利用NAND Flash實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程更新

高文玉

（電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都611731）

高文玉（碩士研究生），主要研究領(lǐng)域?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

引 言

嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的維護(hù)與升級也變得日益重要。由于新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和對系統(tǒng)功能、性能等要求的不斷提高，開發(fā)者必須能夠針對系統(tǒng)進(jìn)行升級和維護(hù)，以延長系統(tǒng)的使用周期，改善系統(tǒng)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性［1］。

傳統(tǒng)的嵌入式升級方式通常由維護(hù)人員到達(dá)設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行重新燒寫系統(tǒng)或者更換Flash存儲(chǔ)部件，當(dāng)設(shè)備數(shù)量龐大并且分布范圍廣泛時(shí)，這種升級維護(hù)方式的工作量將非常大，而且耗費(fèi)的時(shí)間長、成本高［2］。隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級技術(shù)得到了快速發(fā)展。參考文獻(xiàn)［3］提出了一種基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程在線升級，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對ARM嵌入式終端的系統(tǒng)軟件進(jìn)行在線升級。這種方法的不足在于無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本身的遠(yuǎn)程升級。參考文獻(xiàn)［4］實(shí)現(xiàn)了一種在Bootloader中實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)自動(dòng)升級的方法，這種方法是將映像文件存儲(chǔ)在CF卡中，系統(tǒng)重啟時(shí)Bootloader將檢測CF卡中的映像文件，讀取映像文件并燒寫到目標(biāo)板的Flash中，實(shí)現(xiàn)升級。如果終端的數(shù)量較大且分布廣泛，采用這種方法會(huì)增加很大的工作量。

本文針對嵌入式Linux操作系統(tǒng)提出了一種新的更新機(jī)制，并且基于ARM9微處理器和NAND Flash存儲(chǔ)器，對uboot和Linux內(nèi)核進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了對嵌入式Linux系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)更新?？朔藗鹘y(tǒng)方法工作量大的缺點(diǎn)，具有操作簡單、更新速度快的特點(diǎn)。

1 基本原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

支持遠(yuǎn)程自動(dòng)更新的嵌入式Linux系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，它可以分為嵌入式終端和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，嵌入式終端采用基于ARM9架構(gòu)的AT91RM9200微處理器，采用擴(kuò)展的32MB SDRAM，由2片16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM芯片HY57V281620并連而成，采用64MB NAND Flash存儲(chǔ)芯片K9F1208，運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)。遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)選用PC機(jī)。嵌入式終端通過以太網(wǎng)連接到遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，管理人員可以通過telnet即可對各個(gè)嵌入式終端進(jìn)行監(jiān)控、管理和遠(yuǎn)程更新。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)更新流程

本設(shè)計(jì)對uboot和Linux內(nèi)核進(jìn)行改造，使其支持YAFFS2文件系統(tǒng)，對系統(tǒng)添加ftp、telnet等應(yīng)用服務(wù)。系統(tǒng)更新流程如圖2所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)管理人員可以通過telnet遠(yuǎn)程登錄到嵌入式終端進(jìn)行監(jiān)控和管理。當(dāng)需要對系統(tǒng)進(jìn)行更新時(shí)，通過遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的ftp客戶端登錄到嵌入式終端，將需要更新的內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)上傳到NAND Flash。上傳完畢后對原有的內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)進(jìn)行備份并重啟系統(tǒng)。系統(tǒng)重啟后uboot將NAND Flash中更新后的內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)搬運(yùn)到SDRAM中，然后跳轉(zhuǎn)到SDRAM中啟動(dòng)Linux系統(tǒng)，掛載YAFFS2文件系統(tǒng)，啟動(dòng)各種應(yīng)用服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)更新流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 uboot支持YAFFS2文件系統(tǒng)

YAFFS2是專門針對嵌入式設(shè)備，特別是使用NAND Flash作為存儲(chǔ)器的嵌入式設(shè)備而創(chuàng)建的一種文件系統(tǒng)。對uboot進(jìn)行修改，使其支持YAFFS2文件系統(tǒng)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)燒寫到NAND Flash，同時(shí)也能夠在NAND Flash中引導(dǎo)啟動(dòng)系統(tǒng)。NAND Flash的分布圖如圖3所示。系統(tǒng)燒寫時(shí)，首先用JTAG工具將uboot燒寫到NAND Flash的最前面；然后在uboot上執(zhí)行tftp命令將內(nèi)核映像zⅠmage和根文件系統(tǒng)ramdisk傳送到SDRAM中；在uboot上執(zhí)行ymount命令掛載yaffs2文件系統(tǒng)；在uboot上執(zhí)行ywrm命令可以將zⅠmage和ramdisk燒寫到NAND Flash中，此時(shí)也可以通過yls命令看到已經(jīng)燒寫的zⅠmage和ramdisk。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，uboot從NAND Flash中引導(dǎo)zⅠmage和ramdisk，在uboot上執(zhí)行ymount命令掛載YAFFS2文件系統(tǒng)；執(zhí)行yrdm命令將zⅠmage和ramdisk讀到SDRAM相應(yīng)的地址中；執(zhí)行g(shù)o命令開始引導(dǎo)內(nèi)核，首先解壓ramdisk.gz文件，然后跳轉(zhuǎn)到zⅠmage處執(zhí)行，zⅠmage自解壓后調(diào)用start＿kernel（）啟動(dòng)內(nèi)核。

圖3 NAND Flash分布圖

本實(shí)驗(yàn)是將uboot直接燒寫在NAND Flash的chunk中，uboot在剩余的空間上掛載YAFFS2文件系統(tǒng)，并將zⅠmage和ramdisk寫入文件系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行起來后，在相同的NAND Flash空間上掛載YAFFS2文件系統(tǒng)后，可以看到和編輯uboot寫入的zⅠmage和ramdisk。同樣uboot在啟動(dòng)時(shí)也可以看到kernel寫入NAND Flash的文件。這樣就實(shí)現(xiàn)了在uboot和kernel中都可以升級和更新系統(tǒng)。

2.2 YAFFS2文件系統(tǒng)制作

YAFFS（Yet Another Flash File System）文件系統(tǒng)是專門針對NAND閃存設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，它是一種類似于JFFS2的日志型文件系統(tǒng)。相對于JFFS2，YAFFS減少了一些功能，因此速度更快、占用內(nèi)存更少，并且對NAND Flash具有很好的保護(hù)機(jī)制，能夠延長NAND Flash的使用壽命。因此，YAFFS文件系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得價(jià)格低廉的NAND Flash芯片具有高效性和健壯性?；贜AND Flash的YAFFS文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。目前有YAFFS和YAFFS2 2個(gè)版本，2個(gè)版本的主要區(qū)別之一在于YAFFS2能夠更好地支持大容量的NAND Flash芯片。

圖4 YAFFS文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

嵌入式Linux內(nèi)核本身并不支持YAFFS2文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Linux內(nèi)核對YAFFS2文件系統(tǒng)的支持有2種方法：一種是直接把YAFFS2編譯到內(nèi)核，另外一種是將YAFFS2編譯成單獨(dú)的模塊進(jìn)行加載。為了方便調(diào)試，本文選用第二種方法。首先下載YAFFS2源碼，這里要注意uboot中的YAFFS2應(yīng)該和內(nèi)核中的版本一致。然后將YAFFS2源碼解壓縮，進(jìn)行相應(yīng)的代碼修改，編譯生成yaffs2.ko模塊。將此模塊加到ramdisk中，系統(tǒng)啟動(dòng)后掛載yaffs2.ko模塊，此時(shí)就可以對NAND Flash進(jìn)行讀寫。

結(jié) 語

本文針對嵌入式Linux操作系統(tǒng)，基于uboot和內(nèi)核對YAFFS2文件系統(tǒng)的支持，利用NAND Flash實(shí)現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程更新。本系統(tǒng)從NAND Flash中引導(dǎo)內(nèi)核與文件系統(tǒng)，可以省去NOR Flash，降低成本。通過以太網(wǎng)對遠(yuǎn)程嵌入式終端進(jìn)行自動(dòng)更新，具有操作簡單、更新速度快的特點(diǎn)。

［1］丘麗芳.基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程升級嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（23）：101－103.

［2］王子健，張軍，羅喜伶.基于TFFS的嵌入式系統(tǒng)在線升級設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2006，32（13）：257－259.

［3］彭井花，蔡聲鎮(zhèn)，等.基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程在線升級［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（4）：47－49.

［4］邵新顏，蔡梅琳.在Bootloader中實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)自動(dòng)升級［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（11）：33－35.