ARM的嵌入式Bootloader實(shí)現自動(dòng)升級

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的嵌入式程序設計相比，基于ARM- uClinux嵌入式系統的開(kāi)發(fā)采用了成熟、高效、可靠、模塊化、易于配置的操作系統，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。但由于Bootloader與處理器的體系結構和具體嵌入式板級設備的配置密切相關(guān)，至今沒(méi)有一個(gè)完全通用的Bootloader可以直接應用于各種嵌入式系統中，因此Bootloader成為運行嵌入式 Linux系統設計的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

通常在嵌入式系統中，首先通過(guò)專(zhuān)用燒錄器將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，一方面必須將目標板和主機通過(guò)串口線(xiàn)或網(wǎng)線(xiàn)相連，需到現場(chǎng)去升級，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的結構和主要任務(wù)，并針對實(shí)際項目開(kāi)發(fā)中用到的Sigma Designs 公司的EM8624L芯片（ARM7TDMI處理器+uClinux）擴充Bootloader功能，實(shí)現了通過(guò)CF存儲卡或硬盤(pán)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Kernel，Romfs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 ARM-uClinux嵌入式系統硬件平臺

EM8624L是Sigma Designs公司的一款采用ARM7TDMI內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)有內存單元（MMU），16KB的數據cache和16KB的指令cache，8KB的SRAM和2KB的 ISP、2KB的DSP，外圍總線(xiàn)接口支持SDRAM、靜態(tài)存儲器、Flash并且有以太網(wǎng)（Ethemet10/100）、USB2.0接口，2個(gè) UART接口等等，其總體設計硬件結構如圖1：

2 Bootloader分析

Bootloader是在操作系統內核運行之前運行的一段程序。通過(guò)此程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環(huán)境。

2．1 Bootloader結構及工作流程

大多數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從目標機上的某個(gè)固態(tài)存儲設備上將操作系統加載到RAM中運行，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶(hù)的介入。

2）下載（Down loading）模式：在這種模式下，目標機的Bootloader將通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò )連接等通信手段從主機下載內核映像和根文件系統映像等，然后保存到目標機上的Flash類(lèi)固態(tài)存儲設備中。 Bootloader的這種模式通常在系統初次安裝和更新時(shí)被使用。

基于A(yíng)RM的芯片多數為復雜的片上系統(SoC)，這類(lèi)復雜系統里的多數硬件模塊都是可配置的，因此大多數Bootloader都分為stage0 和stage1兩大部分。依賴(lài)于CPU體系結構的代碼，通常都放在stage0中，在這一部分，我們直接對處理器內核和硬件控制器進(jìn)行編程，因此常常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現。而stage1則通常用C/C++語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，這樣可以實(shí)現更復雜的功能，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)閉數據Cache，跳轉到Stage1執行等。本實(shí)驗在 Bootloader中實(shí)現進(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：初始化計時(shí)器，初始化網(wǎng)絡(luò )，初始化Flash，裝載內核映像和文件系統映像，初始化命令控制臺等。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)驗基本原理