)計(jì)由于采用了兩片F(xiàn)lash，因此增加了一定的設(shè)計(jì)難度和成本。但相對(duì)于可靠的bootrom更新機(jī)制、自動(dòng)化和可靠性所帶來的維護(hù)成本的降低，這個(gè)代價(jià)是值得的。