利用SD卡實現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)的自動升級

摘要：提出了一種擴展Uboot實現(xiàn)嵌入式設備操作系統(tǒng)維護與升級的方法。該方法將待升級的內(nèi)核和文件系統(tǒng)映像放入SD卡中，當系統(tǒng)重啟時，擴展后的Uboot會自動檢測并讀取SD卡中的映像文件，再燒寫到嵌入式設備實現(xiàn)自動升級。該方法較傳統(tǒng)的通過JTAG口、串口或者網(wǎng)口連接到主機，在主機上通過手動輸入控制命令完成內(nèi)核或者文件系統(tǒng)的升級方式更為便捷高效。
關(guān)鍵詞：SD卡；Uboot；Linux；自動升級

引言
    隨著現(xiàn)代工業(yè)社會逐步向智能化社會的過度，嵌入式在現(xiàn)代經(jīng)濟生活中扮演著至關(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)在各個領(lǐng)域都有著廣泛的應用，嵌入式系統(tǒng)的維護與升級也變的日益重要。由于新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和對系統(tǒng)功能、性能等要求的不斷提高，開發(fā)者必須能夠針對系統(tǒng)進行升級和維護，以延長系統(tǒng)的使用周期，改善系統(tǒng)性能，增強系統(tǒng)適應性。
    傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)升級，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(nèi)核映像文件和文件系統(tǒng)映像文件通過串口或者網(wǎng)絡下載并燒寫到Flash。若需對內(nèi)核或文件系統(tǒng)升級，則要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。這類方法，一方面必須將嵌入式設備和主機通過串口線或者網(wǎng)線相連接；另一方面需要人工手動輸入控制命令，而且通過串口或網(wǎng)絡下載映像文件速度非常慢。
    本文針對嵌入式Linux操作系統(tǒng)提出了一種新的升級機制，即通過將映像文件拷貝到SD卡中，由擴展后的Uboot實現(xiàn)系統(tǒng)自動升級，這個方法可以有效克服傳統(tǒng)升級方法的局限，簡化系統(tǒng)升級步驟，提高升級速度。

1 工作原理
    一個嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通?？梢苑譃?個層次：Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和用戶應用程序。這4個層次中，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)加電以后運行的第一段軟件代碼。要對Bootloader升級只能通過人工手動完成，不過一般嵌入式系統(tǒng)在硬件平臺沒有變化的情況下是不需要對Bootloader進行升級的。用戶應用程序只是運行在Linux操作系統(tǒng)上的一個程序，其升級方法簡單，一般可以通過網(wǎng)絡直接進行升級。Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)的升級不像Bootloader那樣基本不需要升級，也不像應用程序那樣很容易完成升級。目前，對于Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)的升級一般都是在Bootloader中實現(xiàn)的。
    通過對Uboot的功能進行擴充，加入了系統(tǒng)升級的功能。例如，用戶需要對嵌入式設備上的Linux內(nèi)核或文件系統(tǒng)進行升級，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。如果此時系統(tǒng)處于非運行狀態(tài)，只需要重新啟動嵌入式設備即可進行升級
過程；如果系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，Linux系統(tǒng)會自動檢測SD卡是否存在相應的升級文件，存在則自動reboot，這樣也完成了系統(tǒng)的升級。
    不論系統(tǒng)是否處于運行狀態(tài)，真正的系統(tǒng)升級過程都是在Uboot中完成的。設備重啟時，首先運行Uboot，在這過程中Uboot完成系統(tǒng)初始化之后，在引導內(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當中，然后通過Uboot中的Flas h命令將內(nèi)核或者文件系統(tǒng)映像燒寫到相應的分區(qū)當中來完成升級；若無，則直接啟動系統(tǒng)，具體流程如圖1所示。

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2 關(guān)鍵技術(shù)
2．1 Uboot工作原理
    Uboot是一個由德國DENX發(fā)起的，遵循GPL條款的開源項目，支持ARM、X86、MIPS、PowerPC等處理器，可啟動Linux、VxWorks、TREMS等嵌入式操作系統(tǒng)，其提供了豐富的配置、管理以及運行命令。
    Uboot與大多數(shù)Bootloader一樣都包含兩種操作模式：
    ①啟動加載(Bootloading)模式：即Uboot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，整個過程都是自動完成的。
    ②下載(Downloading)模式：在這種模式下，目標機的Uboot將通過串口或網(wǎng)絡等通信方式將內(nèi)核或文件系統(tǒng)印象下載到RAM當中，然后再寫入相應的存儲設備中。這種工作模式通常在系統(tǒng)初次安裝和更新時使用。
    Uboot的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，它分為stage1和stage2兩大部分。stage1存放用匯編語言實現(xiàn)的依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設備初始化代碼等；stage2則通常用具有更好的可讀性和可移植性的C語言來實現(xiàn)。
    Uboot Stage1的主要功能有：
    ①硬件設備初始化；
    ②為Uboot重定位至RAM中，準備RAM空間；
    ③重定位Uboot代碼到RAM中；
    ④設置堆棧，將BSS段清零；
    ⑤跳轉(zhuǎn)到第二階段的C程序入口點。
    Uboot Stage2的主要功能有：
    ①初始化硬件設備；
    ②將內(nèi)核和文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM中；
    ③設定內(nèi)核啟動參數(shù)和調(diào)用內(nèi)核。
    通過上面這兩個階段，Uboot就完成了引導內(nèi)核啟動的任務。
2．2 Uboot擴展升級功能
    Uboot本身并不帶有系統(tǒng)升級功能，本文在Uboot現(xiàn)有的功能上做擴展，使其完成系統(tǒng)升級的功能，將新的內(nèi)核或者文件系統(tǒng)映像燒寫到Flash的相應分區(qū)中。本文的實驗對象是Samsung公司的S3C2440微處理器，該設備上有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。設備上的Uboot將256 MBNAND Flash分為Bootloader、Bootloader參數(shù)、ker nel和rootfs四個區(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)，在我們的設備上使用的文件系統(tǒng)是Yaffs2。這4個分區(qū)的起始地址和大小如表1所列。

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    升級功能的擴展主要在Uboot的第二階段完成，在Uboot完成外圍硬件設備初始化之后，檢測是否有SD卡插入，如果有，再檢測SD卡中是否有相應的內(nèi)核或者文件系統(tǒng)映像。如果有相應的映像文件，就進行升級工作，升級完成后再啟動新的系統(tǒng)。系統(tǒng)升級核心工作可以分為兩步，第一步是將相應的映像文件讀取到SDRAM當中；第二步則將SDRAM中的映像寫入到相應Flash分區(qū)當中，詳細流程如圖2所示。

2．3 具體實現(xiàn)
    通過上面的分析可以看出，擴展一個支持SD自動升級功能的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，通過使用Uboot當中提供的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，實現(xiàn)代碼如下：
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    (2)判斷SD卡中是否有內(nèi)核映像文件
    如果存在，則將其燒寫到Flash相應的分區(qū)當中。實現(xiàn)這個功能需要使用到Uboot中的run_command函數(shù)，由于kernel的映像文件一般不會超過5 MB，所以在燒寫kernel的時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，并且此時的內(nèi)核映像已經(jīng)存在于SDRAM當中，可以直接通過命令燒寫到Flash相應的分區(qū)當中。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，則寫入到相應的Flash分區(qū)當中。本實驗設備上使用的文件系統(tǒng)是Yaffs2，通過Uboot命令燒寫Yaffs2文件系統(tǒng)的時候，必須要知道它的實際大小。由于升級很可能導致文件系統(tǒng)大小的變化，所以這里必須將讀取到SDRAM當中的文件大小記錄下來，這個工作在Uboot中已經(jīng)完成，我們只需要通過getenv(filesize)就可以獲得載入SDRAM當中的文件大小，其他的步驟和燒寫內(nèi)核映像是一樣的。具體代碼如下：
   
    經(jīng)過上面3個步驟修改的Uboot程序可支持SD卡自動升級的功能，需要注意這段代碼應該放在Uboot自動加載系統(tǒng)之前，推薦將這些代碼放在main_loop函數(shù)中。

結(jié)語
    本文通過定制擴展Uboot實現(xiàn)了用SD卡方式進行嵌入式設備操作系統(tǒng)的自動升級，這種方式不但克服了傳統(tǒng)升級方式的局限性，而且具有一定商業(yè)價值。目前，該方法經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)運行正常。顯然，要通過SD卡實現(xiàn)系統(tǒng)升級，需要嵌入式設備具有SD卡接口，因此，它并不適合所有的嵌入式系統(tǒng)，但是這種實現(xiàn)機制可供借鑒。