ARM的嵌入式Bootloader实现自动升级

0 引言

作为一种32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC（Reduced Instruction Set Computer）微处理器，ARM（Advanced RISC Machines）微处理器目前已经成为应用最广泛的嵌入式微处理器。和基于简单RTOS甚至没有使用任何操作系统的嵌入式程序设计相比，基于ARM- uClinux嵌入式系统的开发采用了成熟、高效、可靠、模块化、易于配置的操作系统，使程序具有良好的可移植性，博得众多嵌入式开发者的青睐[1]。嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，软件部分主要包括Bootloader、内核和文件系统。但由于Bootloader与处理器的体系结构和具体嵌入式板级设备的配置密切相关，至今没有一个完全通用的Bootloader可以直接应用于各种嵌入式系统中，因此Bootloader成为运行嵌入式 Linux系统设计的一个关键问题。

通常在嵌入式系统中，首先通过专用烧录器将Bootloader烧写到目标板的Flash中，然后在Bootloader中，将内核映像文件和文件系统映像文件通过串口和网络下载并烧写到Flash中。若需对内核或文件系统升级，则按上述方法重新烧写新的Kernel，Romfs直接覆盖原来的 Kernel，Romfs。这种方法中，一方面必须将目标板和主机通过串口线或网线相连，需到现场去升级，比较麻烦；另一方面，通过串口或网络烧写映像文件，速度很慢。本文分析Bootloader的结构和主要任务，并针对实际项目开发中用到的Sigma Designs 公司的EM8624L芯片（ARM7TDMI处理器+uClinux）扩充Bootloader功能，实现了通过CF存储卡或硬盘对内核或文件系统映像文件的自动升级。对需要经常为Kernel，Romfs升级的嵌入式系统来说，克服了传统升级方法的局限，简化了升级方法，提高了升级速度。

1 ARM-uClinux嵌入式系统硬件平台

EM8624L是Sigma Designs公司的一款采用ARM7TDMI内核的高性能的嵌入式芯片，主要用于多媒体播放，尤其支持高清片源播放的场合。该芯片的特点：主频为 166MHz和200MHz（可选），没有内存单元（MMU），16KB的数据cache和16KB的指令cache，8KB的SRAM和2KB的 ISP、2KB的DSP，外围总线接口支持SDRAM、静态存储器、Flash并且有以太网（Ethemet10/100）、USB2.0接口，2个 UART接口等等，其总体设计硬件结构如图1：

2 Bootloader分析

Bootloader是在操作系统内核运行之前运行的一段程序。通过此程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

2．1 Bootloader结构及工作流程

大多数Bootloader都包含两种不同的操作模式[2]：

1）启动加载（Boot loading）模式。即Bootloader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。

2）下载（Down loading）模式：在这种模式下，目标机的Bootloader将通过串口或网络连接等通信手段从主机下载内核映像和根文件系统映像等，然后保存到目标机上的Flash类固态存储设备中。 Bootloader的这种模式通常在系统初次安装和更新时被使用。

基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统(SoC)，这类复杂系统里的多数硬件模块都是可配置的，因此大多数Bootloader都分为stage0 和stage1两大部分。依赖于CPU体系结构的代码，通常都放在stage0中，在这一部分，我们直接对处理器内核和硬件控制器进行编程，因此常常都用汇编语言来实现。而stage1则通常用C/C++语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码具有更好的可读性和可移植性。

因此，Bootloader中stage0的主要任务如下：屏蔽所有中断，初始化相关GPIO(General Purpose IO)，初始化SDRAM，拷贝Bootloader和Kernel到SDRAM中，关闭数据Cache，跳转到Stage1执行等。本实验在 Bootloader中实现进入stage0的代码如下：
//@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的主要任务如下：初始化计时器，初始化网络，初始化Flash，装载内核映像和文件系统映像，初始化命令控制台等。进入stage1的汇编代码如下：
adr r0 , load_addr //@get stage1 entry point
ldr r9 , [r0 , #0x0c]
3 本实验基本原理

本实验对 Bootloader的功能进行了扩充，加入自动升级的功能。即：用户需要对目标板的内核或文件系统进行升级，只需要将新的映像文件拷贝到CF存储卡或移动硬盘中，然后将CF卡或移动硬盘插入目标板相应的插槽，每次重