0 引言

　　盡管Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)有著諸多的優(yōu)勢，但是由于嵌入式操作系統(tǒng)自身的特點，如嵌入式應(yīng)用范圍的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致嵌入式產(chǎn)品維護難度大的問題更加突出。嵌入式系統(tǒng)在實際環(huán)境中投入運行后，掉電等意外的災(zāi)難、用戶錯誤或惡意地對數(shù)據(jù)進行修改和刪除、一部分無法在開發(fā)中充分測試的錯誤等都會導(dǎo)致功能失效，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。如果采用人工更新方式，由于安裝位置等因素有時會不方便。因此，嵌入式系統(tǒng)的自動備份與恢復(fù)機制是恢復(fù)數(shù)據(jù)最容易和最有效的保證方法[1]，并逐漸成為嵌入式系統(tǒng)實際應(yīng)用中的一個重要問題。

　　目前，普遍使用雙機熱備份[2]、容災(zāi)備份[3]等技術(shù)做為實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)高可靠性的設(shè)計方案，由于采用獨立的兩套系統(tǒng)，因此增加了一定的設(shè)計難度和成本[4]。本文針對當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)備份技術(shù)存在的一些問題，通過分析嵌入式U-Boot及Linux內(nèi)核，將嵌入式系統(tǒng)鏡像在一套設(shè)備上備份為多份，每次僅有一個系統(tǒng)運行。當(dāng)運行的操作系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，就會觸發(fā)系統(tǒng)備份恢復(fù)機制，使用下一個可用的備份分區(qū)覆蓋掉出現(xiàn)故障的系統(tǒng)分區(qū)，然后啟動下一個可用的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)不需要備用設(shè)備，大大地節(jié)約了成本和功耗，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　嵌入式Linux系統(tǒng)中的備份與恢復(fù)總體實現(xiàn)方案如圖1所示。

　　該系統(tǒng)由x-loader(SPL)、U-Boot、U-Boot Env、Judge-

　　Area、Kernel(uImage)和Rootfs(ubi.img)六部分組成。mtd是同一NAND Flash上劃分出的不同分區(qū)，并且uImage和ubi.img在設(shè)備上備份了多份，系統(tǒng)各組成部分特性及作用介紹如下：

　　(1)x-loader是一級引導(dǎo)程序[5]，U-Boot是二級引導(dǎo)程序[6]，U-Boot Env存儲內(nèi)核啟動參數(shù)。

　　(2)Judge-Area存儲系統(tǒng)備份及恢復(fù)參數(shù)。在U-Boot和Linux下可以共享訪問。

　　(3)Kernel是Linux內(nèi)核[7]，Rootfs采用開源的無排序區(qū)塊圖像文件系統(tǒng)UBIFS(Unsorted Block Image File System)，特別適用于嵌入式系統(tǒng)[8]。

　　A、B、C均為系統(tǒng)鏡像區(qū)，存放內(nèi)核和文件系統(tǒng)。U-Boot通過判斷Judge-Area中的參數(shù)，啟動其中一個系統(tǒng)鏡像區(qū)，并將啟動過程中的故障情況反饋給Judge-Area。當(dāng)系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障或者崩潰時，使用watchdog機制來使其硬件復(fù)位，通過U-Boot下的自動備份恢復(fù)機制，用其他可運行的備份來覆蓋出現(xiàn)故障的系統(tǒng)鏡像區(qū)，確保能啟動一個可用系統(tǒng)。

　　目前運行Linux系統(tǒng)的NAND Flash配置都比較大，而裁剪后的內(nèi)核和精簡的UBI文件系統(tǒng)實際占用不到20 MB容量，或者更少[9]。因此，這為實現(xiàn)Linux系統(tǒng)的多重備份提供了可能。

　　1.2 備份及恢復(fù)機制

　　下面以三重備份與恢復(fù)為例來說明系統(tǒng)的備份及恢復(fù)流程，整個系統(tǒng)鏡像分3個地方保存在NAND Flash，具體的過程如下：

　　(1)系統(tǒng)上電或復(fù)位U-Boot啟動運行，假設(shè)A區(qū)相關(guān)的r_active_1(引導(dǎo)標(biāo)志)和b_success_1(內(nèi)核啟動成功標(biāo)志)為“yes”，BC區(qū)域均為“no”。在系統(tǒng)鏡像未成功啟動以前的過程可以認為是啟動失敗的，所以先設(shè)置A區(qū)r_active_1、b_success_1為“no”，rec_kernel_1(內(nèi)核恢復(fù)標(biāo)志)、rec_fs_1(文件系統(tǒng)恢復(fù)標(biāo)志)為“yes”。還要設(shè)置B區(qū)r_active_2、b_success_2為“yes”。

　　(2)然后U-Boot加載A區(qū)域的系統(tǒng)，若Linux系統(tǒng)運行正常，則在Linux下還原所有標(biāo)志值為初始值。若引導(dǎo)失敗，則若干時間后觸發(fā)watchdog復(fù)位系統(tǒng)，此時U-Boot再次運行，判斷b_success_1為“no”，表示上次引導(dǎo)失敗，并且rec_kernel_1、rec_fs_1為“yes”，表示需要將B區(qū)的內(nèi)核及文件系統(tǒng)覆蓋到A區(qū)，覆蓋成功后清除恢復(fù)標(biāo)志和重置b_success_1，再通過watchdog復(fù)位系統(tǒng)。

　　(3)U-Boot判斷r_active_2、b_success_2為“yes”，故選擇啟動B區(qū)域的系統(tǒng)。在系統(tǒng)啟動成功以前，設(shè)置B區(qū)r_active_2、b_success_2為“no”，rec_kernel_2、rec_fs_2為“yes”，還要設(shè)置C區(qū)r_active_3為“yes”。

　　(4)加載B區(qū)域的系統(tǒng)，若Linux系統(tǒng)能正常運行，則在Linux下還原所有標(biāo)志為初始值。如果B區(qū)也失敗了，復(fù)位系統(tǒng)，在U-Boot下用C區(qū)覆蓋B區(qū)域。覆蓋成功后清除恢復(fù)標(biāo)志和重置b_success_2，再通過watchdog復(fù)位系統(tǒng)。同理，再從C區(qū)域的系統(tǒng)啟動，當(dāng)C區(qū)域也出現(xiàn)問題后，則重新從A區(qū)域啟動，循環(huán)依次選擇。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　2.1 Judge-Area基礎(chǔ)設(shè)計

　　Judge-Area是在NAND Flash上劃分出的單獨區(qū)域，內(nèi)部存儲系統(tǒng)備份及恢復(fù)的環(huán)境參數(shù)，該區(qū)類似U-Boot Env區(qū)域。

　　為了能在U-Boot下查看和修改這些參數(shù)，將本區(qū)域的所有參數(shù)定義在一個judge_tab數(shù)組中，然后導(dǎo)入到哈希表judge_htab中。

　　struct hsearch_data judge_htab;

　　himport_r(&judge_htab, (char *)judge_tab, \

　　sizeof(judge_tab), ′\0′, 0)

　　為方便調(diào)試和實現(xiàn)手動進行備份恢復(fù)操作，添加U-Boot下串口打印命令printjudge，修改命令setjudge，保存命令savejudge。打印命令printjudge的實現(xiàn)為：

　　/* print a single name */

　　hsearch_r(e, FIND, &ep, &judge_htab)；

　　/* print whole list */

　　len=hexport_r(&judge_htab, ′\n′, &res, 0)；

　　同理，修改命令setjudge也是對judge_htab的簡單操作，由于這些修改只是對內(nèi)存上的數(shù)值進行操作，所以修改后的值沒有保存在NAND Flash中。保存命令savejudge便是對這些變量進行存儲，存儲的過程如下：使用hexport_r將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到新的哈希表judge_htab_new，然后調(diào)用nand_erase_opts擦除Judge-Area區(qū)域，最后使用nand_write將數(shù)據(jù)寫入到該區(qū)域。為提高讀寫數(shù)據(jù)的可靠性，開啟硬件壞塊檢測、ECC校驗。

　　2.2 U-Boot下備份及恢復(fù)設(shè)計

　　U-Boot下備份及恢復(fù)機制設(shè)計如圖2所示。

　　函數(shù)judge_get()實際上調(diào)用hsearch_r函數(shù)查詢哈希表judge_htab，從Judge-Area讀取下一個系統(tǒng)鏡像的地址addr_x及大小size_x。

　　函數(shù)img_recover()的功能是調(diào)用img_read、img_write恢復(fù)下一個系統(tǒng)鏡像到當(dāng)前系統(tǒng)鏡像區(qū)。

　　Judge-Area參數(shù)重置函數(shù)judge_reset()主要工作是調(diào)用setjudge分別設(shè)置b_success_x為"yes"，設(shè)置rec_fs_x、rec_kernel_x為"no"。

　　U-Boot Env參數(shù)重置函數(shù)uEnv_reset()的工作是調(diào)用setenv設(shè)置nand_src_addr、nand_img_siz、nand_root對應(yīng)為"n_kaddr_x"、"n_ksize_x"、"ubi0:rootfs rw ubi.mtd=y,2048"。其中，setenv為U-Boot自帶的函數(shù)[10]，y(y=2*x+6)為文件系統(tǒng)所在分區(qū)。

　　參數(shù)預(yù)處理函數(shù)judge_init()主要工作是調(diào)用setjudge分別設(shè)置r_active_x、b_success_x為"no"，設(shè)置rec_kernel_x、rec_fs_x、r_active_y、b_success_y為"yes"。其中，y=cyc_add(x)，函數(shù)cyc_add()為周期相加函數(shù)，即當(dāng)x<MAX_MTD_SYSTEM(系統(tǒng)鏡像區(qū)數(shù)量)時，x++,否則x=1。

　　2.3 Linux下備份及恢復(fù)設(shè)計

　　在系統(tǒng)鏡像啟動之前，U-Boot已經(jīng)修改了Judge-Area中的參數(shù)并保存到NAND Flash，那么，Linux下就是對這些參數(shù)進行后期處理。本文采用開機自啟動腳本方式實現(xiàn)參數(shù)的處理[11]，針對實際的應(yīng)用環(huán)境，可以將腳本插入到“不信任”位置。一旦系統(tǒng)或程序崩潰，腳本就會接收到由應(yīng)用程序、內(nèi)核等傳來的命令。然后決定是進行參數(shù)還原，還是復(fù)位系統(tǒng)。Linux下備份及恢復(fù)機制主要就是通過該腳本實現(xiàn)，如圖3所示。

　　本文使用MTD+UBIFS的方式管理Flash，跳過FTL/NFTL(Flash轉(zhuǎn)換層/NAND Flash轉(zhuǎn)換層)，大大提高了管理能力[12]。借用mtd-utils工具包中針對NAND操作的工具[13]，可以將Judge-Area(mtd6)區(qū)中的內(nèi)容保存到j(luò)udge.txt文件中。然后調(diào)用Linux下的sed命令修改標(biāo)志位，最后將修改后的文件寫回到Judge-Area區(qū)。整個操作由anti_judge_init腳本完成，主要工作如下：

　　mtd_debug read /dev/mtd6 0 $filesize judge.txt

　　/* 修改參數(shù)old_flag為new_flag */

　　sed -e "s/$old_flag/$new_flag/g" judge.txt

　　mtd_debug erase /dev/mtd6 0 $filesize

　　mtd_debug read /dev/mtd6 0 $filesize judge.txt

　　為保證NAND分區(qū)一致性，需要修改內(nèi)核NAND partition信息。內(nèi)核分區(qū)信息存放在mtd_partition結(jié)構(gòu)體中，該文件一般位于arm/arm/plat目錄下。另外，制作UBIFS文件系統(tǒng)也要和內(nèi)核分區(qū)保持一致。制作UBIFS鏡像文件，需要使用mkfs.ubifs工具，該工具也是mtd-utils工具包中的內(nèi)容[14]。

3 系統(tǒng)測試

　　本系統(tǒng)在多款開發(fā)板上測試通過，以Tiny210開發(fā)板上的三重備份與恢復(fù)系統(tǒng)為例，測試方法是重新編譯包含自動備份與恢復(fù)機制的u-boot.img、uImage和ubi.img。ubi.img中加入了視頻監(jiān)控程序，在該程序中預(yù)留運行一段時間攝像頭就會打開失敗的BUG。因此，視頻監(jiān)控程序就是本系統(tǒng)“不信任”位置，如果程序運行失敗，就執(zhí)行Linux下的自動備份與恢復(fù)機制。Tiny210開發(fā)板集成了512 MB SLC NAND Flash，將NAND Flash被分成12個區(qū)域，見表1。

　　進入SD卡上的U-Boot，運行updatesys將生成的u-boot.img、uImage、ubiubi.img燒寫到指定區(qū)域。上電，系統(tǒng)啟動成功，運行視頻監(jiān)控程序一段時間后，系統(tǒng)自動重啟，在串口上查看到的備份與恢復(fù)信息如圖4所示。

　　從打印的信息可以看出，A區(qū)的系統(tǒng)鏡像被B區(qū)覆蓋，接著運行另一個分區(qū)的系統(tǒng)鏡像。

4 結(jié)論

　　從測試結(jié)果看，本文設(shè)計的備份與恢復(fù)機制可以保證系統(tǒng)能在特殊的環(huán)境下穩(wěn)定地工作，整個過程都是系統(tǒng)自動完成，維護方便。目前，NAND Flash的成本越來越低，容量越來越大[15]，這種備份與恢復(fù)方法無疑是降低成本、保證系統(tǒng)穩(wěn)定性方便有效的方法。該方案可以應(yīng)用在一些對功能穩(wěn)定性要求高和維護不方便的系統(tǒng)測試等場合。

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