基于Bootloader的嵌入式軟件通用更新機制

孫立新

（中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢 618307）

0 引言

在嵌入式系統(tǒng)的使用過程中，或者在軟件開發(fā)過程中，系統(tǒng)軟件可能經(jīng)常被損壞。開發(fā)人員需要能方便地把嵌入式操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序下載到特定的硬件平臺。目前，通常的做法有：

1）使用專用的仿真器。由于不同的硬件平臺都需要不同的仿真器，比如ARM，MIPS等，所以這種方法不僅昂貴，而且也不通用方便。

2）在Bootloader中增加下載的功能。當采用嵌入式Linux、Windows CE等較為復雜的操作系統(tǒng)時，一般需要設(shè)計一個獨立的Bootloader程序，對系統(tǒng)進行初始化并引導嵌入式操作系統(tǒng)。但由于不同硬件平臺的差異，會造成軟件開發(fā)和移植困難，如果還要實現(xiàn)從U盤或者SD卡上更新目標文件，難度就更大。

所以，筆者針對這兩種方法的不便，提出了一種通用的更新機制——基于Bootloader的雙系統(tǒng)更新機制。該更新機制是指在嵌入式系統(tǒng)中包含了兩個操作系統(tǒng)的映像，一個用于正常工作，而另一個用作軟件更新或者存儲器分區(qū)管理等。

1 基礎(chǔ)知識

1.1 嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)

嵌入式軟件平臺由以下幾部分組成：Bootloader、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核（kernel）和文件系統(tǒng)（file system）。其中文件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)軟件平臺占用存儲量最大的一部分，也是與用戶開發(fā)最相關(guān)的一部分。它存儲了系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)程序、用戶應(yīng)用程序等。文件系統(tǒng)包括根文件系統(tǒng)映像（例如ramdisk.image.Gz）以及其他類型的文件系統(tǒng)（例如jffs2、cramfs等）[1-2]，如圖1所示。

1.2 Bootloader

Bootloader是嵌入式軟件中研究較多的領(lǐng)域。

1）Bootloader的開發(fā)

Bootloader的種類有U-BOOT，BLOB和RedBoot等，基本都支持SCC/FEC以太網(wǎng)、OOTP/TFTP引導、IP和MAC的預(yù)置功能[3-4]。其中U-BOOT是功能比較強大，應(yīng)用較廣泛的引導程序，本文中基于STB810的系統(tǒng)也采用U-BOOT。U-BOOT源代碼在sourceforge網(wǎng)站的社區(qū)服務(wù)器中，Internet上有一群自由開發(fā)人員對其進行維護和開發(fā)。

2）Bootloaderd的移植

Bootloader是依賴于硬件而實現(xiàn)的，每個目標板的硬件配置都不完全相同，因此Bootloader程序也都不會完全一樣。關(guān)于Bootloader的移植已有大量的研究成果[5-8]。

除此以外，還有很多成果是基于Bootloader的軟件更新機制的[9-10]。其中在參考文獻[9]中，提出建立雙Boot?loader機制實現(xiàn)從SD卡升級軟件。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

目前，嵌入式系統(tǒng)一般都具有能穩(wěn)定工作的操作系統(tǒng)，例如Linux，WinCE，uCOS，pSOS等。這些系統(tǒng)根據(jù)特定的硬件平臺做了性能優(yōu)化，并且支持的接口豐富、配置完整。所以，可以在不擴充Bootloader的情況下，通過增加一個裁減后的小系統(tǒng)來支持串口、USB、SD、網(wǎng)絡(luò)接口（http、tftp協(xié)議等）等不同方式地下載升級。這樣設(shè)計，不僅使用方便，而且減小了開發(fā)和移植的難度，提高了系統(tǒng)安全性。

具體方法描述如下：修改Bootloader，在系統(tǒng)啟動前的一段時間內(nèi)（通常為0.1～3 s）檢測特定條件(通常是串口的按鍵，或者是特殊按鍵組合)，如果沒有按鍵，正常啟動主系統(tǒng)；當有指定的鍵按下，則進入剪裁后的小系統(tǒng)，從被支持的接口讀目標文件并寫入FLASH，從而更新主系統(tǒng)。流程圖見圖2，系統(tǒng)空間分配表見表1。

表1 系統(tǒng)空間分配表

在剪裁后的小系統(tǒng)中還可以增加分區(qū)管理和格式化等命令，方便更新操作。也可以利用操作系統(tǒng)中的LCD驅(qū)動以圖形方式顯示操作頁面和操作進度提示等，使方案具有良好的人機接口。

3 基于STB810的實現(xiàn)

STB810是NXP公司的機頂盒產(chǎn)品方案，主芯片PNX8550包含有一個MI/s的CPU和兩個TriMedia的DSP處理器，已經(jīng)移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，相關(guān)驅(qū)動也已經(jīng)基本完成，比如網(wǎng)絡(luò)、USB、SD、IDE等，應(yīng)用軟件包中包含基本的應(yīng)用演示程序，比如媒體播放、GUI應(yīng)用等。系統(tǒng)中也有一個Bootloader，但該Bootloader的功能較弱。所以，在本方案中采用了U-BOOT作為替代，源代碼易于獲取。

上節(jié)已介紹了Bootloaderd的修改。本節(jié)主要介紹操作系統(tǒng)的剪裁。而剪裁后的系統(tǒng)使用gzip壓縮。

Linux中，一個完整的文件系統(tǒng)主要由/bin，/sbin，/dev，/proc，/etc這幾個必不可少的目錄和其他一些目錄組成（如：/usr，/home，/root，/boot，/lib，/mnt，/tmp，/var等）。

3.1 文件系統(tǒng)分析

為了裁剪文件系統(tǒng)，有必要了解整個文件系統(tǒng)包含的內(nèi)容及其啟動過程。

配置文件/etc/inittab中的指令進行一些初始化工作，如IDE、SCSI、NETWORK、AUDIO、設(shè)置系統(tǒng)時鐘、設(shè)置主機名等；掛載一些必要的文件系統(tǒng)：/proc，/sys，/proc/bus/usb；建立設(shè)備節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。

此外，還有動態(tài)設(shè)備進行管理，當新增加一個設(shè)備時，它會在/dev下創(chuàng)建該設(shè)備的節(jié)點，動態(tài)分配設(shè)備的主設(shè)備號、次設(shè)備號；當設(shè)備拔下來后，則會刪除以上建立的對應(yīng)東西。例如當需要從U盤更新軟件時就可以不剪裁。插入U盤，hotplug自動加載需要的模塊，udev創(chuàng)建相應(yīng)的/dev/sda1等節(jié)點，hotplug向HAL發(fā)消息，HAL收到消息后，根據(jù)配置文件，運行fstab-sync來修改fstab，創(chuàng)建/media的子目錄作為掛載點。

另外，在/opt目錄中，主要是飛利浦的一些應(yīng)用程序，如音視頻播放等。/lib目錄中，有文件系統(tǒng)的一些基本的庫和PNX8550芯片相關(guān)的一些必要模塊。在/usr目錄中，有可執(zhí)行命令、應(yīng)用程序（音視頻播放等）所需要的DirectFB庫文件，以及一些測試程序。這些程序或者庫文件在更新機制中基本不使用，可以剪裁。

3.2 文件系統(tǒng)編譯

文件系統(tǒng)中占空間比較大的主要是/bin，/sbin，/usr/bin，/usr/sbin中的一些可執(zhí)行文件、庫文件以及一些模塊。這部分通常通過Busybox來編譯，重新配置生成/bin，/sbin，/usr/bin，/usr/sbin中的可執(zhí)行文件，以減小這些可執(zhí)行文件的大小。注意，在編譯配置中不用動態(tài)模塊庫，只用靜態(tài)模塊。

文件系統(tǒng)采用initramfs，根文件系統(tǒng)（Rootfs）采用Busybox編譯成vmlinux，再用gzip壓縮，命名為tool.raw（剪裁后的小系統(tǒng)），將Bootloader映像文件命名為boot.raw，將主Linux系統(tǒng)（正常工作時使用的系統(tǒng)）命名為linux.raw，這樣Flash的空間映像見表2。

4 結(jié)論

基于Bootloader的雙系統(tǒng)更新機制是利用了一個裁

表2 STB810空間映像表

減的小系統(tǒng)，方便實現(xiàn)各種接口的軟件更新機制和存儲器分區(qū)管理功能。當主文件系統(tǒng)損壞時提供系統(tǒng)恢復能力，提高了系統(tǒng)的安全性，但又不增加成本，并可大大節(jié)省軟件開發(fā)和移植的工作量。

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