本文提出了一種擴展Uboot實現嵌入式設備操作系統維護與升級的方法。該方法將待升級的內核和文件系統映像放入SD卡中，當系統重啟時，擴展后的Uboot會自動檢測并讀取SD卡中的映像文件，再燒寫到嵌入式設備實現自動升級。該方法較傳統的通過JTAG口、串口或者網口連接到主機，在主機上通過手動輸入控制命令完成內核或者文件系統的升級方式更為便捷高效。

    隨著現代工業社會逐步向智能化社會的過度，嵌入式在現代經濟生活中扮演著至關重要的角色。32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC(Reduced InstructionSet Computer)微處理器——ARM(Advanced RISC Machines)已經成為應用最廣泛的嵌入式微處理器。
    目前，基于ARM的嵌入式系統在各個領域都有著廣泛的應用，嵌入式系統的維護與升級也變的日益重要。由于新技術的不斷涌現和對系統功能、性能等要求的不斷提高，開發者必須能夠針對系統進行升級和維護，以延長系統的使用周期，改善系統性能，增強系統適應性。
    傳統的嵌入式系統升級，首先通過JTAG接口將Bootloader燒寫到目標板的Flash中，然后在Bootloader中，將內核映像文件和文件系統映像文件通過串口或者網絡下載并燒寫到Flash。若需對內核或文件系統升級，則要按照上述方法重新燒寫新的映像文件，直接覆蓋原來的映像文件。這類方法，一方面必須將嵌入式設備和主機通過串口線或者網線相連接；另一方面需要人工手動輸入控制命令，而且通過串口或網絡下載映像文件速度非常慢。
    本文針對嵌入式Linux操作系統提出了一種新的升級機制，即通過將映像文件拷貝到SD卡中，由擴展后的Uboot實現系統自動升級，這個方法可以有效克服傳統升級方法的局限，簡化系統升級步驟，提高升級速度。

1 工作原理
    一個嵌入式Linux系統從軟件的角度看通常可以分為4個層次：Bootloader、Linux內核、文件系統和用戶應用程序。這4個層次中，Boot loader一般是按照嵌入式系統的硬件配置定制的，是嵌入式系統加電以后運行的第一段軟件代碼。要對Bootloader升級只能通過人工手動完成，不過一般嵌入式系統在硬件平臺沒有變化的情況下是不需要對Bootloader進行升級的。用戶應用程序只是運行在Linux操作系統上的一個程序，其升級方法簡單，一般可以通過網絡直接進行升級。Linux內核和文件系統的升級不像Bootloader那樣基本不需要升級，也不像應用程序那樣很容易完成升級。目前，對于Linux內核和文件系統的升級一般都是在Bootloader中實現的。
    通過對Uboot的功能進行擴充，加入了系統升級的功能。例如，用戶需要對嵌入式設備上的Linux內核或文件系統進行升級，只需要將新的Linux內核或文件系統映像，命名為指定的名稱拷貝到SD卡中。如果此時系統處于非運行狀態，只需要重新啟動嵌入式設備即可進行升級
過程；如果系統處于運行狀態，Linux系統會自動檢測SD卡是否存在相應的升級文件，存在則自動reboot，這樣也完成了系統的升級。
    不論系統是否處于運行狀態，真正的系統升級過程都是在Uboot中完成的。設備重啟時，首先運行Uboot，在這過程中Uboot完成系統初始化之后，在引導內核之前先檢查SD卡中是否有Linux內核或文件系統映像文件。若有，則讀取映像文件到SDRAM當中，然后通過Uboot中的Flas h命令將內核或者文件系統映像燒寫到相應的分區當中來完成升級；若無，則直接啟動系統，具體流程如圖1所示。

　　2 關鍵技術

　　2．1 Uboot工作原理

　　Uboot是一個由德國DENX發起的，遵循GPL條款的開源項目，支持ARM、X86、MIPS、PowerPC等處理器，可啟動Linux、VxWorks、TREMS等嵌入式操作系統，其提供了豐富的配置、管理以及運行命令。

　　Uboot與大多數Bootloader一樣都包含兩種操作模式：

　　①啟動加載(Bootloading)模式：即Uboot從目標機上的某個固態存儲設備上將操作系統加載到RAM中運行，整個過程都是自動完成的。

　　②下載(Downloading)模式：在這種模式下，目標機的Uboot將通過串口或網絡等通信方式將內核或文件系統印象下載到RAM當中，然后再寫入相應的存儲設備中。這種工作模式通常在系統初次安裝和更新時使用。

　　Uboot的實現依賴于CPU的體系結構，它分為stage1和stage2兩大部分。stage1存放用匯編語言實現的依賴于CPU體系結構的代碼，比如設備初始化代碼等；stage2則通常用具有更好的可讀性和可移植性的C語言來實現。

　　Uboot Stage1的主要功能有：

　　①硬件設備初始化；

　　②為Uboot重定位至RAM中，準備RAM空間；

　　③重定位Uboot代碼到RAM中；

　　④設置堆棧，將BSS段清零；

　　⑤跳轉到第二階段的C程序入口點。

　　Uboot Stage2的主要功能有：

　　①初始化硬件設備；

　　②將內核和文件系統映像從Flash讀到RAM中；

　　③設定內核啟動參數和調用內核。

　　通過上面這兩個階段，Uboot就完成了引導內核啟動的任務。

　　2．2 Uboot擴展升級功能

　　Uboot本身并不帶有系統升級功能，本文在Uboot現有的功能上做擴展，使其完成系統升級的功能，將新的內核或者文件系統映像燒寫到Flash的相應分區中。本文的實驗對象是Samsung公司的S3C2440微處理器，該設備上有64 MB的SDARM和256 MB的NAND Flash，NAND Flash的起始地址映射到0x00000000，SDRAM的起始地址映射到0x30000000。設備上的Uboot將256 MBNAND Flash分為Bootloader、Bootloader參數、ker nel和rootfs四個區。其中，Bootloader分區是用于存放Uboot映像，它的起始地址為NAND Flash的起始地址0x00000000；Bootloader參數區是用于存放Uboot的參數；kernel區用于存放Linux內核；rootfs區用于存放文件系統，在我們的設備上使用的文件系統是Yaffs2。這4個分區的起始地址和大小如表1所列。

　　升級功能的擴展主要在Uboot的第二階段完成，在Uboot完成外圍硬件設備初始化之后，檢測是否有SD卡插入，如果有，再檢測SD卡中是否有相應的內核或者文件系統映像。如果有相應的映像文件，就進行升級工作，升級完成后再啟動新的系統。系統升級核心工作可以分為兩步，第一步是將相應的映像文件讀取到SDRAM當中；第二步則將SDRAM中的映像寫入到相應Flash分區當中，詳細流程如圖2所示。

　　2．3 具體實現

　　通過上面的分析可以看出，擴展一個支持SD自動升級功能的Uboot需要完成如下步驟。

　　(1)判斷是否存在SD卡

　　判斷SD卡是否存在，通過使用Uboot當中提供的find_mmc_devICe函數，這里只要判斷該函數的返回值即可知道SD卡是否存在，實現代碼如下：

    (2)判斷SD卡中是否有內核映像文件
    如果存在，則將其燒寫到Flash相應的分區當中。實現這個功能需要使用到Uboot中的run_command函數，由于kernel的映像文件一般不會超過5 MB，所以在燒寫kernel的時候不需要檢查映像文件的大小。檢查內核映像文件是否存在也是通過執行命令的方式，如果存在，那么Env環境變量fileexist的值就是YES，并且此時的內核映像已經存在于SDRAM當中，可以直接通過命令燒寫到Flash相應的分區當中。具體的代碼如下：
    
    (3)判斷SD卡中是否有文件系統映像文件
    如果存在，則寫入到相應的Flash分區當中。本實驗設備上使用的文件系統是Yaffs2，通過Uboot命令燒寫Yaffs2文件系統的時候，必須要知道它的實際大小。由于升級很可能導致文件系統大小的變化，所以這里必須將讀取到SDRAM當中的文件大小記錄下來，這個工作在Uboot中已經完成，我們只需要通過getenv(filesize)就可以獲得載入SDRAM當中的文件大小，其他的步驟和燒寫內核映像是一樣的。具體代碼如下：
    
    經過上面3個步驟修改的Uboot程序可支持SD卡自動升級的功能，需要注意這段代碼應該放在Uboot自動加載系統之前，推薦將這些代碼放在main_loop函數中。

      結語

    本文通過定制擴展Uboot實現了用SD卡方式進行嵌入式設備操作系統的自動升級，這種方式不但克服了傳統升級方式的局限性，而且具有一定商業價值。目前，該方法經過調試，系統運行正常。顯然，要通過SD卡實現系統升級，需要嵌入式設備具有SD卡接口，因此，它并不適合所有的嵌入式系統，但是這種實現機制可供借鑒。