Bootrom功能改進經(jīng)驗談

摘要：以VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)為例，介紹了改進啟動代碼（Bootrom）功能的四點經(jīng)驗：（1）具備故障保護功能的Bootrom的自我在線更新；（2）增加重啟功能；（3）自動運行應用軟件；（4）多種應用軟件的選擇。

VxWorks是美國WindRiver System公司于1983年設計開發(fā)后個運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）。它是一種功能強大而且比較復雜的操作系統(tǒng)，包括了進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡協(xié)議及系統(tǒng)應用等幾部分。VxWorks為程序員提供了高效的實時多任務調(diào)度、中斷管理、實時的系統(tǒng)資源以及實時的任務間通信。其核心功能主要有微內(nèi)核、任務間通信機制、網(wǎng)絡支持、文件系統(tǒng)和I/O管理、POSIX標準實時擴展以及C++等其他標準支持。在各種CPU平臺上提供了統(tǒng)一的編程接口和一致的運行特性，盡可能地屏蔽不同CPU之間的底層差異。應用程序員可以將盡可能多的精力放在應用程序本身，而不必關心系統(tǒng)資源的管理。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精類技術及實時要求極高的領域中，如衛(wèi)星通信、彈道制導、飛機導航等。

設計師通常利用VxWorks開發(fā)Bootrom代碼。Bootrom相當于PC機中的BIOS，它完成對加載過程中所需設備的初始化及驅(qū)動；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)核相關于PC機上的操作系統(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，在實際應用中，這些功能不夠豐富，便利性不足。本文介紹了幾點筆者在工作中行之有效的改進Bootrom功能的經(jīng)驗。

1 具備故障保護功能的Bootrom的自我在線更新

Bootrom一般以二進制文件的方式保存在非易失懷存儲介質(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)，在實際應用中非常不便。以Flash為例介紹如何在線更新Bootrom。

首先，為了做到故障保護，防止在更新過程中發(fā)生更新文件出錯、斷電等災難性故障，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)的上電啟動地址，這個地址因處理器而異，例如，PowerPC體系結(jié)構(gòu)的處理器的啟動地址一般是0xfff00100，而MIPS體系結(jié)構(gòu)的處理器的啟動地址是0xbfc00000。在邏輯上，以啟動地址開始的區(qū)域為主Boot區(qū)，另一片區(qū)域為備Boot區(qū)。

為了實現(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）和一個跳線或撥號開關，開關信號JP輸入到CPLD。CPU訪問Flash的地址信號和片選信號經(jīng)過CPLD進行地址互換，再到Flash芯片。如果不跳線（默認情況），JP信號為高，則PA的起始地址為啟動地址，PA為主Boot區(qū)，PB為備Boot區(qū)；否則，JP信號為低，PB的起始地址為啟動地址，PB為主Boot區(qū)，PA為備Boot區(qū)。默認情況下，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。兩個二選一邏輯實現(xiàn)兩片F(xiàn)lash片選信號（CS）的互換，從而實現(xiàn)了地址的互換。

地址互換機制屏蔽了PA和PB實際物理位置的差別，給底層軟件提供了一個統(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。

其次，編寫Flash擦寫驅(qū)動函數(shù)。Flash是一種讀寫非對稱器件，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設置，從備份Bootrom啟動，再次更新Bootrom或運行應用軟件。

2 增加重啟功能

VxWorks的Bootrom用戶命令缺少重啟功能，給調(diào)試和實際應用帶來諸多不便。與Bootrom在線更新方法相同，增加這項功能其實并不難，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()由設計師根據(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 自動運行應用軟件

在實際應用中，一般將上層軟件和VxWorks映象鏈接在一起，暫且稱之為應用程序。默認情況下，當Bootrom運行后，它會倒計時7s，然后從啟動參數(shù)（BOOT_LINE）指定的路徑下載應用程序。但是，因為Bootrom提供了啟動參數(shù)修改命令，啟動參數(shù)可能由于某些原因發(fā)生更改。例如調(diào)試時需要從FTP服務器下載，或者疏忽好奇等，給下次應用帶來不少麻煩，很可能出現(xiàn)應用程序下載挫敗等故障。

為了保證自動啟動總是從固定路徑下載應用程序，而不受啟動參數(shù)的影響，需要修改文件bootConfig.c中的自動啟動函數(shù)autoboot（）。例如，自動啟動總是從CF卡讀取應用程序。

if(bytesRead ==0){ /*倒計時期間沒有輸入*/

LoadApplicationImage();/*復制應用程序映象到起始地址為Entry的內(nèi)存中*/

go((FUNCPTR)ENTRY;/*從Entry地址開始運行*/

}

else{

……

}

Entry是應用程序的入口地址，VxWorks系統(tǒng)中該值是RAM_LOW_ADRS。LoadApplicationImage()函數(shù)將應用程序映旬從CF卡復制到起始地址為Entry的內(nèi)存中，然后將PC指針指向該地址，啟動系統(tǒng)。如果在倒計時期間有字符輸入，則進入Bootrom的命令界面，用戶可以修改啟動參數(shù)，然后按“@”從啟動參數(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)不會影響下次自動啟動的下載路徑。

4 多種應用軟件的選擇

在通信領域，許多產(chǎn)品的硬件平臺其實相同，區(qū)別在于應用軟件。不同的軟件塑造出了一個個特色鮮明的產(chǎn)品。如果能夠?qū)⒉煌能浖傻揭粋€硬件平臺上，由用戶在啟動時選擇，那么這個產(chǎn)品就擁有一機多能的特性，大大增強了產(chǎn)品的市場競爭力。

退而言之，即使硬件平臺只適合于一種應用軟件，將故障檢測程序作為另一種應用軟件，會帶給產(chǎn)品測試和現(xiàn)場維修人員諸多的方便。

參考以上三點經(jīng)驗，在Bootrom中增加這項功能并非難事。以兩個應用軟件為例，在函數(shù)bootCmdLoop()中增加新命令“o”(other的編寫)，如下所示。

switch(*(pLine++)){

……

case 'o': /*啟動另一應用軟件*/

LoadAnoterApplicationImage();/*復制另一應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用軟件設置為默認啟動*/

go((FUNCPTR)Entry)；/*從Entry地址開始運行*/

break;

……

}

圖3

    在Bootrom代碼中定義一個變量defaultVersion，用于記錄誰是默認的啟動軟件，該變量保存在Flash等非易失媒質(zhì)中。上電后，如果在倒計暑期間沒有任何輸入，系統(tǒng)自動啟動defaultVersion指定的應用軟件；否則，用戶進入命令界面。如果鍵入“o”命令，Bootrom調(diào)用函數(shù)LoadAnotherApplicationImage()將另一應用程序映象復制到起始地址為Entry的內(nèi)存區(qū)域，然后詢問用戶是否希望將另一應用程序設置為默認啟動；如果用戶回答“是”，更改defaultVersion值；否則，defaultVersion值不變。最后運行當前選定的應用軟件。

上述的幾點經(jīng)驗大部分是修改文件bootConfig.c的代碼。因為bootConfig.c是一個公用文件，為了不影響其它底層軟件的開發(fā)，建議將它復制到當前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通常能夠帶給產(chǎn)品新的功能和特征。啟動代碼是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。筆者的以上四點經(jīng)驗在PowerPC處理器（MPC8260）平臺和MIPS處理器（RM7000A）平臺上得到了驗證，希望對其它系統(tǒng)的啟動代碼的開發(fā)有所借鑒和啟迪。