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。

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，將內核映像文件和文件系統(tǒng)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(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線相連，需到現場去升級，比較麻煩；另一方面，通過串口或網絡燒寫映像文件，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，實現了通過CF存儲卡或硬盤對內核或文件系統(tǒng)映像文件的自動升級。對需要經常為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。

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，外圍總線接口支持SDRAM、靜態(tài)存儲器、Flash并且有以太網（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、建立內存空間的映射圖，以便為最終調用操作系統(tǒng)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將通過串口或網絡連接等通信手段從主機下載內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。

基于ARM的芯片多數為復雜的片上系統(tǒng)(SoC)，這類復雜系統(tǒng)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行編程，因此常常都用匯編語言來實現。而stage1則通常用C/C++語言來實現，這樣可以實現更復雜的功能，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，關閉數據Cache，跳轉到Stage1執(zhí)行等。本實驗在 Bootloader中實現進入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
Stage1的主要任務如下：初始化計時器，初始化網絡，初始化Flash，裝載內核映像和文件系統(tǒng)映像，初始化命令控制臺等。進入stage1的匯編代碼如下：
adr r0 , load_addr         //@get stage1 entry point
ldr r9 , [r0 , #0x0c]
3 本實驗基本原理

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本實驗對 Bootloader的功能進行了擴充，加入自動升級的功能。即：用戶需要對目標板的內核或文件系統(tǒng)進行升級，只需要將新的映像文件拷貝到CF存儲卡或移動硬盤中，然后將CF卡或移動硬盤插入目標板相應的插槽，每次重啟目標板時，先啟動Bootloader，初始化硬件環(huán)境后，在應用程序運行前，判斷是否存在要升級的文件，如果存在則先把Flash指定的位置的內容擦除掉，然后再把要升級的內核或文件系統(tǒng)的映像文件寫進相應的位置，寫完后立即刪除CF存儲卡或移動硬盤上的升級文件，即完成升級。如圖2

項目開發(fā)板上有一塊8M Byte的Flash和二塊32M Bit的DDR SDRAM。Flash的起始地址映射到0x00000000，其布局如下[7]：    

如圖所示，在虛擬地址位置0x00030000（實際物理地址為0x46030000）擦除和重寫內核與文件系統(tǒng)映像文件。要對CF卡或移動硬盤進行文件存取，必須將CF卡或移動硬盤格式化成某種文件系統(tǒng)。本實驗所編寫的Bootloader主要支持3種文件系統(tǒng)：FAT16，FAT32，EXT2。系統(tǒng)啟動時，Bootloader首先檢測CF卡或移動硬盤的文件系統(tǒng)類型，然后按照相應的文件系統(tǒng)格式查詢CF 卡或移動硬盤的所有文件。若發(fā)現有更新的映像文件，則讀CF卡的操作，CF卡的驅動見文獻[3]，將映像文件讀到SDRAM中，再從SDRAM燒寫到嵌入式開發(fā)版的Flash中，實現升級。

生成內核和文件系統(tǒng)步驟如下：

1）進入linux的armutils_2.5.127.0目錄下執(zhí)行make linux-config，裁剪uClinux的配置；
2）make linux   生成kernel-2.4.22-dtv-EM8624L-romfs.bin ，這是uClinux的內核；
3）make rootfs   生成rootfs-dtv-EM8624L-romfs.ext2，這是root文件系統(tǒng)；
4）make romfs   生成romfs-dtv-EM8624L-romfs.bin.gz，這是rom文件系統(tǒng)。

Bootloader在系統(tǒng)初次安裝或傳統(tǒng)升級時燒寫內核和文件系統(tǒng)時用Sigma Designs 公司提供的tera term軟件燒寫，步驟為：
1） cd  ../armutils_2.5.80.0/bin
2) uuencode romfs-config-envision8624L-romfs-rom.bin.gz x > romfs-config-envision8624L-romfs-rom.bin.gz.uuencode   //生成uuencode編碼的文件（為ascii碼，用于在windows環(huán)境下燒入flash）；
3） 運行tera term出現boot >
4）運行config serial fast，然后選菜單setupàserial port，設置baud rate為115200(串口波特率)；
5）在Boot>download serial romfs gz ，準備接受文件；
6）選菜單file-->send file,選中romfs-config-envision8620L-romfs-rom.bin.gz.uuencode,確定后,你會看到tera term下載文件；
7). Boot> flash romfs,把文件燒到flash中；

在本實驗中，升級時將生成的內核和文件系統(tǒng)映像文件直接以二進制形式燒進去，不需要用uuencode轉，即：把romfs-dtv-EM8624L-romfs.bin放在CF卡或移動硬盤相應的文件中進行升級即可。實現的偽代碼為：
#define FLASH_SIZE 0X8000000
#define LOADER_FLASHBASE 0X46030000         //romfs存放的起始物理地址
if (fp = fopen(UPDATEFILE  ,  ”rb”)) == NULL)return;www.51kaifa.com
else
{
Flash_erase_region(LOADER_FLASHBASE , romfs_len);  //刪除0x46030000開始的romfs_len長度的flash區(qū)域;
Flash_write_data(LOADER_FLASHBASE ,UPDATEFILE, romfs_len); //把要升級的romfs燒寫0x46030000開始的romfs_len長度的flash區(qū)域中;
}
remove(UPDATEFILE);    //升級完后刪除CF卡或移動硬盤的升級文件，以免下次啟動又要開始升級;
system("reboot");   //重啟新系統(tǒng)

上述函數調用放在Bootloader的stage1中執(zhí)行。

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4  結論

本文分析了嵌入式系統(tǒng)的Bootloader的實現過程，并提出了通過CF卡或移動硬盤實現嵌入式系統(tǒng)的自動升級，一方面簡化了升級過程，不需要通過串口將目標板與主機相連來實現系統(tǒng)升級，而只需插入CF卡或移動硬盤就可以完成自動升級，尤其對支持網絡功能的嵌入式設備來說，只需遠程地把要升級的文件通過網絡拷貝到CF卡或硬盤中指定的目錄下即可，不需要帶著主機到現場去升級；另一方面，升級速度也大大提高，因為系統(tǒng)對CF卡或移動硬盤的存取速度遠遠高于串口。

本文作者創(chuàng)新點是:通過CF存儲卡或移動硬盤在嵌入式系統(tǒng)的Bootloader中實現自動升級。經過調試，系統(tǒng)運行正常，達到自動升級的目的，具有一定的商業(yè)價值和社會價值，同時，對同類的嵌入式系統(tǒng)的產品開發(fā)具有一定的借鑒意義。
參考文獻：
[1]王建，許毅平，周曼麗. ARM7嵌入式系統(tǒng)中Bootloader分析與設計[J]. 微計算機信息，2006，5-2
[2] 詹榮開 . 嵌入式系統(tǒng)Bootloader技術內幕
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-btloader/index.html
[3] 張治斌，喬應旭 .  SST89C54與CF卡的接口設計與實現
http://www.chinaecnet.com/xsj06/xsj064331.aspwww.51kaifa.com
[4]Raj Kamal . Embedded Systems Architecture , Programming and Design 清華大學出版社
[5] 單承剛，戴學豐，劉樹東，崔登志 .基于ARM的嵌入式 BootLoader設計與啟動過程 . 微計算機信息2006，32期
[6]周立功等 . ARM微控制器基礎與實踐[M] . 北京：北京航空航天大學出版社 . 2003