基于ARM的嵌入式Bootloader實現自動升級

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的嵌入式程序設計相比，基于ARM- uClinux嵌入式系統的開發采用了成熟、高效、可靠、模塊化、易于配置的操作系統，使程序具有良好的可移植性，博得眾多嵌入式開發者的青睞[1]。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。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中，因此Bootloader成為運行嵌入式 Linux系統設計的一個關鍵問題。www.51kaifa.com

通常在嵌入式系統中，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。www.51kaifa.com

1 ARM-uClinux嵌入式系統硬件平臺

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內核準備好正確的環境。

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存儲設備上將操作系統加載到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映像等，然后保存到目標機上的Flash類固態存儲設備中。 Bootloader的這種模式通常在系統初次安裝和更新時被使用。www.51kaifa.com

基于ARM的芯片多數為復雜的片上系統(SoC)，這類復雜系統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