用SD卡方式進(jìn)行嵌入式設(shè)備操作系統(tǒng)的自動(dòng)升級(jí)的實(shí)現(xiàn)

本文提出了一種擴(kuò)展Uboot實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備操作系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的方法。該方法將待升級(jí)的內(nèi)核和文件系統(tǒng)映像放入SD卡中，當(dāng)系統(tǒng)重啟時(shí)，擴(kuò)展后的Uboot會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并讀取SD卡中的映像文件，再燒寫(xiě)到嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升級(jí)。該方法較傳統(tǒng)的通過(guò)JTAG口、串口或者網(wǎng)口連接到主機(jī)，在主機(jī)上通過(guò)手動(dòng)輸入控制命令完成內(nèi)核或者文件系統(tǒng)的升級(jí)方式更為便捷高效。

隨著現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)逐步向智能化社會(huì)的過(guò)度，嵌入式在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)生活中扮演著至關(guān)重要的角色。32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC(Reduced InstructionSet Computer)微處理器——ARM(Advanced RISC Machines)已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的嵌入式微處理器。
目前，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)也變的日益重要。由于新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和對(duì)系統(tǒng)功能、性能等要求的不斷提高，開(kāi)發(fā)者必須能夠針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)，以延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用周期，改善系統(tǒng)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性。
傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)升級(jí)，首先通過(guò)JTAG接口將Bootloader燒寫(xiě)到目標(biāo)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(guò)串口或者網(wǎng)絡(luò)下載并燒寫(xiě)到Flash。若需對(duì)內(nèi)核或文件系統(tǒng)升級(jí)，則要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。這類方法，一方面必須將嵌入式設(shè)備和主機(jī)通過(guò)串口線或者網(wǎng)線相連接；另一方面需要人工手動(dòng)輸入控制命令，而且通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)下載映像文件速度非常慢。
本文針對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)提出了一種新的升級(jí)機(jī)制，即通過(guò)將映像文件拷貝到SD卡中，由擴(kuò)展后的Uboot實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)升級(jí)，這個(gè)方法可以有效克服傳統(tǒng)升級(jí)方法的局限，簡(jiǎn)化系統(tǒng)升級(jí)步驟，提高升級(jí)速度。

1 工作原理
一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通常可以分為4個(gè)層次：Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序。這4個(gè)層次中，Boot loader一般是按照嵌入式系統(tǒng)的硬件配置定制的，是嵌入式系統(tǒng)加電以后運(yùn)行的第一段軟件代碼。要對(duì)Bootloader升級(jí)只能通過(guò)人工手動(dòng)完成，不過(guò)一般嵌入式系統(tǒng)在硬件平臺(tái)沒(méi)有變化的情況下是不需要對(duì)Bootloader進(jìn)行升級(jí)的。用戶應(yīng)用程序只是運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)上的一個(gè)程序，其升級(jí)方法簡(jiǎn)單，一般可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行升級(jí)。Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)的升級(jí)不像Bootloader那樣基本不需要升級(jí)，也不像應(yīng)用程序那樣很容易完成升級(jí)。目前，對(duì)于Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)的升級(jí)一般都是在Bootloader中實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)對(duì)Uboot的功能進(jìn)行擴(kuò)充，加入了系統(tǒng)升級(jí)的功能。例如，用戶需要對(duì)嵌入式設(shè)備上的Linux內(nèi)核或文件系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，只需要將新的Linux內(nèi)核或文件系統(tǒng)映像，命名為指定的名稱拷貝到SD卡中。如果此時(shí)系統(tǒng)處于非運(yùn)行狀態(tài)，只需要重新啟動(dòng)嵌入式設(shè)備即可進(jìn)行升級(jí)
過(guò)程；如果系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，Linux系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)SD卡是否存在相應(yīng)的升級(jí)文件，存在則自動(dòng)reboot，這樣也完成了系統(tǒng)的升級(jí)。
不論系統(tǒng)是否處于運(yùn)行狀態(tài)，真正的系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程都是在Uboot中完成的。設(shè)備重啟時(shí)，首先運(yùn)行Uboot，在這過(guò)程中Uboot完成系統(tǒng)初始化之后，在引導(dǎo)內(nèi)核之前先檢查SD卡中是否有Linux內(nèi)核或文件系統(tǒng)映像文件。若有，則讀取映像文件到SDRAM當(dāng)中，然后通過(guò)Uboot中的Flas h命令將內(nèi)核或者文件系統(tǒng)映像燒寫(xiě)到相應(yīng)的分區(qū)當(dāng)中來(lái)完成升級(jí)；若無(wú)，則直接啟動(dòng)系統(tǒng)，具體流程如圖1所示。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)

　　2．1 Uboot工作原理

　　Uboot是一個(gè)由德國(guó)DENX發(fā)起的，遵循GPL條款的開(kāi)源項(xiàng)目，支持ARM、X86、MIPS、PowerPC等處理器，可啟動(dòng)Linux、VxWorks、TREMS等嵌入式操作系統(tǒng)，其提供了豐富的配置、管理以及運(yùn)行命令。

　　Uboot與大多數(shù)Bootloader一樣都包含兩種操作模式：

　?、賳?dòng)加載(Bootloading)模式：即Uboot從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程都是自動(dòng)完成的。

　?、谙螺d(Downloading)模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)的Uboot將通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)等通信方式將內(nèi)核或文件系統(tǒng)印象下載到RAM當(dāng)中，然后再寫(xiě)入相應(yīng)的存儲(chǔ)設(shè)備中。這種工作模式通常在系統(tǒng)初次安裝和更新時(shí)使用。

　　Uboot的實(shí)現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，它分為stage1和stage2兩大部分。stage1存放用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等；stage2則通常用具有更好的可讀性和可移植性的C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　Uboot Stage1的主要功能有：

　?、儆布O(shè)備初始化；

　　②為Uboot重定位至RAM中，準(zhǔn)備RAM空間；

　?、壑囟ㄎ籙boot代碼到RAM中；

　?、茉O(shè)置堆棧，將BSS段清零；

　?、萏D(zhuǎn)到第二階段的C程序入口點(diǎn)。

　　Uboot Stage2的主要功能有：

　?、俪跏蓟布O(shè)備；

　?、趯?nèi)核和文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM中；

　?、墼O(shè)定內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)和調(diào)用內(nèi)核。

　　通過(guò)上面這兩個(gè)階段，Uboot就完成了引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)的任務(wù)。

　　2．2 Uboot擴(kuò)展升級(jí)功能

　　Uboot本身并不帶有系統(tǒng)升級(jí)功能，本文在Uboot現(xiàn)有的功能上做擴(kuò)展，使其完成系統(tǒng)升級(jí)的功能，將新的內(nèi)核或者文件系統(tǒng)映像燒寫(xiě)到Flash的相應(yīng)分區(qū)中。本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是Samsung公司的S3C2440微處理器，該設(shè)備上有64 MB的SDARM和256 MB的NAND Flash，NAND Flash的起始地址映射到0x00000000，SDRAM的起始地址映射到0x30000000。設(shè)備上的Uboot將256 MBNAND Flash分為Bootloader、Bootloader參數(shù)、ker nel和rootfs四個(gè)區(qū)。其中，Bootloader分區(qū)是用于存放Uboot映像，它的起始地址為NAND Flash的起始地址0x00000000；Bootloader參數(shù)區(qū)是用于存放Uboot的參數(shù)；kernel區(qū)用于存放Linux內(nèi)核；rootfs區(qū)用于存放文件系統(tǒng)，在我們的設(shè)備上使用的文件系統(tǒng)是Yaffs2。這4個(gè)分區(qū)的起始地址和大小如表1所列。

　　升級(jí)功能的擴(kuò)展主要在Uboot的第二階段完成，在Uboot完成外圍硬件設(shè)備初始化之后，檢測(cè)是否有SD卡插入，如果有，再檢測(cè)SD卡中是否有相應(yīng)的內(nèi)核或者文件系統(tǒng)映像。如果有相應(yīng)的映像文件，就進(jìn)行升級(jí)工作，升級(jí)完成后再啟動(dòng)新的系統(tǒng)。系統(tǒng)升級(jí)核心工作可以分為兩步，第一步是將相應(yīng)的映像文件讀取到SDRAM當(dāng)中；第二步則將SDRAM中的映像寫(xiě)入到相應(yīng)Flash分區(qū)當(dāng)中，詳細(xì)流程如圖2所示。

　　2．3 具體實(shí)現(xiàn)

　　通過(guò)上面的分析可以看出，擴(kuò)展一個(gè)支持SD自動(dòng)升級(jí)功能的Uboot需要完成如下步驟。

　　(1)判斷是否存在SD卡

　　判斷SD卡是否存在，通過(guò)使用Uboot當(dāng)中提供的find_mmc_devICe函數(shù)，這里只要判斷該函數(shù)的返回值即可知道SD卡是否存在，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

(2)判斷SD卡中是否有內(nèi)核映像文件
如果存在，則將其燒寫(xiě)到Flash相應(yīng)的分區(qū)當(dāng)中。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要使用到Uboot中的run_command函數(shù)，由于kernel的映像文件一般不會(huì)超過(guò)5 MB，所以在燒寫(xiě)kernel的時(shí)候不需要檢查映像文件的大小。檢查內(nèi)核映像文件是否存在也是通過(guò)執(zhí)行命令的方式，如果存在，那么Env環(huán)境變量fileexist的值就是YES，并且此時(shí)的內(nèi)核映像已經(jīng)存在于SDRAM當(dāng)中，可以直接通過(guò)命令燒寫(xiě)到Flash相應(yīng)的分區(qū)當(dāng)中。具體的代碼如下：

(3)判斷SD卡中是否有文件系統(tǒng)映像文件
如果存在，則寫(xiě)入到相應(yīng)的Flash分區(qū)當(dāng)中。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備上使用的文件系統(tǒng)是Yaffs2，通過(guò)Uboot命令燒寫(xiě)Yaffs2文件系統(tǒng)的時(shí)候，必須要知道它的實(shí)際大小。由于升級(jí)很可能導(dǎo)致文件系統(tǒng)大小的變化，所以這里必須將讀取到SDRAM當(dāng)中的文件大小記錄下來(lái)，這個(gè)工作在Uboot中已經(jīng)完成，我們只需要通過(guò)getenv(filesize)就可以獲得載入SDRAM當(dāng)中的文件大小，其他的步驟和燒寫(xiě)內(nèi)核映像是一樣的。具體代碼如下：

經(jīng)過(guò)上面3個(gè)步驟修改的Uboot程序可支持SD卡自動(dòng)升級(jí)的功能，需要注意這段代碼應(yīng)該放在Uboot自動(dòng)加載系統(tǒng)之前，推薦將這些代碼放在main_loop函數(shù)中。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)定制擴(kuò)展Uboot實(shí)現(xiàn)了用SD卡方式進(jìn)行嵌入式設(shè)備操作系統(tǒng)的自動(dòng)升級(jí)，這種方式不但克服了傳統(tǒng)升級(jí)方式的局限性，而且具有一定商業(yè)價(jià)值。目前，該方法經(jīng)過(guò)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常。顯然，要通過(guò)SD卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)，需要嵌入式設(shè)備具有SD卡接口，因此，它并不適合所有的嵌入式系統(tǒng)，但是這種實(shí)現(xiàn)機(jī)制可供借鑒。