Bootrom功能改进经验谈

摘要：以VxWorks嵌入式实时操作系统为例，介绍了改进启动代码（Bootrom）功能的四点经验：（1）具备故障保护功能的Bootrom的自我在线更新；（2）增加重启功能；（3）自动运行应用软件；（4）多种应用软件的选择。 关键词：Bootrom 嵌入式实时操作系统 FTP VxWorks是美国WindRiver System公司于1983年设计开发后个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统（RTOS）。它是一种功能强大而且比较复杂的操作系统，包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几部分。VxWorks为程序员提供了高效的实时多任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。其核心功能主要有微内核、任务间通信机制、网络支持、文件系统和I/O管理、POSIX标准实时扩展以及C++等其他标准支持。在各种CPU平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性，尽可能地屏蔽不同CPU之间的底层差异。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必关心系统资源的管理。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精类技术及实时要求极高的领域中，如卫星通信、弹道制导、飞机导航等。 设计师通常利用VxWorks开发Bootrom代码。Bootrom相当于PC机中的BIOS，它完成对加载过程中所需设备的初始化及驱动；然后，通过某种可选择的通信手段（如网口、串口），将VxWorks内核加载。VxWorks内核相关于PC机上的操作系统，如Linux、Windows。此外，Bootrom还提供了一些辅助功能，如地址内容查看、地址内容修改和Bootrom菜单显示信息控制等功能。但是，在实际应用中，这些功能不够丰富，便利性不足。本文介绍了几点笔者在工作中行之有效的改进Bootrom功能的经验。 1 具备故障保护功能的Bootrom的自我在线更新 Bootrom一般以二进制文件的方式保存在非易失怀存储介质，例如Flash、CF卡、EPROM中。通常需要仿无休止器、烧结器或JTAG工具等才能将代码烧入这类介质，在实际应用中非常不便。以Flash为例介绍如何在线更新Bootrom。 首先，为了做到故障保护，防止在更新过程中发生更新文件出错、断电等灾难性故障，Bootrom的数据必须在更新之前备份在Flash的另一区域。因此，Flash中必须存在两片物理区域，暂且命名为PA和PB，每片512KB（假设Bootrom文件小于512KB）。两片物理区域的起始地址可以互换，其中一片区域的起始地址必须为系统的上电启动地址，这个地址因处理器而异，例如，PowerPC体系结构的处理器的启动地址一般是0xfff00100，而MIPS体系结构的处理器的启动地址是0xbfc00000。在逻辑上，以启动地址开始的区域为主Boot区，另一片区域为备Boot区。 为了实现地址互联换，在CPU模块和Flash芯片之间，增加了一片CPLD（可编程逻辑器件）和一个跳线或拨号开关，开关信号JP输入到CPLD。CPU访问Flash的地址信号和片选信号经过CPLD进行地址互换，再到Flash芯片。如果不跳线（默认情况），JP信号为高，则PA的起始地址为启动地址，PA为主Boot区，PB为备Boot区；否则，JP信号为低，PB的起始地址为启动地址，PB为主Boot区，PA为备Boot区。默认情况下，PA为主Boot区。如图1。 如果系统中有两片Flash芯片，可以不用CPLD，选用另一种地址互换方式，如图2。两个二选一逻辑实现两片Flash片选信号（CS）的互换，从而实现了地址的互换。 地址互换机制屏蔽了PA和PB实际物理位置的差别，给底层软件提供了一个统一的接口，带来的好处不言而喻。Bootrom数据总线是从主Boot区备份到备Boot区，系统总是从主Boot区启动。 其次，编写Flash擦写驱动函数。Flash是一种读写非对称器件，读数据与普通器件一样，比较简单；而写必须根据芯片厂商提供的算法，先擦除欲写入数据的区域，以扇区（Sector）为单位，然后写入数据。函数flashUpdate(char *sourceAddr,char *destAddr,int Length)集成了擦除和写入两个步骤。 再次，在文件bootConfig.cr Bootrom操作接口函数bootCmdLoop()中增加新命令“u”（update的编写）。 switch(*(pLine++)){ …… case "u"; /*更新Bootrom*/ …… /*下载更新代码并更新*/ break; …… } “u”命令的实现流程如图3。除了flashUpdate()之外，其它函数都由VxWorks本身提供。如果更新挫败，则改变JP设置，从备份Bootrom启动，再次更新Bootrom或运行应用软件。 2 增加重启功能 VxWorks的Bootrom用户命令缺少重启功能，给调试和实际应用带来诸多不便。与Bootrom在线更新方法相同，增加这项功能其实并不难，只要在函数bootCmdLoop（）中增加新命令“r”（reset的缩写），在命令中调用系统重启函数sysReboot()即可。SysReboot()由设计师根据系统的不同自行编写。 Switch(*(pLine++)){ …… case "r"; /*重启系统*/ sysReboot(); break; …… } 举一反三，还可以根据需要在Bootrom中增加许多自己的命令。完成之后，不要忘了在Bootrom命令解释函数bootHelp()中添加新增命令的用途、用法等帮助信息。 3 自动运行应用软件 在实际应用中，一般将上层软件和VxWorks映象链接在一起，暂且称之为应用程序。默认情况下，当Bootrom运行后，它会倒计时7s，然后从启动参数（BOOT_LINE）指定的路径下载应用程序。但是，因为Bootrom提供了启动参数修改命令，启动参数可能由于某些原因发生更改。例如调试时需要从FTP服务器下载，或者疏忽好奇等，给下次应用带来不少麻烦，很可能出现应用程序下载挫败等故障。 为了保证自动启动总是从固定路径下载应用程序，而不受启动参数的影响，需要修改文件bootConfig.c中的自动启动函数autoboot（）。例如，自动启动总是从CF卡读取应用程序。 if(bytesRead ==0){ /*倒计时期间没有输入*/ LoadApplicationImage();/*复制应用程序映象到起始地址为Entry的内存中*/ go((FUNCPTR)ENTRY;/*从Entry地址开始运行*/ } else{ …… } Entry是应用程序的入口地址，VxWorks系统中该值是RAM_LOW_ADRS。LoadApplicationImage()函数将应用程序映旬从CF卡复制到起始地址为Entry的内存中，然后将PC指针指向该地址，启动系统。如果在倒计时期间有字符输入，则进入Bootrom的命令界面，用户可以修改启动参数，然后按“@”从启动参数指定的路径下载程序，而不影响调试，但是更改后的参数不会影响下次自动启动的下载路径。 4 多种应用软件的选择 在通信领域，许多产品的硬件平台其实相同，区别在于应用软件。不同的软件塑造出了一个个特色鲜明的产品。如果能够将不同的软件集成到一个硬件平台上，由用户在启动时选择，那么这个产品就拥有一机多能的特性，大大增强了产品的市场竞争力。 退而言之，即使硬件平台只适合于一种应用软件，将故障检测程序作为另一种应用软件，会带给产品测试和现场维修人员诸多的方便。 参考以上三点经验，在Bootrom中增加这项功能并非难事。以两个应用软件为例，在函数bootCmdLoop()中增加新命令“o”(other的编写)，如下所示。 switch(*(pLine++)){ …… case "o": /*启动另一应用软件*/ LoadAnoterApplicationImage();/*复制另一应用程序映象到起始地址为Entry的内存中*/ AutoSystemVersionSet();/*询问用户是否将另一应用软件设置为默认启动*/ go((FUNCPTR)Entry)；/*从Entry地址开始运行*/ break; …… } 图3 在Bootrom代码中定义一个变量defaultVersion，用于记录谁是默认的启动软件，该变量保存在Flash等非易失媒质中。上电后，如果在倒计暑期间没有任何输入，系统自动启动defaultVersion指定的应用软件；否则，用户进入命令界面。如果键入“o”命令，Bootrom调用函数LoadAnotherApplicationImage()将另一应用程序映象复制到起始地址为Entry的内存区域，然后询问用户是否希望将另一应用程序设置为默认启动；如果用户回答“是”，更改defaultVersion值；否则，defaultVersion值不变。最后运行当前选定的应用软件。 上述的几点经验大部分是修改文件bootConfig.c的代码。因为bootConfig.c是一个公用文件，为了不影响其它底层软件的开发，建议将它复制到当前Bootrom开发目录下，并且在Makefile文件中增加定义：BOOTCONFIG=bootConfig.c。 嵌入式系统开发需要经常开辟新的思路，一些微小的简单改动通常能够带给产品新的功能和特征。启动代码是嵌入式系统的重要组成部分。笔者的以上四点经验在PowerPC处理器（MPC8260）平台和MIPS处理器（RM7000A）平台上得到了验证，希望对其它系统的启动代码的开发有所借鉴和启迪。