在Bootloader中实现嵌入式系统自动升级
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。Bootloader是硬件系统加电所运行的第l段软件代码，但在嵌入式系统中一般没有像PC中的BIOS那样的固件，因此整个系统的加载过程全部是由Bootloader来完成的。系统在上电l或复位时通常都从地址Ox00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的Bootloader。Bootloader的主要任务包括：初始化最基本的硬件；将Bootloader本身拷贝到RAM中运行；将内核拷贝到RAM中并调用内核等。
通常在嵌入式系统中，首先通过JTAG接口将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，则按照上述方法重新烧写新的映像文件，直接覆盖原来的映像文件。
上述方法中，一方面必须将目标板和主机通过串口线和网线相连接，另一方面通过串口或网络下载映像文件，速度很慢。本实验通过扩充Bootloader功能，实现了通过CF存储卡对内核或文件系统映像文件的自动升级，对需要经常为内核或文件系统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 基本原理
本实验对传统Bootloader的功能进行了扩充，加入了升级系统的功能。例如，用户需要对目标板上的内核或文件系统进行升级，只需要将新的映像文件命名为指定的名称并拷贝到CF存储卡中。然后，CF存储卡插入目标板的CF存储卡插槽，重新启动目标板即可完成升级过程。重启时，系统首先运行Bootloader，Bootloader将检测CF存储卡中是否有内核或文件系统的映像文件。若有，则读取映像文件并烧写到目标板的F1ash中，实现升级；若无，则直接启动目标板中的系统，如图1所示。
实验使用的开发板基于Intel XScale处理器PXA255。PXA255具有16位的CF存储卡控制器，用于连接CF存储卡。开发板上有32 MB的Flash和64 MB的SDRAM，且Flash的起始地址映射到Ox00000000，SDRAM的起始地址映射到OxA0000000。
实验板上的InteI Strata Flash，容量为32 MB，分为Bootloader、reserved、kernel和root filesystem四个区。其中，Bootloader分区用于烧写Bootloader，其起始地址为Ox00000000，当系统加电启动或复位时，CPU便跳转到这个位置开始执行指令；reserved分区为保留分区，主要用于传递内核启动参数以及其他系统设置；kernel分区和root filesystem分区分别用于烧写内核和文件系统。各分区的起始地址及大小如图2所示。
2 实现
本文所讨论的实现方法，主要是扩充Bootloader的功能，增加对CF存储卡的支持，使系统启动时，Bootloader能对CF存储卡进行文件读取。首先，要将CF存储卡格式化成特定的文件系统格式(本实验主要支持FAT32、FATl6和EXT2三种文件系统)。然后，将待升级的映像文件(内核映像文件、文件系统映像文件或Bootloader本身的映像文件)通过主机拷贝到CF存储卡。因此，Bootloader可以榆测到需要升级的映像文件并对目标板上的相应部分进行更新。
2．1 Bootloader框架及工作流程
本实验所编写的Bootloader仅实现了最基本的硬件初始化功能、系统引导功能和系统升级功能，静态编译的二进制文件大小为38 KB。Bootloader用汇编语言和C语言实现，汇编语言仅作了屏蔽所有中断、初始化相关GPIO(General Purpose IO)、初始化SDRAM、拷贝Bootloader和内核到SDRAM等简单工作，便跳转到C程序，在C程序中实现了后续的初始化工作及系统升级。详细流程如图3所示。
2．2 对CF存储卡的支持及数据读取过程
由于是从CF存储卡上读取新的映像文件并实现系统更新，故在Bootloader中必须首先支持CF卡。CF卡本身提供了两个探测引脚(即Card Detect Pins)，用于判断CF卡是否存在。这两个引脚成为CDl和CD2，在CF卡内部被硬件设计为直接与地相连。当CF卡插入时，CDl和CD2应全为低电平，因此，在Bootloader中通过检测CDl和CD2的电平高低，可以判断CF卡是否存在。
CF卡主要由3部分组成：控制器、存储器阵列和缓冲区。其中，内置的智能存储器可以使外围电路设计大大简化，且完全符合内存卡的PCMCIA(PersonalComputer Memory Card Intemational Association)和AIA (AdvanccdTechnology Attachment)接口规范。因此，对CF卡的访问有基于PCMCIA规范的Memory Map模式、I／O方式以及基于ATA规范的True IDE方式。这里所实现的Bootloader中，CF卡工作在Truc IDE模式下，将CF卡的0E(Output Enable)引脚设置为低电平(反之，若为高电平，则CF卡将工作在PCMCIA规范的Memory Map模式或I/O模式下)。
对CF卡的True IDE工作模式设置完成后，通过向CF卡的寄存器写入必要的信息实现对CF卡的控制及读写。CF卡主要包含以下寄存器：
数据寄存器(R／W)，用于对扇区的读／写操作，主机通过该寄存器向CF卡控制器写入或从CF卡控制寄存器读出扇区缓冲区的数据；
错误寄存器(R)，控制寄存器在诊断方式或操作方式下的错误原因；
扇区数寄存器(R／W)。记录读、写命令的扇区数目；
扇区号寄存器(R／W)，记录读、写和校验命令指定的起始扇区号；
柱面号寄存器(R／W)，记录读、写、校验和寻址命令指定的柱面号；
驱动器／寄存器(R／W)，记录读、写、校验和寻道命令指定的驱动器号、磁头号和寻址方式；
状态寄存器(R)，反映CF卡驱动器执行命令后的状态，读浚寄存器要清除中断请求信号；
命令寄存器(W)，命令寄存器接收主机发送的CF卡工作的控制命令。
从CF卡读取数据的过程如图4所示。
2.3 文件系统支持
要对CF卡进行文件存取，必须将CF卡格式化成某种文件系统。本实验所编写的Bootloader主要支持3种文件系统：
FATl6、FAT32和EXT2。当需要对嵌入式系统的内核映像(映像文件名为zlmage)或根文件系统映像(映像文件名为tootfs．img)进行升级时，将待更新的映像文件按照指定的文件名拷贝到CF存储卡中。系统启动时，Bootloader首先检测CF存储卡的文件系统类型，然后按照相应的文件系统格式查询CF卡中的所有文件。若发现待更新的映像文件，则调用CF卡底层操作(详见2．2节)，将映像文件读出到SDRAM中，再从SDRAM烧写到嵌入式开发板的Flash中，实现升级。有关文件系统的实现细节，详见参考文献。
3 结论
通过CF存储卡对嵌入式系统的自动升级，一方面可以简化升级过程，无需通过串口或网络将目标板与主机相连，将文件下载升级，而只需插入CF卡，启动系统便可以完成升级过程；另一方面，升级速度也大大提高，因为系统对CF卡的存取速度远远高于串口或网络。但是，要通过CF卡实现系统升级，嵌入式板必须具有CF卡接口，因此，它并不适合所有的嵌入式系统。
通常在嵌入式系统中，首先通过JTAG接口将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，则按照上述方法重新烧写新的映像文件，直接覆盖原来的映像文件。
上述方法中，一方面必须将目标板和主机通过串口线和网线相连接，另一方面通过串口或网络下载映像文件，速度很慢。本实验通过扩充Bootloader功能，实现了通过CF存储卡对内核或文件系统映像文件的自动升级，对需要经常为内核或文件系统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 基本原理
本实验对传统Bootloader的功能进行了扩充，加入了升级系统的功能。例如，用户需要对目标板上的内核或文件系统进行升级，只需要将新的映像文件命名为指定的名称并拷贝到CF存储卡中。然后，CF存储卡插入目标板的CF存储卡插槽，重新启动目标板即可完成升级过程。重启时，系统首先运行Bootloader，Bootloader将检测CF存储卡中是否有内核或文件系统的映像文件。若有，则读取映像文件并烧写到目标板的F1ash中，实现升级；若无，则直接启动目标板中的系统，如图1所示。
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实验使用的开发板基于Intel XScale处理器PXA255。PXA255具有16位的CF存储卡控制器，用于连接CF存储卡。开发板上有32 MB的Flash和64 MB的SDRAM，且Flash的起始地址映射到Ox00000000，SDRAM的起始地址映射到OxA0000000。
实验板上的InteI Strata Flash，容量为32 MB，分为Bootloader、reserved、kernel和root filesystem四个区。其中，Bootloader分区用于烧写Bootloader，其起始地址为Ox00000000，当系统加电启动或复位时，CPU便跳转到这个位置开始执行指令；reserved分区为保留分区，主要用于传递内核启动参数以及其他系统设置；kernel分区和root filesystem分区分别用于烧写内核和文件系统。各分区的起始地址及大小如图2所示。
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2 实现
本文所讨论的实现方法，主要是扩充Bootloader的功能，增加对CF存储卡的支持，使系统启动时，Bootloader能对CF存储卡进行文件读取。首先，要将CF存储卡格式化成特定的文件系统格式(本实验主要支持FAT32、FATl6和EXT2三种文件系统)。然后，将待升级的映像文件(内核映像文件、文件系统映像文件或Bootloader本身的映像文件)通过主机拷贝到CF存储卡。因此，Bootloader可以榆测到需要升级的映像文件并对目标板上的相应部分进行更新。
2．1 Bootloader框架及工作流程
本实验所编写的Bootloader仅实现了最基本的硬件初始化功能、系统引导功能和系统升级功能，静态编译的二进制文件大小为38 KB。Bootloader用汇编语言和C语言实现，汇编语言仅作了屏蔽所有中断、初始化相关GPIO(General Purpose IO)、初始化SDRAM、拷贝Bootloader和内核到SDRAM等简单工作，便跳转到C程序，在C程序中实现了后续的初始化工作及系统升级。详细流程如图3所示。
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2．2 对CF存储卡的支持及数据读取过程
由于是从CF存储卡上读取新的映像文件并实现系统更新，故在Bootloader中必须首先支持CF卡。CF卡本身提供了两个探测引脚(即Card Detect Pins)，用于判断CF卡是否存在。这两个引脚成为CDl和CD2，在CF卡内部被硬件设计为直接与地相连。当CF卡插入时，CDl和CD2应全为低电平，因此，在Bootloader中通过检测CDl和CD2的电平高低，可以判断CF卡是否存在。
CF卡主要由3部分组成：控制器、存储器阵列和缓冲区。其中，内置的智能存储器可以使外围电路设计大大简化，且完全符合内存卡的PCMCIA(PersonalComputer Memory Card Intemational Association)和AIA (AdvanccdTechnology Attachment)接口规范。因此，对CF卡的访问有基于PCMCIA规范的Memory Map模式、I／O方式以及基于ATA规范的True IDE方式。这里所实现的Bootloader中，CF卡工作在Truc IDE模式下，将CF卡的0E(Output Enable)引脚设置为低电平(反之，若为高电平，则CF卡将工作在PCMCIA规范的Memory Map模式或I/O模式下)。
对CF卡的True IDE工作模式设置完成后，通过向CF卡的寄存器写入必要的信息实现对CF卡的控制及读写。CF卡主要包含以下寄存器：
数据寄存器(R／W)，用于对扇区的读／写操作，主机通过该寄存器向CF卡控制器写入或从CF卡控制寄存器读出扇区缓冲区的数据；
错误寄存器(R)，控制寄存器在诊断方式或操作方式下的错误原因；
扇区数寄存器(R／W)。记录读、写命令的扇区数目；
扇区号寄存器(R／W)，记录读、写和校验命令指定的起始扇区号；
柱面号寄存器(R／W)，记录读、写、校验和寻址命令指定的柱面号；
驱动器／寄存器(R／W)，记录读、写、校验和寻道命令指定的驱动器号、磁头号和寻址方式；
状态寄存器(R)，反映CF卡驱动器执行命令后的状态，读浚寄存器要清除中断请求信号；
命令寄存器(W)，命令寄存器接收主机发送的CF卡工作的控制命令。
从CF卡读取数据的过程如图4所示。
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2.3 文件系统支持
要对CF卡进行文件存取，必须将CF卡格式化成某种文件系统。本实验所编写的Bootloader主要支持3种文件系统：
FATl6、FAT32和EXT2。当需要对嵌入式系统的内核映像(映像文件名为zlmage)或根文件系统映像(映像文件名为tootfs．img)进行升级时，将待更新的映像文件按照指定的文件名拷贝到CF存储卡中。系统启动时，Bootloader首先检测CF存储卡的文件系统类型，然后按照相应的文件系统格式查询CF卡中的所有文件。若发现待更新的映像文件，则调用CF卡底层操作(详见2．2节)，将映像文件读出到SDRAM中，再从SDRAM烧写到嵌入式开发板的Flash中，实现升级。有关文件系统的实现细节，详见参考文献。
3 结论
通过CF存储卡对嵌入式系统的自动升级，一方面可以简化升级过程，无需通过串口或网络将目标板与主机相连，将文件下载升级，而只需插入CF卡，启动系统便可以完成升级过程；另一方面，升级速度也大大提高，因为系统对CF卡的存取速度远远高于串口或网络。但是，要通过CF卡实现系统升级，嵌入式板必须具有CF卡接口，因此，它并不适合所有的嵌入式系统。