引 言
在嵌入式產(chǎn)品中，一般使用Flash作為應用程序代碼及各種數(shù)據(jù)和參數(shù)的存儲介質。尤其是NOR Flash具有操作接口簡單、傳輸效率高、芯片內(nèi)執(zhí)行(eXecute In Place，XIP)的特點，在電力、鐵路等工業(yè)控制領域得到了廣泛應用。
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現(xiàn)對Flash的操作。而對于用戶來說，如何在自己的硬件系統(tǒng)上根據(jù)Flash的具體型號和使用要求實現(xiàn)TrueFFS系統(tǒng)，并在此基礎上完成應用程序代碼的靈活啟動、更新，同時兼顧仿真調試的需求，則非常重要。
1 系統(tǒng)基本功能
本系統(tǒng)應用于鐵路牽引自動化系統(tǒng)中，實現(xiàn)在電氣化鐵路供電系統(tǒng)中對相關電力設備的保護、測量和控制功能。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(尤其是電力自動化控制領域)。系統(tǒng)通過2路以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與當?shù)鼗蜻h方設備的通信，維護串口用來實現(xiàn)對本設備的維護，采用2片16位接口的NOR Flash實現(xiàn)應用程序和有關參數(shù)及數(shù)據(jù)的存儲。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。有關的模擬量及開關量狀態(tài)信息經(jīng)過對應接口采集到系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)過保護算法軟件的處理后，再通過數(shù)字量輸出接口完成對有關設備的控制操作。
在傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)中，編譯好的運行態(tài)應用程序一般通過硬件調試工具(如BDM調試器)直接固化到程序Flash的指定位置，裝置上電或復位后，CPU直接跳轉到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中都實現(xiàn)TrueFFS系統(tǒng)；并且為了滿足動態(tài)更新程序的要求，還需要實現(xiàn)FTP的功能。因此，需要實現(xiàn)如下功能：在2片F(xiàn)lash上實現(xiàn)True-FFS；在bootrom和應用VxWorks程序上實現(xiàn)TrueFFS和FTP的加載；對bootrom進行改造，以實現(xiàn)應用VxWorks程序和調試VxWorks程序分別通過TrueFFS和TFTP的方式啟動。
2 TrueFFS的實現(xiàn)及加載
2．1 TrueFFS的層次結構
如圖2所示，VxWorks中TrueFFS的層次結構包括內(nèi)核層、翻譯層、socket層、MTD層。由于VxWorks對TrueFFS進行了優(yōu)秀的層次劃分和封裝，用戶一般不需要對上述基本層次代碼進行修改。MTD層實現(xiàn)了對常用幾種類型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應MTD層代碼的編寫。
2．2 MTD層代碼實現(xiàn)
由于本系統(tǒng)中選用的2片F(xiàn)lash為Spansion公司的S29AL032D，因此需要編寫對應的驅動代碼。對于MTD層，一般向上提供MTD識別、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)，可以不提供單獨的鏡像函數(shù)，系統(tǒng)會使用內(nèi)部缺省的鏡像函數(shù)。需要在2片F(xiàn)lash上實現(xiàn)TrueFFS，即每片F(xiàn)lash相當于一個分區(qū)，這一點在編寫驅動程序時需要重點考慮。在MTD層驅動程序中，F(xiàn)lash的單個字節(jié)(或字)寫入接口函數(shù)為重點，不同F(xiàn)lash類型以及不同的端口寬度都會導致該函數(shù)的實現(xiàn)不同。其寫操作流程如圖3所示。
為了在兩片F(xiàn)lash上實現(xiàn)2個文件分區(qū)，可以采用以下方式：在sysTffs．c中定義新的MTD類型，并根據(jù)實際需要定義2片F(xiàn)lash(即兩個分區(qū))的起始地址和長度，并根據(jù)上述定義完成TrueFFS設備基址和窗口尺寸的設置；在sysTffsInit()函數(shù)中進行2次rfaRegister()操作以完成2個分區(qū)的注冊；在rfaRegister()中根據(jù)注冊的TrueFFS設備個數(shù)設置本TrueFFS設備的設備號。在MTD層接口函數(shù)中一般都有一個Flash驅動設備的參數(shù)，可以根據(jù)該參數(shù)來獲取2個TrueFFS設備的設備號，然后分別指向對應的Flash地址范圍進行相應的操作。
MTD驅動設計完成后，可以根據(jù)VxWorks提供的方式完成TrueFFS的加載。在應用程序中可以通過組件配置界面進行加載配置，而在bootrom中則需要手動修改相應的配置文件。
由于系統(tǒng)的啟動需要從boottom開始，其編譯的結果文件必須以二進制方式固化到程序Flash的起始位置，因此每片F(xiàn)lash起始的256 KB空間都預留出來，不參與TrueFFS系統(tǒng)的管理。這樣，F(xiàn)lash上文件的操作與bootrom啟動代碼的保存不存在沖突。
3 bootrom的改進
在VxWorks中，修改好的bootrom一般通過硬件調試工具固化到代碼Flash中，bootrom啟動后通過TFTP方式實現(xiàn)編譯好的調試用VxWorks映像文件的下載過程，并完成該映像文件的啟動。這樣就可以實現(xiàn)基于串口或網(wǎng)絡的應用程序調試，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Flash分區(qū)的TrueFFS加載；支持FTP功能；支持從TrueFFS加載及啟動應用程序，以及從TFTP網(wǎng)絡方式加載及啟動調試態(tài)VxWorks映像文件兩種方式，以保證系統(tǒng)即使在現(xiàn)場運行過程中，一旦發(fā)現(xiàn)問題，也能夠方便地進行仿真調試；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，可以通過該功能進行TrueFFS的徹底重構。由于boottom的主要工作在bootconfig．c文件中實現(xiàn)，因此上述改進工作也主要在該文件中進行。
還需要完成以下工作：在對應配置文件中加入IN-CLUDE_TFFS和INCLUDE_FTP_SERVER的定義，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對TrueFFS和FTP功能的加載；對bootloader函數(shù)進行修改，使其不支持基于TrueFFS的應用程序啟動，當需要調試時通過網(wǎng)絡方式加載和啟動；增加一個類似于bootloader的功能函數(shù)，可以以此函數(shù)為模版進行修改，完成TrueFFS功能的初始化和加載過程，以及基本網(wǎng)絡功能和FTP功能的加載，同時在程序Flash文件分區(qū)中存在應用程序文件的前提下，實現(xiàn)該應用程序的加載和啟動功能；增加2片F(xiàn)lash的格式化和TrueFFS的初始化功能函數(shù)。
對bootCmdLoop任務執(zhí)行流程進行調整，改進后的流程如圖4所示。
在bootCmdLoop進入超級終端界面循環(huán)操作過程后，可以通過相關命令完成基于網(wǎng)絡方式的調試態(tài)VxWorks映像文件的加載和啟動，也可以根據(jù)實際需要增加Flash格式化、自動進入超級終端界面標志命令設置、軟件復位等功能。經(jīng)過上述改進，可以實現(xiàn)bootrom上運行態(tài)應用程序及調試態(tài)VxWorks映像文件的靈活加載和啟動，不僅避免了現(xiàn)場運行系統(tǒng)為進行調試而重新寫入bootrom的問題，而且方便應用程序的動態(tài)更新。
4 應用程序的動態(tài)更新
為了便于產(chǎn)品的維護和升級，本系統(tǒng)需要支持基于FTP的應用程序動態(tài)更新，而VxWorks提供了各種類型應用程序的加載啟動方式。由于應用程序最終在動態(tài)RAM中執(zhí)行，因此在TrueFFS和FTP功能具備的前提下，實現(xiàn)應用程序的動態(tài)更新非常方便。
經(jīng)過改造后，bootrom和最終應用程序中都實現(xiàn)了TrueFFS和FTP功能，因此在bootrom和最終應用程序執(zhí)行時都可以完成應用程序加載。另外，由于具備了bootrom中更新應用程序的功能，即使由于應用程序異常導致無法運行，復位后重新進入bootrom仍然可以進行新程序的更新，從而增強了系統(tǒng)的健壯性。
需要注意的是，通過TrueFFS方式加載啟動的最終應用程序也是default類型的，而不是rom類型的。如果下載到文件系統(tǒng)中的應用程序是rom類型，則會導致bootrom無法成功加載該文件，因為其實現(xiàn)方式與仿真調試過程基本類似。
結 語
經(jīng)過測試，采用上述實現(xiàn)方案后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。通過FTP工具，可以靈活地對2片F(xiàn)lash上文件分區(qū)中的文件進行讀寫操作，2 MB左右的應用程序文件可在30 s內(nèi)下載到Flash中。整個系統(tǒng)的啟動過程穩(wěn)定可靠，對于2 MB左右的應用程序，從裝置上電到bootrom啟動，再到應用程序正常開始運行，基本可在十幾秒內(nèi)完成。本方案對于基于VxWorks系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品有一定的借鑒意義。