TrueFFS上VxWorks應(yīng)用程序的啟動(dòng)及動(dòng)態(tài)更新

　引 言

　　在嵌入式產(chǎn)品中，一般使用Flash作為應(yīng)用程序代碼及各種數(shù)據(jù)和參數(shù)的存儲(chǔ)介質(zhì)。尤其是NOR Flash具有操作接口簡(jiǎn)單、傳輸效率高、芯片內(nèi)執(zhí)行(eXecute In Place，XIP)的特點(diǎn)，在電力、鐵路等工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　為了便于用戶的使用，VxWorks操作系統(tǒng)提供了基于Flash的文件系統(tǒng)，即TrueFFS。TrueFFS與DosFS文件系統(tǒng)基本兼容，通過VxWorks提供的操作接口以文件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的操作。而對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，如何在自己的硬件系統(tǒng)上根據(jù)Flash的具體型號(hào)和使用要求實(shí)現(xiàn)TrueFFS系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上完成應(yīng)用程序代碼的靈活啟動(dòng)、更新，同時(shí)兼顧仿真調(diào)試的需求，則非常重要。

　　1 系統(tǒng)基本功能

　　本系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中對(duì)相關(guān)電力設(shè)備的保護(hù)、測(cè)量和控制功能。系統(tǒng)基本功能框圖如圖1所示。核心CPU選用Freescale公司的ColdFire系列32位微控制器MCF5234。該處理器內(nèi)部集成了UART、SPI、I2C、ETPU、CAN、以太網(wǎng)等豐富的功能模塊，系統(tǒng)主頻可達(dá)150 MHz，主要用于工業(yè)控制、智能家電等方面(尤其是電力自動(dòng)化控制領(lǐng)域)。系統(tǒng)通過2路以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)方設(shè)備的通信，維護(hù)串口用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本設(shè)備的維護(hù)，采用2片16位接口的NOR Flash實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和有關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。系統(tǒng)提供模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出等接口。有關(guān)的模擬量及開關(guān)量狀態(tài)信息經(jīng)過對(duì)應(yīng)接口采集到系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)過保護(hù)算法軟件的處理后，再通過數(shù)字量輸出接口完成對(duì)有關(guān)設(shè)備的控制操作。

　　在傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)中，編譯好的運(yùn)行態(tài)應(yīng)用程序一般通過硬件調(diào)試工具(如BDM調(diào)試器)直接固化到程序Flash的指定位置，裝置上電或復(fù)位后，CPU直接跳轉(zhuǎn)到Flash的起始位置，從Flash中取指并開始執(zhí)行。但是在VxWorks中，采用該方式不方便軟件的仿真調(diào)試，需要重新固化bootrom才行。另外，由于系統(tǒng)要求保存較多的參數(shù)和數(shù)據(jù)，需要在2片F(xiàn)lash中都實(shí)現(xiàn)TrueFFS系統(tǒng)；并且為了滿足動(dòng)態(tài)更新程序的要求，還需要實(shí)現(xiàn)FTP的功能。因此，需要實(shí)現(xiàn)如下功能：在2片F(xiàn)lash上實(shí)現(xiàn)True-FFS；在bootrom和應(yīng)用VxWorks程序上實(shí)現(xiàn)TrueFFS和FTP的加載；對(duì)bootrom進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用VxWorks程序和調(diào)試VxWorks程序分別通過TrueFFS和TFTP的方式啟動(dòng)。

　　2 TrueFFS的實(shí)現(xiàn)及加載

　　2．1 TrueFFS的層次結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，VxWorks中TrueFFS的層次結(jié)構(gòu)包括內(nèi)核層、翻譯層、socket層、MTD層。由于VxWorks對(duì)TrueFFS進(jìn)行了優(yōu)秀的層次劃分和封裝，用戶一般不需要對(duì)上述基本層次代碼進(jìn)行修改。MTD層實(shí)現(xiàn)了對(duì)常用幾種類型Flash的讀、寫、擦除等基本控制。如果用戶選用了支持的類型，則基本不需要編寫代碼；而如果用戶選用了特殊類型的Flash，則可以參考用例代碼完成對(duì)應(yīng)MTD層代碼的編寫。

　　2．2 MTD層代碼實(shí)現(xiàn)

　　由于本系統(tǒng)中選用的2片F(xiàn)lash為Spansion公司的S29AL032D，因此需要編寫對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)代碼。對(duì)于MTD層，一般向上提供MTD識(shí)別、Flash連續(xù)扇區(qū)擦除、Flash連續(xù)數(shù)據(jù)寫等主要接口函數(shù)，可以不提供單獨(dú)的鏡像函數(shù)，系統(tǒng)會(huì)使用內(nèi)部缺省的鏡像函數(shù)。需要在2片F(xiàn)lash上實(shí)現(xiàn)TrueFFS，即每片F(xiàn)lash相當(dāng)于一個(gè)分區(qū)，這一點(diǎn)在編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要重點(diǎn)考慮。在MTD層驅(qū)動(dòng)程序中，F(xiàn)lash的單個(gè)字節(jié)(或字)寫入接口函數(shù)為重點(diǎn)，不同F(xiàn)lash類型以及不同的端口寬度都會(huì)導(dǎo)致該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)不同。其寫操作流程如圖3所示。

　　為了在兩片F(xiàn)lash上實(shí)現(xiàn)2個(gè)文件分區(qū)，可以采用以下方式：在sysTffs．c中定義新的MTD類型，并根據(jù)實(shí)際需要定義2片F(xiàn)lash(即兩個(gè)分區(qū))的起始地址和長(zhǎng)度，并根據(jù)上述定義完成TrueFFS設(shè)備基址和窗口尺寸的設(shè)置；在sysTffsInit()函數(shù)中進(jìn)行2次rfaRegister()操作以完成2個(gè)分區(qū)的注冊(cè)；在rfaRegister()中根據(jù)注冊(cè)的TrueFFS設(shè)備個(gè)數(shù)設(shè)置本TrueFFS設(shè)備的設(shè)備號(hào)。在MTD層接口函數(shù)中一般都有一個(gè)Flash驅(qū)動(dòng)設(shè)備的參數(shù)，可以根據(jù)該參數(shù)來(lái)獲取2個(gè)TrueFFS設(shè)備的設(shè)備號(hào)，然后分別指向?qū)?yīng)的Flash地址范圍進(jìn)行相應(yīng)的操作。

　　MTD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)完成后，可以根據(jù)VxWorks提供的方式完成TrueFFS的加載。在應(yīng)用程序中可以通過組件配置界面進(jìn)行加載配置，而在bootrom中則需要手動(dòng)修改相應(yīng)的配置文件。

　　由于系統(tǒng)的啟動(dòng)需要從boottom開始，其編譯的結(jié)果文件必須以二進(jìn)制方式固化到程序Flash的起始位置，因此每片F(xiàn)lash起始的256 KB空間都預(yù)留出來(lái)，不參與TrueFFS系統(tǒng)的管理。這樣，F(xiàn)lash上文件的操作與bootrom啟動(dòng)代碼的保存不存在沖突。

　　3 bootrom的改進(jìn)

　　在VxWorks中，修改好的bootrom一般通過硬件調(diào)試工具固化到代碼Flash中，bootrom啟動(dòng)后通過TFTP方式實(shí)現(xiàn)編譯好的調(diào)試用VxWorks映像文件的下載過程，并完成該映像文件的啟動(dòng)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)基于串口或網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序調(diào)試，使用更加方便靈活。

　　為了滿足系統(tǒng)的要求，bootrom還需要增加如下功能：支持2個(gè)Flash分區(qū)的TrueFFS加載；支持FTP功能；支持從TrueFFS加載及啟動(dòng)應(yīng)用程序，以及從TFTP網(wǎng)絡(luò)方式加載及啟動(dòng)調(diào)試態(tài)VxWorks映像文件兩種方式，以保證系統(tǒng)即使在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，一旦發(fā)現(xiàn)問題，也能夠方便地進(jìn)行仿真調(diào)試；支持Flash的格式化及True-FFS的初始化功能，一旦文件系統(tǒng)異常后，可以通過該功能進(jìn)行TrueFFS的徹底重構(gòu)。由于boottom的主要工作在bootconfig．c文件中實(shí)現(xiàn)，因此上述改進(jìn)工作也主要在該文件中進(jìn)行。

　　還需要完成以下工作：在對(duì)應(yīng)配置文件中加入IN-CLUDE_TFFS和INCLUDE_FTP_SERVER的定義，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)TrueFFS和FTP功能的加載；對(duì)bootloader函數(shù)進(jìn)行修改，使其不支持基于TrueFFS的應(yīng)用程序啟動(dòng)，當(dāng)需要調(diào)試時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)方式加載和啟動(dòng)；增加一個(gè)類似于bootloader的功能函數(shù)，可以以此函數(shù)為模版進(jìn)行修改，完成TrueFFS功能的初始化和加載過程，以及基本網(wǎng)絡(luò)功能和FTP功能的加載，同時(shí)在程序Flash文件分區(qū)中存在應(yīng)用程序文件的前提下，實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用程序的加載和啟動(dòng)功能；增加2片F(xiàn)lash的格式化和TrueFFS的初始化功能函數(shù)。

　　對(duì)bootCmdLoop任務(wù)執(zhí)行流程進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)后的流程如圖4所示。

　　在bootCmdLoop進(jìn)入超級(jí)終端界面循環(huán)操作過程后，可以通過相關(guān)命令完成基于網(wǎng)絡(luò)方式的調(diào)試態(tài)VxWorks映像文件的加載和啟動(dòng)，也可以根據(jù)實(shí)際需要增加Flash格式化、自動(dòng)進(jìn)入超級(jí)終端界面標(biāo)志命令設(shè)置、軟件復(fù)位等功能。經(jīng)過上述改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)bootrom上運(yùn)行態(tài)應(yīng)用程序及調(diào)試態(tài)VxWorks映像文件的靈活加載和啟動(dòng)，不僅避免了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)為進(jìn)行調(diào)試而重新寫入bootrom的問題，而且方便應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)更新。

　　4 應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)更新

　　為了便于產(chǎn)品的維護(hù)和升級(jí)，本系統(tǒng)需要支持基于FTP的應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)更新，而VxWorks提供了各種類型應(yīng)用程序的加載啟動(dòng)方式。由于應(yīng)用程序最終在動(dòng)態(tài)RAM中執(zhí)行，因此在TrueFFS和FTP功能具備的前提下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)更新非常方便。

　　經(jīng)過改造后，bootrom和最終應(yīng)用程序中都實(shí)現(xiàn)了TrueFFS和FTP功能，因此在bootrom和最終應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)都可以完成應(yīng)用程序加載。另外，由于具備了bootrom中更新應(yīng)用程序的功能，即使由于應(yīng)用程序異常導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)行，復(fù)位后重新進(jìn)入bootrom仍然可以進(jìn)行新程序的更新，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性。

　　需要注意的是，通過TrueFFS方式加載啟動(dòng)的最終應(yīng)用程序也是default類型的，而不是rom類型的。如果下載到文件系統(tǒng)中的應(yīng)用程序是rom類型，則會(huì)導(dǎo)致bootrom無(wú)法成功加載該文件，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)方式與仿真調(diào)試過程基本類似。

　　結(jié) 語(yǔ)

　　經(jīng)過測(cè)試，采用上述實(shí)現(xiàn)方案后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。通過FTP工具，可以靈活地對(duì)2片F(xiàn)lash上文件分區(qū)中的文件進(jìn)行讀寫操作，2 MB左右的應(yīng)用程序文件可在30 s內(nèi)下載到Flash中。整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程穩(wěn)定可靠，對(duì)于2 MB左右的應(yīng)用程序，從裝置上電到bootrom啟動(dòng)，再到應(yīng)用程序正常開始運(yùn)行，基本可在十幾秒內(nèi)完成。本方案對(duì)于基于VxWorks系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品有一定的借鑒意義。