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(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