在Bootloader中實現嵌入式系統自動升級

摘要 在嵌入式系統中，對內核或文件系統進行升級，一般是將目標板連接到主機，通過JTAG口、串口或網口來完成升級過程。本文討論一種更為方便的升級方法，即在Boot1oader中通過CF存儲卡升級系統。嵌入式系統中的Bootloader通常用于引導操作系統，本文描述了如何通過增強Bootloader的功能，實現對嵌入式系統的自動升級。
關鍵詞 Bootloadcr 嵌入式系統CF存儲卡 自動升級
　　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有像PC中的BIOS那樣的固件，因此整個系統的加載過程全部是由Bootloader來完成的。系統在上電l或復位時通常都從地址Ox00000000處開始執行，而在這個地址處安排的通常就是系統的Bootloader。Bootloader的主要任務包括：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JTAG接口將Bootloader燒寫到目標板的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串口和網絡下載并燒寫到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，一方面必須將目標板和主機通過串口線和網線相連接，另一方面通過串口或網絡下載映像文件，速度很慢。本實驗通過擴充Bootloader功能，實現了通過CF存儲卡對內核或文件系統映像文件的自動升級，對需要經常為內核或文件系統升級的嵌入式系統來說，克服了傳統升級方法的局限，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Bootloader的功能進行了擴充，加入了升級系統的功能。例如，用戶需要對目標板上的內核或文件系統進行升級，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存儲卡插入目標板的CF存儲卡插槽，重新啟動目標板即可完成升級過程。重啟時，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到目標板的F1ash中，實現升級；若無，則直接啟動目標板中的系統，如圖1所示。

　　實驗使用的開發板基于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。其中，Bootloader分區用于燒寫Bootloader，其起始地址為Ox00000000，當系統加電啟動或復位時，CPU便跳轉到這個位置開始執行指令；reserved分區為保留分區，主要用于傳遞內核啟動參數以及其他系統設置；kernel分區和root filesystem分區分別用于燒寫內核和文件系統。各分區的起始地址及大小如圖2所示。

2 實現
　　本文所討論的實現方法，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格式(本實驗主要支持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行更新。
2．1 Bootloader框架及工作流程
　　本實驗所編寫的Bootloader僅實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，匯編語言僅作了屏蔽所有中斷、初始化相關GPIO(General Purpose IO)、初始化SDRAM、拷貝Bootloader和內核到SDRAM等簡單工作，便跳轉到C程序，在C程序中實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程
　　由于是從CF存儲卡上讀取新的映像文件并實現系統更新，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卡內部被硬件設計為直接與地相連。當CF卡插入時，CDl和CD2應全為低電平，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。其中，內置的智能存儲器可以使外圍電路設計大大簡化，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卡的訪問有基于PCMCIA規范的Memory Map模式、I／O方式以及基于ATA規范的True IDE方式。這里所實現的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，通過向CF卡的寄存器寫入必要的信息實現對CF卡的控制及讀寫。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、寫命令的扇區數目；
◆扇區號寄存器(R／W)，記錄讀、寫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、校驗和尋址命令指定的柱面號；
◆驅動器／寄存器(R／W)，記錄讀、寫、校驗和尋道命令指定的驅動器號、磁頭號和尋址方式；
◆狀態寄存器(R)，反映CF卡驅動器執行命令后的狀態，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送的CF卡工作的控制命令。
從CF卡讀取數據的過程如圖4所示。

2.3 文件系統支持
　　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。本實驗所編寫的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。系統啟動時，Bootloader首先檢測CF存儲卡的文件系統類型，然后按照相應的文件系統格式查詢CF卡中的所有文件。若發現待更新的映像文件，則調用CF卡底層操作(詳見2．2節)，將映像文件讀出到SDRAM中，再從SDRAM燒寫到嵌入式開發板的Flash中，實現升級。有關文件系統的實現細節，詳見參考文獻。
3 結論
　　通過CF存儲卡對嵌入式系統的自動升級，一方面可以簡化升級過程，無需通過串口或網絡將目標板與主機相連，將文件下載升級，而只需插入CF卡，啟動系統便可以完成升級過程；另一方面，升級速度也大大提高，因為系統對CF卡的存取速度遠遠高于串口或網絡。但是，要通過CF卡實現系統升級，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。