基于ARM的嵌入式Bootloader實現(xiàn)自動升級

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。和基于簡單RTOS甚至沒有使用任何操作系統(tǒng)的嵌入式程序設計相比，基于ARM- uClinux嵌入式系統(tǒng)的開發(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與處理器的體系結構和具體嵌入式板級設備的配置密切相關，至今沒有一個完全通用的Bootloader可以直接應用于各種嵌入式系統(tǒng)中，因此Bootloader成為運行嵌入式 Linux系統(tǒng)設計的一個關鍵問題。www.51kaifa.com

通常在嵌入式系統(tǒng)中，首先通過專用燒錄器將Bootloader燒寫到目標板的Flash中，然后在Bootloader中，將內(nèi)核映像文件和文件系統(tǒng)映像文件通過串口和網(wǎng)絡下載并燒寫到Flash中。若需對內(nèi)核或文件系統(tǒng)升級，則按上述方法重新燒寫新的Kernel，Romfs直接覆蓋原來的 Kernel，Romfs。這種方法中，一方面必須將目標板和主機通過串口線或網(wǎng)線相連，需到現(xiàn)場去升級，比較麻煩；另一方面，通過串口或網(wǎng)絡燒寫映像文件，速度很慢。本文分析Bootloader的結構和主要任務，并針對實際項目開發(fā)中用到的Sigma Designs 公司的EM8624L芯片（ARM7TDMI處理器+uClinux）擴充Bootloader功能，實現(xiàn)了通過CF存儲卡或硬盤對內(nèi)核或文件系統(tǒng)映像文件的自動升級。對需要經(jīng)常為Kernel，Romfs升級的嵌入式系統(tǒng)來說，克服了傳統(tǒng)升級方法的局限，簡化了升級方法，提高了升級速度。www.51kaifa.com

1 ARM-uClinux嵌入式系統(tǒng)硬件平臺

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合。該芯片的特點：主頻為 166MHz和200MHz（可選），沒有內(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)存儲器、Flash并且有以太網(wǎng)（Ethemet10/100）、USB2.0接口，2個 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(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段程序。通過此程序，可以初始化硬件設備、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)核準備好正確的環(huán)境。

2．1 Bootloader結構及工作流程

大多數(shù)Bootloader都包含兩種不同的操作模式[2]：

1）啟動加載（Boot loading）模式。即Bootloader從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶的介入。

2）下載（Down loading）模式：在這種模式下，目標機的Bootloader將通過串口或網(wǎng)絡連接等通信手段從主機下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等，然后保存到目標機上的Flash類固態(tài)存儲設備中。 Bootloader的這種模式通常在系統(tǒng)初次安裝和更新時被使用。www.51kaifa.com

基于ARM的芯片多數(shù)為復雜的片上系統(tǒng)(SoC)，這類復雜系統(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(nèi)核和硬件控制器進行編程，因此常常都用匯編語言來實現(xiàn)。而stage1則通常用C/C++語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)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的主要任務如下：屏蔽所有中斷，初始化相關GPIO(General Purpose IO)，初始化SDRAM，拷貝Bootloader和Kernel到SDRAM中，關閉數(shù)據(jù)Cache，跳轉到Stage1執(zhí)行等。本實驗在 Bootloader中實現(xiàn)進入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