在Bootloader中實(shí)現嵌入式系統自動(dòng)升級

嵌入式系統由硬件和軟件兩部分組成，軟件部分主要包括Bootloader、內核和文件系統。Bootloader是硬件系統加電所運行的第l段軟件代碼，但在嵌入式系統中一般沒(méi)有像PC中的BIOS那樣的固件，因此整個(gè)系統的加載過(guò)程全部是由Bootloader來(lái)完成的。系統在上電l或復位時(shí)通常都從地址Ox00000000處開(kāi)始執行，而在這個(gè)地址處安排的通常就是系統的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；將內核拷貝到RAM中并調用內核等。
通常在嵌入式系統中，首先通過(guò)JTAG接口將Bootloader燒寫(xiě)到目標板的Flash中，然后在Bootloader中，將內核映像文件和文件系統映像文件通過(guò)串口和網(wǎng)絡(luò )下載并燒寫(xiě)到Flash中。若需對內核或文件系統升級，則按照上述方法重新燒寫(xiě)新的映像文件，直接覆蓋原來(lái)的映像文件。
上述方法中，一方面必須將目標板和主機通過(guò)串口線(xiàn)和網(wǎng)線(xiàn)相連接，另一方面通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò )下載映像文件，速度很慢。本實(shí)驗通過(guò)擴充Bootloader功能，實(shí)現了通過(guò)CF存儲卡對內核或文件系統映像文件的自動(dòng)升級，對需要經(jīng)常為內核或文件系統升級的嵌入式系統來(lái)說(shuō)，克服了傳統升級方法的局限，簡(jiǎn)化了升級方法，提高了升級速度。

1 基本原理
本實(shí)驗對傳統Bootloader的功能進(jìn)行了擴充，加入了升級系統的功能。例如，用戶(hù)需要對目標板上的內核或文件系統進(jìn)行升級，只需要將新的映像文件命名為指定的名稱(chēng)并拷貝到CF存儲卡中。然后，CF存儲卡插入目標板的CF存儲卡插槽，重新啟動(dòng)目標板即可完成升級過(guò)程。重啟時(shí)，系統首先運行Bootloader，Bootloader將檢測CF存儲卡中是否有內核或文件系統的映像文件。若有，則讀取映像文件并燒寫(xiě)到目標板的F1ash中，實(shí)現升級；若無(wú)，則直接啟動(dòng)目標板中的系統，如圖1所示。

實(shí)驗使用的開(kāi)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(kāi)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(shí)驗板上的InteI Strata Flash，容量為32 MB，分為Bootloader、reserved、kernel和root filesystem四個(gè)區。其中，Bootloader分區用于燒寫(xiě)Bootloader，其起始地址為Ox00000000，當系統加電啟動(dòng)或復位時(shí)，CPU便跳轉到這個(gè)位置開(kāi)始執行指令；reserved分區為保留分區，主要用于傳遞內核啟動(dòng)參數以及其他系統設置；kernel分區和root filesystem分區分別用于燒寫(xiě)內核和文件系統。各分區的起始地址及大小如圖2所示。

2 實(shí)現
本文所討論的實(shí)現方法，主要是擴充Bootloader的功能，增加對CF存儲卡的支持，使系統啟動(dòng)時(shí)，Bootloader能對CF存儲卡進(jìn)行文件讀取。首先，要將CF存儲卡格式化成特定的文件系統格式(本實(shí)驗主要支持FAT32、FATl6和EXT2三種文件系統)。然后，將待升級的映像文件(內核映像文件、文件系統映像文件或Bootloader本身的映像文件)通過(guò)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板上的相應部分進(jìn)行更新。
2．1 Bootloader框架及工作流程
本實(shí)驗所編寫(xiě)的Bootloader僅實(shí)現了最基本的硬件初始化功能、系統引導功能和系統升級功能，靜態(tài)編譯的二進(jìn)制文件大小為38 KB。Bootloader用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言實(shí)現，匯編語(yǔ)言?xún)H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和內核到SDRAM等簡(jiǎn)單工作，便跳轉到C程序，在C程序中實(shí)現了后續的初始化工作及系統升級。詳細流程如圖3所示。

2．2 對CF存儲卡的支持及數據讀取過(guò)程
由于是從CF存儲卡上讀取新的映像文件并實(shí)現系統更新，故在Bootloader中必須首先支持CF卡。CF卡本身提供了兩個(gè)探測引腳(即Card Detect Pins)，用于判斷CF卡是否存在。這兩個(gè)引腳成為CDl和CD2，在CF卡內部被硬件設計為直接與地相連。當CF卡插入時(shí)，CDl和CD2應全為低電平，因此，在Bootloader中通過(guò)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。其中，內置的智能存儲器可以使外圍電路設計大大簡(jiǎn)化，且完全符合內存卡的PCMCIA(Personal Computer Memory Card Intemational Association)和AIA (AdvanccdTechnology Attachment)接口規范。因此，對CF卡的訪(fǎng)問(wèn)有基于PCMCIA規范的Memory Map模式、I／O方式以及基于A(yíng)TA規范的True IDE方式。這里所實(shí)現的Bootloader中，CF卡工作在Truc IDE模式下，將CF卡的0E(Output Enable)引腳設置為低電平(反之，若為高電平，則CF卡將工作在PCMCIA規范的Memory Map模式或I/O模式下)。
對CF卡的True IDE工作模式設置完成后，通過(guò)向CF卡的寄存器寫(xiě)入必要的信息實(shí)現對CF卡的控制及讀寫(xiě)。CF卡主要包含以下寄存器：
◆數據寄存器(R／W)，用于對扇區的讀／寫(xiě)操作，主機通過(guò)該寄存器向CF卡控制器寫(xiě)入或從CF卡控制寄存器讀出扇區緩沖區的數據；
◆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；
◆扇區數寄存器(R／W)。記錄讀、寫(xiě)命令的扇區數目；
◆扇區號寄存器(R／W)，記錄讀、寫(xiě)和校驗命令指定的起始扇區號；
◆柱面號寄存器(R／W)，記錄讀、寫(xiě)、校驗和尋址命令指定的柱面號；
◆驅動(dòng)器／寄存器(R／W)，記錄讀、寫(xiě)、校驗和尋道命令指定的驅動(dòng)器號、磁頭號和尋址方式；
◆狀態(tài)寄存器(R)，反映CF卡驅動(dòng)器執行命令后的狀態(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卡讀取數據的過(guò)程如圖4所示。

2.3 文件系統支持
要對CF卡進(jìn)行文件存取，必須將CF卡格式化成某種文件系統。本實(shí)驗所編寫(xiě)的Bootloader主要支持3種文件系統：FATl6、FAT32和EXT2。當需要對嵌入式系統的內核映像(映像文件名為zlmage)或根文件系統映像(映像文件名為tootfs．img)進(jìn)行升級時(shí)，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。系統啟動(dòng)時(shí)，Bootloader首先檢測CF存儲卡的文件系統類(lèi)型，然后按照相應的文件系統格式查詢(xún)CF卡中的所有文件。若發(fā)現待更新的映像文件，則調用CF卡底層操作(詳見(jiàn)2．2節)，將映像文件讀出到SDRAM中，再從SDRAM燒寫(xiě)到嵌入式開(kāi)發(fā)板的Flash中，實(shí)現升級。有關(guān)文件系統的實(shí)現細節，詳見(jiàn)參考文獻。

3 結論
通過(guò)CF存儲卡對嵌入式系統的自動(dòng)升級，一方面可以簡(jiǎn)化升級過(guò)程，無(wú)需通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò )將目標板與主機相連，將文件下載升級，而只需插入CF卡，啟動(dòng)系統便可以完成升級過(guò)程；另一方面，升級速度也大大提高，因為系統對CF卡的存取速度遠遠高于串口或網(wǎng)絡(luò )。但是，要通過(guò)CF卡實(shí)現系統升級，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。