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Bootrom功能改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)談
摘要：以VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為例，介紹了改進(jìn)啟動(dòng)代碼（Bootrom）功能的四點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：（1）具備故障保護(hù)功能的Bootrom的自我在線更新；（2）增加重啟功能；（3）自動(dòng)運(yùn)行應(yīng)用軟件；（4）多種應(yīng)用軟件的選擇。關(guān)鍵詞：Bootrom 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) FTP
VxWorks是美國WindRiver System公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)后個(gè)運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。它是一種功能強(qiáng)大而且比較復(fù)雜的操作系統(tǒng)，包括了進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾部分。VxWorks為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。其核心功能主要有微內(nèi)核、任務(wù)間通信機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)支持、文件系統(tǒng)和I/O管理、POSIX標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)擴(kuò)展以及C++等其他標(biāo)準(zhǔn)支持。在各種CPU平臺(tái)上提供了統(tǒng)一的編程接口和一致的運(yùn)行特性，盡可能地屏蔽不同CPU之間的底層差異。應(yīng)用程序員可以將盡可能多的精力放在應(yīng)用程序本身，而不必關(guān)心系統(tǒng)資源的管理。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精類技術(shù)及實(shí)時(shí)要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。
設(shè)計(jì)師通常利用VxWorks開發(fā)Bootrom代碼。Bootrom相當(dāng)于PC機(jī)中的BIOS，它完成對(duì)加載過程中所需設(shè)備的初始化及驅(qū)動(dòng)；然后，通過某種可選擇的通信手段（如網(wǎng)口、串口），將VxWorks內(nèi)核加載。VxWorks內(nèi)核相關(guān)于PC機(jī)上的操作系統(tǒng)，如Linux、Windows。此外，Bootrom還提供了一些輔助功能，如地址內(nèi)容查看、地址內(nèi)容修改和Bootrom菜單顯示信息控制等功能。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，這些功能不夠豐富，便利性不足。本文介紹了幾點(diǎn)筆者在工作中行之有效的改進(jìn)Bootrom功能的經(jīng)驗(yàn)。
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1 具備故障保護(hù)功能的Bootrom的自我在線更新
Bootrom一般以二進(jìn)制文件的方式保存在非易失懷存儲(chǔ)介質(zhì)，例如Flash、CF卡、EPROM中。通常需要仿無休止器、燒結(jié)器或JTAG工具等才能將代碼燒入這類介質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用中非常不便。以Flash為例介紹如何在線更新Bootrom。
首先，為了做到故障保護(hù)，防止在更新過程中發(fā)生更新文件出錯(cuò)、斷電等災(zāi)難性故障，Bootrom的數(shù)據(jù)必須在更新之前備份在Flash的另一區(qū)域。因此，F(xiàn)lash中必須存在兩片物理區(qū)域，暫且命名為PA和PB，每片512KB（假設(shè)Bootrom文件小于512KB）。兩片物理區(qū)域的起始地址可以互換，其中一片區(qū)域的起始地址必須為系統(tǒng)的上電啟動(dòng)地址，這個(gè)地址因處理器而異，例如，PowerPC體系結(jié)構(gòu)的處理器的啟動(dòng)地址一般是0xfff00100，而MIPS體系結(jié)構(gòu)的處理器的啟動(dòng)地址是0xbfc00000。在邏輯上，以啟動(dòng)地址開始的區(qū)域?yàn)橹鰾oot區(qū)，另一片區(qū)域?yàn)閭銪oot區(qū)。
為了實(shí)現(xiàn)地址互聯(lián)換，在CPU模塊和Flash芯片之間，增加了一片CPLD（可編程邏輯器件）和一個(gè)跳線或撥號(hào)開關(guān)，開關(guān)信號(hào)JP輸入到CPLD。CPU訪問Flash的地址信號(hào)和片選信號(hào)經(jīng)過CPLD進(jìn)行地址互換，再到Flash芯片。如果不跳線（默認(rèn)情況），JP信號(hào)為高，則PA的起始地址為啟動(dòng)地址，PA為主Boot區(qū)，PB為備Boot區(qū)；否則，JP信號(hào)為低，PB的起始地址為啟動(dòng)地址，PB為主Boot區(qū)，PA為備Boot區(qū)。默認(rèn)情況下，PA為主Boot區(qū)。如圖1。
如果系統(tǒng)中有兩片F(xiàn)lash芯片，可以不用CPLD，選用另一種地址互換方式，如圖2。兩個(gè)二選一邏輯實(shí)現(xiàn)兩片F(xiàn)lash片選信號(hào)（CS）的互換，從而實(shí)現(xiàn)了地址的互換。
地址互換機(jī)制屏蔽了PA和PB實(shí)際物理位置的差別，給底層軟件提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口，帶來的好處不言而喻。Bootrom數(shù)據(jù)總線是從主Boot區(qū)備份到備Boot區(qū)，系統(tǒng)總是從主Boot區(qū)啟動(dòng)。
其次，編寫Flash擦寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)。Flash是一種讀寫非對(duì)稱器件，讀數(shù)據(jù)與普通器件一樣，比較簡單；而寫必須根據(jù)芯片廠商提供的算法，先擦除欲寫入數(shù)據(jù)的區(qū)域，以扇區(qū)（Sector）為單位，然后寫入數(shù)據(jù)。函數(shù)flashUpdate(char *sourceAddr,char *destAddr,int Length)集成了擦除和寫入兩個(gè)步驟。
再次，在文件bootConfig.cr Bootrom操作接口函數(shù)bootCmdLoop()中增加新命令“u”（update的編寫）。
switch(*(pLine++)){
……
case 'u'; /*更新Bootrom*/
…… /*下載更新代碼并更新*/
break;
……
}
“u”命令的實(shí)現(xiàn)流程如圖3。除了flashUpdate()之外，其它函數(shù)都由VxWorks本身提供。如果更新挫敗，則改變JP設(shè)置，從備份Boot
rom啟動(dòng)，再次更新Bootrom或運(yùn)行應(yīng)用軟件。
2 增加重啟功能
VxWorks的Bootrom用戶命令缺少重啟功能，給調(diào)試和實(shí)際應(yīng)用帶來諸多不便。與Bootrom在線更新方法相同，增加這項(xiàng)功能其實(shí)并不難，只要在函數(shù)bootCmdLoop（）中增加新命令“r”（reset的縮寫），在命令中調(diào)用系統(tǒng)重啟函數(shù)sysReboot()即可。SysReboot()由設(shè)計(jì)師根據(jù)系統(tǒng)的不同自行編寫。
Switch(*(pLine++)){
……
case 'r'; /*重啟系統(tǒng)*/
sysReboot();
break;
……
}
舉一反三，還可以根據(jù)需要在Bootrom中增加許多自己的命令。完成之后，不要忘了在Bootrom命令解釋函數(shù)bootHelp()中添加新增命令的用途、用法等幫助信息。
3 自動(dòng)運(yùn)行應(yīng)用軟件
在實(shí)際應(yīng)用中，一般將上層軟件和VxWorks映象鏈接在一起，暫且稱之為應(yīng)用程序。默認(rèn)情況下，當(dāng)Bootrom運(yùn)行后，它會(huì)倒計(jì)時(shí)7s，然后從啟動(dòng)參數(shù)（BOOT_LINE）指定的路徑下載應(yīng)用程序。但是，因?yàn)锽ootrom提供了啟動(dòng)參數(shù)修改命令，啟動(dòng)參數(shù)可能由于某些原因發(fā)生更改。例如調(diào)試時(shí)需要從FTP服務(wù)器下載，或者疏忽好奇等，給下次應(yīng)用帶來不少麻煩，很可能出現(xiàn)應(yīng)用程序下載挫敗等故障。
為了保證自動(dòng)啟動(dòng)總是從固定路徑下載應(yīng)用程序，而不受啟動(dòng)參數(shù)的影響，需要修改文件bootConfig.c中的自動(dòng)啟動(dòng)函數(shù)autoboot（）。例如，自動(dòng)啟動(dòng)總是從CF卡讀取應(yīng)用程序。
if(bytesRead ==0){ /*倒計(jì)時(shí)期間沒有輸入*/
LoadApplicationImage();/*復(fù)制應(yīng)用程序映象到起始地址為Entry的內(nèi)存中*/
go((FUNCPTR)ENTRY;/*從Entry地址開始運(yùn)行*/
}
else{
……
}
Entry是應(yīng)用程序的入口地址，VxWorks系統(tǒng)中該值是RAM_LOW_ADRS。LoadApplicationImage()函數(shù)將應(yīng)用程序映旬從CF卡復(fù)制到起始地址為Entry的內(nèi)存中，然后將PC指針指向該地址，啟動(dòng)系統(tǒng)。如果在倒計(jì)時(shí)期間有字符輸入，則進(jìn)入Bootrom的命令界面，用戶可以修改啟動(dòng)參數(shù)，然后按“@”從啟動(dòng)參數(shù)指定的路徑下載程序，而不影響調(diào)試，但是更改后的參數(shù)不會(huì)影響下次自動(dòng)啟動(dòng)的下載路徑。
4 多種應(yīng)用軟件的選擇
在通信領(lǐng)域，許多產(chǎn)品的硬件平臺(tái)其實(shí)相同，區(qū)別在于應(yīng)用軟件。不同的軟件塑造出了一個(gè)個(gè)特色鮮明的產(chǎn)品。如果能夠?qū)⒉煌能浖傻揭粋�(gè)硬件平臺(tái)上，由用戶在啟動(dòng)時(shí)選擇，那么這個(gè)產(chǎn)品就擁有一機(jī)多能的特性，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
退而言之，即使硬件平臺(tái)只適合于一種應(yīng)用軟件，將故障檢測(cè)程序作為另一種應(yīng)用軟件，會(huì)帶給產(chǎn)品測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)維修人員諸多的方便。
參考以上三點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，在Bootrom中增加這項(xiàng)功能并非難事。以兩個(gè)應(yīng)用軟件為例，在函數(shù)bootCmdLoop()中增加新命令“o”(other的編寫)，如下所示。
switch(*(pLine++)){
……
case 'o': /*啟動(dòng)另一應(yīng)用軟件*/
LoadAnoterApplicationImage();/*復(fù)制另一應(yīng)用程序映象到起始地址為Entry的內(nèi)存中*/
AutoSystemVersionSet();/*詢問用戶是否將另一應(yīng)用軟件設(shè)置為默認(rèn)啟動(dòng)*/
go((FUNCPTR)Entry)；/*從Entry地址開始運(yùn)行*/
break;
……
}
圖3
在Bootrom代碼中定義一個(gè)變量defaultVersion，用于記錄誰是
默認(rèn)的啟動(dòng)軟件，該變量保存在Flash等非易失媒質(zhì)中。上電后，如果在倒計(jì)暑期間沒有任何輸入，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)defaultVersion指定的應(yīng)用軟件；否則，用戶進(jìn)入命令界面。如果鍵入“o”命令，Bootrom調(diào)用函數(shù)LoadAnotherApplicationImage()將另一應(yīng)用程序映象復(fù)制到起始地址為Entry的內(nèi)存區(qū)域，然后詢問用戶是否希望將另一應(yīng)用程序設(shè)置為默認(rèn)啟動(dòng)；如果用戶回答“是”，更改defaultVersion值；否則，defaultVersion值不變。最后運(yùn)行當(dāng)前選定的應(yīng)用軟件。
上述的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)大部分是修改文件bootConfig.c的代碼。因?yàn)閎ootConfig.c是一個(gè)公用文件，為了不影響其它底層軟件的開發(fā)，建議將它復(fù)制到當(dāng)前Bootrom開發(fā)目錄下，并且在Makefile文件中增加定義：BOOTCONFIG=bootConfig.c。
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要經(jīng)常開辟新的思路，一些微小的簡單改動(dòng)通常能夠帶給產(chǎn)品新的功能和特征。啟動(dòng)代碼是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。筆者的以上四點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)在PowerPC處理器（MPC8260）平臺(tái)和MIPS處理器（RM7000A）平臺(tái)上得到了驗(yàn)證，希望對(duì)其它系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼的開發(fā)有所借鑒和啟迪。
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