TrueFFS上VxWorks應用程序的啟動及動態更新

　引 言

　　在嵌入式產品中，一般使用Flash作為應用程序代碼及各種數據和參數的存儲介質。尤其是NOR Flash具有操作接口簡單、傳輸效率高、芯片內執行(eXecute In Place，XIP)的特點，在電力、鐵路等工業控制領域得到了廣泛應用。

　　為了便于用戶的使用，VxWorks操作系統提供了基于Flash的文件系統，即TrueFFS。TrueFFS與DosFS文件系統基本兼容，通過VxWorks提供的操作接口以文件的方式實現對Flash的操作。而對于用戶來說，如何在自己的硬件系統上根據Flash的具體型號和使用要求實現TrueFFS系統，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 系統基本功能

　　本系統應用于鐵路牽引自動化系統中，實現在電氣化鐵路供電系統中對相關電力設備的保護、測量和控制功能。系統基本功能框圖如圖1所示。核心CPU選用Freescale公司的ColdFire系列32位微控制器MCF5234。該處理器內部集成了UART、SPI、I2C、ETPU、CAN、以太網等豐富的功能模塊，系統主頻可達150 MHz，主要用于工業控制、智能家電等方面(尤其是電力自動化控制領域)。系統通過2路以太網接口實現與當地或遠方設備的通信，維護串口用來實現對本設備的維護，采用2片16位接口的NOR Flash實現應用程序和有關參數及數據的存儲。系統提供模擬量輸入、數字量輸入、數字量輸出等接口。有關的模擬量及開關量狀態信息經過對應接口采集到系統內部，經過保護算法軟件的處理后，再通過數字量輸出接口完成對有關設備的控制操作。

　　在傳統嵌入式系統中，編譯好的運行態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，由于系統要求保存較多的參數和數據，需要在2片Flash中都實現TrueFFS系統；并且為了滿足動態更新程序的要求，還需要實現FTP的功能。因此，需要實現如下功能：在2片Flash上實現True-FFS；在bootrom和應用VxWorks程序上實現TrueFFS和FTP的加載；對bootrom進行改造，以實現應用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的層次結構包括內核層、翻譯層、socket層、MTD層。由于VxWorks對TrueFFS進行了優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

　　由于本系統中選用的2片Flash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連續扇區擦除、Flash連續數據寫等主要接口函數，可以不提供單獨的鏡像函數，系統會使用內部缺省的鏡像函數。需要在2片Flash上實現TrueFFS，即每片Flash相當于一個分區，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，Flash的單個字節(或字)寫入接口函數為重點，不同Flash類型以及不同的端口寬度都會導致該函數的實現不同。其寫操作流程如圖3所示。

　　為了在兩片Flash上實現2個文件分區，可以采用以下方式：在sysTffs．c中定義新的MTD類型，并根據實際需要定義2片Flash(即兩個分區)的起始地址和長度，并根據上述定義完成TrueFFS設備基址和窗口尺寸的設置；在sysTffsInit()函數中進行2次rfaRegister()操作以完成2個分區的注冊；在rfaRegister()中根據注冊的TrueFFS設備個數設置本TrueFFS設備的設備號。在MTD層接口函數中一般都有一個Flash驅動設備的參數，可以根據該參數來獲取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Flash起始的256 KB空間都預留出來，不參與TrueFFS系統的管理。這樣，Flash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。這樣就可以實現基于串口或網絡的應用程序調試，使用更加方便靈活。

　　為了滿足系統的要求，bootrom還需要增加如下功能：支持2個Flash分區的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網絡方式加載及啟動調試態VxWorks映像文件兩種方式，以保證系統即使在現場運行過程中，一旦發現問題，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，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，從而實現系統對TrueFFS和FTP功能的加載；對bootloader函數進行修改，使其不支持基于TrueFFS的應用程序啟動，當需要調試時通過網絡方式加載和啟動；增加一個類似于bootloader的功能函數，可以以此函數為模版進行修改，完成TrueFFS功能的初始化和加載過程，以及基本網絡功能和FTP功能的加載，同時在程序Flash文件分區中存在應用程序文件的前提下，實現該應用程序的加載和啟動功能；增加2片Flash的格式化和TrueFFS的初始化功能函數。

　　對bootCmdLoop任務執行流程進行調整，改進后的流程如圖4所示。

　　在bootCmdLoop進入超級終端界面循環操作過程后，可以通過相關命令完成基于網絡方式的調試態VxWorks映像文件的加載和啟動，也可以根據實際需要增加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。經過上述改進，可以實現bootrom上運行態應用程序及調試態VxWorks映像文件的靈活加載和啟動，不僅避免了現場運行系統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更新。

　　4 應用程序的動態更新

　　為了便于產品的維護和升級，本系統需要支持基于FTP的應用程序動態更新，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RAM中執行，因此在TrueFFS和FTP功能具備的前提下，實現應用程序的動態更新非常方便。

　　經過改造后，bootrom和最終應用程序中都實現了TrueFFS和FTP功能，因此在bootrom和最終應用程序執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，因為其實現方式與仿真調試過程基本類似。

　　結 語

　　經過測試，采用上述實現方案后，系統運行穩定。通過FTP工具，可以靈活地對2片Flash上文件分區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內下載到Flash中。整個系統的啟動過程穩定可靠，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，基本可在十幾秒內完成。本方案對于基于VxWorks系統的嵌入式產品有一定的借鑒意義。