《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TrueFFS上VxWorks應(yīng)用程序的啟動(dòng)及動(dòng)態(tài)更新
摘要: 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)于用戶來說,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。
Abstract:
Key words :

  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)于用戶來說,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。

系統(tǒng)基本功能框圖

  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。

TrueFFS的層次結(jié)構(gòu)

  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。

寫操作流程

  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,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。

改進(jìn)后的流程

  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

  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。

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