在Bootloader中實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)自動升級

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)。Bootloader是硬件系統(tǒng)加電所運行的第l段軟件代碼，但在嵌入式系統(tǒng)中一般沒有像PC中的BIOS那樣的固件，因此整個系統(tǒng)的加載過程全部是由Bootloader來完成的。系統(tǒng)在上電l或復(fù)位時通常都從地址Ox00000000處開始執(zhí)行，而在這個地址處安排的通常就是系統(tǒng)的Bootloader。Bootloader的主要任務(wù)包括：初始化最基本的硬件；將Bootloader本身拷貝到RAM中運行；將內(nèi)核拷貝到RAM中并調(diào)用內(nèi)核等。
通常在嵌入式系統(tǒng)中，首先通過JTAG接口將Bootloader燒寫到目標(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，則按照上述方法重新燒寫新的映像文件，直接覆蓋原來的映像文件。
上述方法中，一方面必須將目標(biāo)板和主機通過串口線和網(wǎng)線相連接，另一方面通過串口或網(wǎng)絡(luò)下載映像文件，速度很慢。本實驗通過擴充Bootloader功能，實現(xiàn)了通過CF存儲卡對內(nèi)核或文件系統(tǒng)映像文件的自動升級，對需要經(jīng)常為內(nèi)核或文件系統(tǒng)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 基本原理
本實驗對傳統(tǒng)Bootloader的功能進行了擴充，加入了升級系統(tǒng)的功能。例如，用戶需要對目標(biāo)板上的內(nèi)核或文件系統(tǒng)進行升級，只需要將新的映像文件命名為指定的名稱并拷貝到CF存儲卡中。然后，CF存儲卡插入目標(biāo)板的CF存儲卡插槽，重新啟動目標(biāo)板即可完成升級過程。重啟時，系統(tǒng)首先運行Bootloader，Bootloader將檢測CF存儲卡中是否有內(nèi)核或文件系統(tǒng)的映像文件。若有，則讀取映像文件并燒寫到目標(biāo)板的F1ash中，實現(xiàn)升級；若無，則直接啟動目標(biāo)板中的系統(tǒng)，如圖1所示。

實驗使用的開發(fā)板基于Intel XScale處理器PXA255。PXA255具有16位的CF存儲卡控制器，用于連接CF存儲卡。開發(fā)板上有32 MB的Flash和64 MB的SDRAM，且Flash的起始地址映射到Ox00000000，SDRAM的起始地址映射到OxA0000000。
實驗板上的InteI Strata Flash，容量為32 MB，分為Bootloader、reserved、kernel和root filesystem四個區(qū)。其中，Bootloader分區(qū)用于燒寫B(tài)ootloader，其起始地址為Ox00000000，當(dāng)系統(tǒng)加電啟動或復(fù)位時，CPU便跳轉(zhuǎn)到這個位置開始執(zhí)行指令；reserved分區(qū)為保留分區(qū)，主要用于傳遞內(nèi)核啟動參數(shù)以及其他系統(tǒng)設(shè)置；kernel分區(qū)和root filesystem分區(qū)分別用于燒寫內(nèi)核和文件系統(tǒng)。各分區(qū)的起始地址及大小如圖2所示。

2 實現(xiàn)
本文所討論的實現(xiàn)方法，主要是擴充Bootloader的功能，增加對CF存儲卡的支持，使系統(tǒng)啟動時，Bootloader能對CF存儲卡進行文件讀取。首先，要將CF存儲卡格式化成特定的文件系統(tǒng)格式(本實驗主要支持FAT32、FATl6和EXT2三種文件系統(tǒng))。然后，將待升級的映像文件(內(nèi)核映像文件、文件系統(tǒng)映像文件或Bootloader本身的映像文件)通過主機拷貝到CF存儲卡。因此，Bootloader可以榆測到需要升級的映像文件并對目標(biāo)板上的相應(yīng)部分進行更新。
2．1 Bootloader框架及工作流程
本實驗所編寫的Bootloader僅實現(xiàn)了最基本的硬件初始化功能、系統(tǒng)引導(dǎo)功能和系統(tǒng)升級功能，靜態(tài)編譯的二進制文件大小為38 KB。Bootloader用匯編語言和C語言實現(xiàn)，匯編語言僅作了屏蔽所有中斷、初始化相關(guān)GPIO(General Purpose IO)、初始化SDRAM、拷貝Bootloader和內(nèi)核到SDRAM等簡單工作，便跳轉(zhuǎn)到C程序，在C程序中實現(xiàn)了后續(xù)的初始化工作及系統(tǒng)升級。詳細(xì)流程如圖3所示。

2．2 對CF存儲卡的支持及數(shù)據(jù)讀取過程
由于是從CF存儲卡上讀取新的映像文件并實現(xiàn)系統(tǒng)更新，故在Bootloader中必須首先支持CF卡。CF卡本身提供了兩個探測引腳(即Card Detect Pins)，用于判斷CF卡是否存在。這兩個引腳成為CDl和CD2，在CF卡內(nèi)部被硬件設(shè)計為直接與地相連。當(dāng)CF卡插入時，CDl和CD2應(yīng)全為低電平，因此，在Bootloader中通過檢測CDl和CD2的電平高低，可以判斷CF卡是否存在。
CF卡主要由3部分組成：控制器、存儲器陣列和緩沖區(qū)。其中，內(nèi)置的智能存儲器可以使外圍電路設(shè)計大大簡化，且完全符合內(nèi)存卡的PCMCIA(Personal Computer Memory Card Intemational Association)和AIA (AdvanccdTechnology Attachment)接口規(guī)范。因此，對CF卡的訪問有基于PCMCIA規(guī)范的Memory Map模式、I／O方式以及基于ATA規(guī)范的True IDE方式。這里所實現(xiàn)的Bootloader中，CF卡工作在Truc IDE模式下，將CF卡的0E(Output Enable)引腳設(shè)置為低電平(反之，若為高電平，則CF卡將工作在PCMCIA規(guī)范的Memory Map模式或I/O模式下)。
對CF卡的True IDE工作模式設(shè)置完成后，通過向CF卡的寄存器寫入必要的信息實現(xiàn)對CF卡的控制及讀寫。CF卡主要包含以下寄存器：
◆數(shù)據(jù)寄存器(R／W)，用于對扇區(qū)的讀／寫操作，主機通過該寄存器向CF卡控制器寫入或從CF卡控制寄存器讀出扇區(qū)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；
◆錯誤寄存器(R)，控制寄存器在診斷方式或操作方式下的錯誤原因；
◆扇區(qū)數(shù)寄存器(R／W)。記錄讀、寫命令的扇區(qū)數(shù)目；
◆扇區(qū)號寄存器(R／W)，記錄讀、寫和校驗命令指定的起始扇區(qū)號；
◆柱面號寄存器(R／W)，記錄讀、寫、校驗和尋址命令指定的柱面號；
◆驅(qū)動器／寄存器(R／W)，記錄讀、寫、校驗和尋道命令指定的驅(qū)動器號、磁頭號和尋址方式；
◆狀態(tài)寄存器(R)，反映CF卡驅(qū)動器執(zhí)行命令后的狀態(tài)，讀浚寄存器要清除中斷請求信號；
◆命令寄存器(W)，命令寄存器接收主機發(fā)送的CF卡工作的控制命令。
從CF卡讀取數(shù)據(jù)的過程如圖4所示。

2.3 文件系統(tǒng)支持
要對CF卡進行文件存取，必須將CF卡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)：FATl6、FAT32和EXT2。當(dāng)需要對嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核映像(映像文件名為zlmage)或根文件系統(tǒng)映像(映像文件名為tootfs．img)進行升級時，將待更新的映像文件按照指定的文件名拷貝到CF存儲卡中。系統(tǒng)啟動時，Bootloader首先檢測CF存儲卡的文件系統(tǒng)類型，然后按照相應(yīng)的文件系統(tǒng)格式查詢CF卡中的所有文件。若發(fā)現(xiàn)待更新的映像文件，則調(diào)用CF卡底層操作(詳見2．2節(jié))，將映像文件讀出到SDRAM中，再從SDRAM燒寫到嵌入式開發(fā)板的Flash中，實現(xiàn)升級。有關(guān)文件系統(tǒng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，詳見參考文獻。

3 結(jié)論
通過CF存儲卡對嵌入式系統(tǒng)的自動升級，一方面可以簡化升級過程，無需通過串口或網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)板與主機相連，將文件下載升級，而只需插入CF卡，啟動系統(tǒng)便可以完成升級過程；另一方面，升級速度也大大提高，因為系統(tǒng)對CF卡的存取速度遠遠高于串口或網(wǎng)絡(luò)。但是，要通過CF卡實現(xiàn)系統(tǒng)升級，嵌入式板必須具有CF卡接口，因此，它并不適合所有的嵌入式系統(tǒng)。