嵌入式Linux 的safe mode 設計與實(shí)現

目前的各種嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)豐富多彩，它們正改變著(zhù)我們的生活方式。隨著(zhù)嵌入式產(chǎn)品功能的增加，如何讓用戶(hù)對已購買(mǎi)的產(chǎn)品的升級能安全地、順利地完成，避免升級過(guò)程中出現的意外掉電所引起的產(chǎn)品故障，這樣的問(wèn)題要求嵌入產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)者在設計時(shí)就將產(chǎn)品的 safe mode 安全模式考慮進(jìn)去。這里我們將以一個(gè)嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò )播放器為例，來(lái)說(shuō)明 safe mode 安全模式的設計與實(shí)現。通過(guò)本文，我們可以了解到針對一個(gè)實(shí)際的嵌入式系統，設計中需要注意的技術(shù)要點(diǎn)和實(shí)現細節。

　　為什么需要 safe mode(安全模式)

　　當用戶(hù)購買(mǎi)一個(gè)產(chǎn)品后，在后續的服務(wù)中，可能還會(huì )發(fā)生一些費用，讓產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商增加成本，如免費電話(huà)咨詢(xún)，產(chǎn)品的維修、寄送。所以說(shuō)將產(chǎn)品的賣(mài)出并不意味著(zhù)最終的贏(yíng)利。這樣的情況下，產(chǎn)品的設計就需要更加合理，更加優(yōu)化，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)各種可能的需求。特別是在發(fā)生異常故障的時(shí)候，如果能引導客戶(hù)自行完成診斷、修復，那么將大大降低后續的服務(wù)成本。正因為如此，產(chǎn)品故障時(shí)，就很需要safe mode安全模式來(lái)幫助用戶(hù)完成恢復的工作。

　　從節約產(chǎn)品的成本、產(chǎn)品所能提供的功能上來(lái)看，safe mode 是大有裨益的。

　　大家所熟知的 windows 系統，也提供了 safe mode 安全模式，它就可以幫助用戶(hù)解決系統不穩定，硬件沖突等諸多故障，讓用戶(hù)在自己可以操作的能力范圍內先行對系統進(jìn)行診斷與修復。在很大程度上， windows 的 safe mode 給用戶(hù)與 Microsoft 都帶來(lái)了很大的便利。

　　嵌入式Linux產(chǎn)品與其他IT產(chǎn)品不同的地方，主要是使用flash來(lái)存貯運行時(shí)的系統。它沒(méi)有大的內存，沒(méi)有大的存儲空間，但它卻也是一個(gè)完整的系統。

　　在通常情況下，嵌入式Linux產(chǎn)品的flash上的內容是不會(huì )被破壞的，也即它們會(huì )有著(zhù)較好的穩定性，不會(huì )因為用戶(hù)的常規使用而導致flash上的 firmware被破壞。但隨著(zhù)產(chǎn)品的更新升級，用戶(hù)也需要在自己家中完成對已購買(mǎi)商品的更新?lián)Q代。而用戶(hù)大多屬于非技術(shù)熟悉者，在更新升級中就可能出現種種意想不到的情況。

　　比如在用戶(hù)做firmware升級更新時(shí)，平時(shí)不會(huì )出現問(wèn)題的firmware可能在這個(gè)過(guò)程中，就面臨著(zhù)巨大的風(fēng)險，極有可能致使用戶(hù)的系統無(wú)法啟動(dòng)，不能正常工作。這樣的情況是我們不愿意看到的，而實(shí)際中卻的的確確可能會(huì )發(fā)生。

　　考慮這樣一個(gè)場(chǎng)景：當用戶(hù)對產(chǎn)品進(jìn)行firmware升級時(shí)，如果在燒寫(xiě)flash的過(guò)程中，意外掉電，那么用戶(hù)手中的產(chǎn)品就將無(wú)法再次啟動(dòng)，因為 rootfs系統已經(jīng)被破壞了。用戶(hù)所能做的，也只能將產(chǎn)品送回產(chǎn)商進(jìn)行維修。這樣來(lái)回的過(guò)程不僅耗費用戶(hù)的精力，同樣也會(huì )增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商的成本。在產(chǎn)品升級換代很快的當前市場(chǎng)情況下，這樣的情況可能會(huì )經(jīng)常發(fā)生。

　　如何避免這樣的情況的發(fā)生呢?如果我們可以提供一個(gè)機制，在進(jìn)行升級前即往flash中寫(xiě)入一個(gè)標記，正常完成后，再寫(xiě)入另一個(gè)標記來(lái)表示整個(gè)過(guò)程的正常結束，否則的話(huà)，燒寫(xiě)時(shí)掉電不會(huì )寫(xiě)入第二個(gè)標記，只有第一個(gè)標記，那么就認為產(chǎn)品故障，這個(gè)時(shí)候，進(jìn)入另一個(gè)新的提示界面，讓用戶(hù)自己選擇從 USB或FTP來(lái)重新升級firmware。這樣的話(huà)，整個(gè)過(guò)程用戶(hù)就完全可以在界面的友好提示下自己完成，方便了用戶(hù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商。

　　系統架構

　　本文以一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品為例，來(lái)說(shuō)明safe mode的設計。

　　系統架構

本系統為一個(gè)嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò )播放器，主要的功能為播放家庭網(wǎng)絡(luò )中的多媒體文件，在家庭客廳等環(huán)境中有著(zhù)大量的應用，它可以給用戶(hù)提供更方便快捷的媒體文件的播放方式，并能充分利用家庭音響系統的巨大功能，而非PC環(huán)境下有限的外部設備，大大改善了媒體文件的播放體驗。

　　本系統的架構如下圖：

產(chǎn)品所使用的flash總大小為16M。

　　系統包括三大部分，即bootloader，config, kernel + rootfs：

另外，/dev/mtdblock/0，在系統中對應整個(gè)flash block，即整個(gè)16M空間。

　　系統啟動(dòng)時(shí)，bootloader將kernel和根文件映象從flash上讀取到RAM空間中，為內核設置啟動(dòng)參數，調用內核，進(jìn)入application，進(jìn)行媒體文件的播放。

　　這個(gè)通常意義上的嵌入式Linux系統，它是不帶safe mode安全模式的。

　　這樣的系統，在做系統更新升級時(shí)，主要是對kernel+rootfs部分進(jìn)行升級，以此來(lái)增加系統的功能。

　　升級時(shí)，application主要是操作/dev/mtdblock/3設備文件：

　　第一步：下載新的firmware到ramfs中，也即ram disk中，比如/tmp目錄下，采用的更新方式可以是USB或FTP;

　　第二步：read /tmp/firmware文件，并write到設備文件/dev/mtdblock/3上，即對已有的firmware進(jìn)行了更新。

　　在升級的過(guò)程中，我們會(huì )提供友好的界面給用戶(hù)，來(lái)提示下載進(jìn)度與燒寫(xiě)flash的進(jìn)度，讓用戶(hù)可以看到正在發(fā)生的狀況。

　　最后燒寫(xiě)完成后，重新啟動(dòng)系統，即可進(jìn)入到新的firmware中。

　　在通常的更新中，用戶(hù)的產(chǎn)品配置config一般不去修改，保持用戶(hù)已經(jīng)做的配置選項，不能破壞。Config內容對應為/dev/mtdblock/2設備文件。

　　從USB/FTP 上更新時(shí)，所使用的firmware文件需要是一個(gè)更加完整的image文件，可以包括bootloader, default config, kernel+rootfs，并讓application可以做到視image中的標記來(lái)決定是否需要更新bootloader、config等內容，這樣會(huì )更加靈活。

　　在更新firmware時(shí)，如果掉電，那么kernel + rootfs部分將會(huì )出現不完整的情況，也就是說(shuō)只寫(xiě)入了部分內容，而中途中斷了，這樣的話(huà)，一個(gè)不完整的系統將無(wú)法正常工作。在這樣的情況下就需要safe mode安全模式了。

　　safe mode架構設計

　　Safe mode的設計中，對原來(lái)的系統增加了兩個(gè)部分的內容：

　　kernel + rootfs，即簡(jiǎn)單的UI界面與功能;

　　magic number，即燒寫(xiě)flash的標記。

safe mode實(shí)際上也是一個(gè)kernel + rootfs部分，只是它所具有的功能只包括一些簡(jiǎn)單的界面，主要是提供網(wǎng)絡(luò )設置，從USB/FTP下載firmware，完成對flash的燒寫(xiě)。

　　為了區分，這里，將主功能部分的kernel + rootfs稱(chēng)為master。

　　我們將safe mode存放在master的后部，預留的flash大小為4M。

　　Magic number只占用一個(gè)字節的大小，是在這4M的最后的部分的一個(gè)字節，也即原始系統的15872K的最后一個(gè)字節位置處。

　　在開(kāi)始燒寫(xiě)flash前，將magic number設置為0x55，表示燒寫(xiě)的開(kāi)始。燒寫(xiě)正常結束后，將magic number設置為0xAA，表示燒寫(xiě)正常結束。

　　如果新產(chǎn)品中具備了safe mode模式，那么在以后再次更新升級時(shí)，開(kāi)始燒寫(xiě)flash時(shí)，magic number的位置將會(huì )有0x55標記，如果燒寫(xiě)中途掉電，在重新啟動(dòng)后，將由bootloader來(lái)檢查magic number的值，如果內容為0x55，那么bootloader將從safemode部分讀出kernel和根文件映象，再為內核設置啟動(dòng)參數，調用內核，進(jìn)入safe mode application。

　　如果bootloader讀到magic number為0xAA，那么說(shuō)明master firmware是正常的，就將直接進(jìn)入master。

　　所以涉及到safe mode的地方也包括了對bootloader的修改，需要在系統上電階段也檢查safe mode的magic number，這個(gè)過(guò)程是必不可少的，只有在啟動(dòng)階段就檢查magic number，才能跳過(guò)損壞的master系統，進(jìn)入安全模式，達到恢復系統的目的。

　　safe mode架構實(shí)現