一种嵌入式系统bootrom自动备份及切换技术

引言
    随着物联网概念的兴起，嵌入式系统在社会各个领域的应用越来越广泛。由于产品应用的场合越来越复杂，对于嵌入式产品开发就提出了新的要求，其中最明显的表现就是嵌入式系统软件的维护变得日益重要。嵌入式系统投入实际环境中运行后，一部分在软件开发过程中无法充分测试的错误便会暴露出来；在嵌入式系统的运行期内，用户也往往会对嵌入式软件提出新的功能要求和性能要求。因此，嵌入式软件的更新逐渐成为嵌入式系统实际应用的一个重要问题。在嵌入式系统安装数量较多，或安装位置不方便的情况下，采用人工更新方式会花费较大的人力和物力。这时候就需要实现软件的远程自动更新，通过在系统中设计一个有线或无线的通信接口，在异地采用远程通信的方式实现嵌入式软件的自动更新。
    实现自动更新能有效地降低嵌入式软件的更新和维护成本，因此得到了广泛的应用。但是，在实际的应用过程中也发现了一些问题。由于更新过程中发生的一些异常操作(比如突然断电、更新数据传输错误等)，会导致产品软件损坏，用户无法维修，必须发回产品生产厂家进行维修，这给产品使用造成了很大的不便。
    分析这种问题发生的原因，当采用嵌入式Linux、Windows CE等较为复杂的操作系统时，一般设计一个独立的bootrom程序，对系统进行初始化并引导嵌入式操作系统。而系统的更新仅仅考虑备份了应用层程序或是嵌入式操作系统，没有对bootrom进行备份，所以当升级boot rom出现异常后，系统将无法再次启动。同时，由于bootrom的加载必须通过烧片机或专用JTAG仿真器进行，而这些工具一般无法在现场使用，用户也不具备这种条件，因此必须返回厂家进行维修。本文针对这种问题，提出一种bootrom自动备份及切换技术，当系统更新出错后，产品能自动切换从备份bootrom启动，启动后再恢复已写坏的主bootrom。

1 系统设计
1．1 设计思想
    对于嵌入式系统，基于ARM、Power PC或MIPS架构，以及基于Linux、VxWorks等操作系统，其启动原理都是一样的。首先，系统上电后复位电路复位整个系统；在复位过程中，CPU读取外部配置(这个配置一般由CPU引脚通过上下拉电阻确定)；复位结束后，CPU根据配置从相应的外部程序存储器的特定地址读取bootrom代码，大多数嵌入式系统一般采用的是NOR Flash，也有部分采用NAND Flash或CF卡等存储器；然后执行bootrom代码，初始化CPU各个部分，最后引导操作系统及应用软件启动。
    对于一个确定的嵌入式系统，其CPU读取第一条指令的地址和片选是一定的。下面就以MPC5200B系统为例，说明实现bootrom自备份及自切换系统的实现方法。
    MPC5200B支持的bootrom地址为0x00000000或是0xfff00000，由复位配置确定从哪一个地址读取，支持的bootrom空间为512 KB。要实现bootrom自动备份及自动切换有两种方案：
    ①采用2片NOR Flash，同时挂在MPC5200B的本地总线上，通过一个CPLD提供2个Flash的片选信号，由软件和CPLD根据boot启动状态确定把boot_cs输出给哪一片Flash。
    ②采用1片NOR Flash，划分两个区域，每个区域为512 KB，通过CPLD去切换地址实现。
    本文采用方案一实现bootrom切换功能。
1．2 总体设计
    如图1所示，CPU输出两个片选信号(boot_cs和CSD给CPLD，同时CPU Local bus的其他信号分别连接到FlashA、FlashB以及CPLD上，CPLD输出一个复位信号给CPU，复位电路和时钟电路给CPLD和CPU提供复位和时钟信号。

    要实现bootrom自动切换及备份，需要CPLD和软件共同进行处理。默认主Flash为FlashA，备份Flash为FlashB。具体步骤如下：
    ①启动时，CPU发出boot_cs信号，从Local bus的0x00000000地址开始读取软件，CPLD默认把boot_cs信号送给FlashA。如果CPU正常启动，等CPU启动完成后，软件向CPLD的bootrom启动寄存器中写入值A。
    ②CPLD延时5 s后读取bootrom启动寄存器，当发现这个寄存器值为A时，代表bootrom已经成功启动，CPLD锁定输出boot_cs给第一片Flash。同时，输出CS1给FlashB，软件检测FlashB中代码的完整性。如果完整，则不处理；如果发现FlashB中代码不完整，重新往FlashB中写入代码。[!--empirenews.page--]
    ③如果FlashA中的代码已经损坏，CPU将无法启动。此时，CPLD等待5 s后检测到的bootrom启动寄存器值仍为初始值，CPLD认为FlashA已损坏，切换boot_cs信号输出到FlashB，然后发送一个复位信号给CPU，CPU重新开始启动过程。CPU从FlashB中启动代码，启动完成后，软件向CPLD的bootrom启动寄存器中写入值B。此时输出CS1给FlashA，软件检测FlashA中代码的完整性。如果完整，则不处理。如果发现FlashA中代码不完整，则更新FlashA中的代码，更新完毕后通知CPLD复位CPU，并输出boot_cs给FlashA，从FlashA重新启动。
    ④系统更新bootrom时，首先改写FlashA中的代码，并重新启动；然后验证FlashA中代码的完整性，如果FlashA中代码完整，则更新到FlashB中。

2 系统实现
    本系统由软件和CPLD配合实现，其中CPLD根据软件反馈的状态来确定片选的分配以及系统的复位。软件则在启动后对cpld Bootrom_run寄存器进行置位，并对两片Flash的代码进行CRC校验。如果有错误，则修复相应的Flash代码，并记录相关错误信息。
    CPLD工作流程如图2所示。

    本系统采用了Altera公司的MAXII CPLD实现，编译通过后仅占用124个逻辑单元，很方便就可以把相关的代码添加到产品现有的CPLD中，实现bootrom自动备份和切换功能。

结语
    本文提出了一种基于CPLD实现嵌入式软件bootrom自动备份及切换功能的方法。该方法在PowerPC处理器MPC5200、MIPS处理器RM7000A和ARM处理器ATM9200的平台上都得到了验证，均能保证系统的正常启动，并能完成bootrom的自动恢复，为产品软件更新升级提供了强有力的保证。本设计由于采用了两片Flash，因此增加了一定的设计难度和成本。但相对于可靠的bootrom更新机制、自动化和可靠性所带来的维护成本的降低，这个代价是值得的。