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嵌入式Linux的safe mode設(shè)計與實現(xiàn)

作者: 時間:2009-04-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  目前的各種嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)豐富多彩,它們正改變著我們的生活方式。隨著嵌入式產(chǎn)品功能的增加,如何讓用戶對已購買的產(chǎn)品的升級能安全地、順利地完成,避免升級過程中出現(xiàn)的意外掉電所引起的產(chǎn)品故障,這樣的問題要求嵌入產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)者在設(shè)計時就將產(chǎn)品的 safe mode 考慮進(jìn)去。這里我們將以一個 網(wǎng)絡(luò)播放器為例,來說明 safe mode 的設(shè)計與實現(xiàn)。通過本文,我們可以了解到針對一個實際的嵌入式系統(tǒng),設(shè)計中需要注意的技術(shù)要點和實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

  為什么需要 safe mode()

  當(dāng)用戶購買一個產(chǎn)品后,在后續(xù)的服務(wù)中,可能還會發(fā)生一些費用,讓產(chǎn)品開發(fā)商增加成本,如免費電話咨詢,產(chǎn)品的維修、寄送。所以說將產(chǎn)品的賣出并不意味著最終的贏利。這樣的情況下,產(chǎn)品的設(shè)計就需要更加合理,更加優(yōu)化,來滿足用戶各種可能的需求。特別是在發(fā)生異常故障的時候,如果能引導(dǎo)客戶自行完成診斷、修復(fù),那么將大大降低后續(xù)的服務(wù)成本。正因為如此,產(chǎn)品故障時,就很需要safe mode安全模式來幫助用戶完成恢復(fù)的工作。

  從節(jié)約產(chǎn)品的成本、產(chǎn)品所能提供的功能上來看,safe mode 是大有裨益的。

  大家所熟知的 windows 系統(tǒng),也提供了 safe mode 安全模式,它就可以幫助用戶解決系統(tǒng)不穩(wěn)定,硬件沖突等諸多故障,讓用戶在自己可以操作的能力范圍內(nèi)先行對系統(tǒng)進(jìn)行診斷與修復(fù)。在很大程度上, windows 的 safe mode 給用戶與 Microsoft 都帶來了很大的便利。

  產(chǎn)品與其他IT產(chǎn)品不同的地方,主要是使用flash來存貯運行時的系統(tǒng)。它沒有大的內(nèi)存,沒有大的存儲空間,但它卻也是一個完整的系統(tǒng)。

  在通常情況下,產(chǎn)品的flash上的內(nèi)容是不會被破壞的,也即它們會有著較好的穩(wěn)定性,不會因為用戶的常規(guī)使用而導(dǎo)致flash上的 firmware被破壞。但隨著產(chǎn)品的更新升級,用戶也需要在自己家中完成對已購買商品的更新?lián)Q代。而用戶大多屬于非技術(shù)熟悉者,在更新升級中就可能出現(xiàn)種種意想不到的情況。

  比如在用戶做firmware升級更新時,平時不會出現(xiàn)問題的firmware可能在這個過程中,就面臨著巨大的風(fēng)險,極有可能致使用戶的系統(tǒng)無法啟動,不能正常工作。這樣的情況是我們不愿意看到的,而實際中卻的的確確可能會發(fā)生。

  考慮這樣一個場景:當(dāng)用戶對產(chǎn)品進(jìn)行firmware升級時,如果在燒寫flash的過程中,意外掉電,那么用戶手中的產(chǎn)品就將無法再次啟動,因為 rootfs系統(tǒng)已經(jīng)被破壞了。用戶所能做的,也只能將產(chǎn)品送回產(chǎn)商進(jìn)行維修。這樣來回的過程不僅耗費用戶的精力,同樣也會增加產(chǎn)品開發(fā)商的成本。在產(chǎn)品升級換代很快的當(dāng)前市場情況下,這樣的情況可能會經(jīng)常發(fā)生。

  如何避免這樣的情況的發(fā)生呢?如果我們可以提供一個機制,在進(jìn)行升級前即往flash中寫入一個標(biāo)記,正常完成后,再寫入另一個標(biāo)記來表示整個過程的正常結(jié)束,否則的話,燒寫時掉電不會寫入第二個標(biāo)記,只有第一個標(biāo)記,那么就認(rèn)為產(chǎn)品故障,這個時候,進(jìn)入另一個新的提示界面,讓用戶自己選擇從 USB或FTP來重新升級firmware。這樣的話,整個過程用戶就完全可以在界面的友好提示下自己完成,方便了用戶與產(chǎn)品開發(fā)商。

  系統(tǒng)架構(gòu)

  本文以一個實際的產(chǎn)品為例,來說明safe mode的設(shè)計。

  系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)

  本系統(tǒng)為一個嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)播放器,主要的功能為播放家庭網(wǎng)絡(luò)中的多媒體文件,在家庭客廳等環(huán)境中有著大量的應(yīng)用,它可以給用戶提供更方便快捷的媒體文件的播放方式,并能充分利用家庭音響系統(tǒng)的巨大功能,而非PC環(huán)境下有限的外部設(shè)備,大大改善了媒體文件的播放體驗。

  本系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖:

本系統(tǒng)的架構(gòu)

  產(chǎn)品所使用的flash總大小為16M。

  系統(tǒng)包括三大部分,即Bootloader,config, kernel + rootfs:

  另外,/dev/mtdblock/0,在系統(tǒng)中對應(yīng)整個flash block,即整個16M空間。

  系統(tǒng)啟動時,bootloader將kernel和根文件映象從flash上讀取到RAM空間中,為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù),調(diào)用內(nèi)核,進(jìn)入application,進(jìn)行媒體文件的播放。

  這個通常意義上的嵌入式Linux系統(tǒng),它是不帶safe mode安全模式的。

  這樣的系統(tǒng),在做系統(tǒng)更新升級時,主要是對kernel+rootfs部分進(jìn)行升級,以此來增加系統(tǒng)的功能。

  升級時,application主要是操作/dev/mtdblock/3設(shè)備文件:

  第一步:下載新的firmware到ramfs中,也即ram disk中,比如/tmp目錄下,采用的更新方式可以是USB或FTP;

  第二步:read /tmp/firmware文件,并write到設(shè)備文件/dev/mtdblock/3上,即對已有的firmware進(jìn)行了更新。

  在升級的過程中,我們會提供友好的界面給用戶,來提示下載進(jìn)度與燒寫flash的進(jìn)度,讓用戶可以看到正在發(fā)生的狀況。

  最后燒寫完成后,重新啟動系統(tǒng),即可進(jìn)入到新的firmware中。

  在通常的更新中,用戶的產(chǎn)品配置config一般不去修改,保持用戶已經(jīng)做的配置選項,不能破壞。Config內(nèi)容對應(yīng)為/dev/mtdblock/2設(shè)備文件。

  從USB/FTP 上更新時,所使用的firmware文件需要是一個更加完整的image文件,可以包括bootloader, default config, kernel+rootfs,并讓application可以做到視image中的標(biāo)記來決定是否需要更新bootloader、config等內(nèi)容,這樣會更加靈活。

  在更新firmware時,如果掉電,那么kernel + rootfs部分將會出現(xiàn)不完整的情況,也就是說只寫入了部分內(nèi)容,而中途中斷了,這樣的話,一個不完整的系統(tǒng)將無法正常工作。在這樣的情況下就需要safe mode安全模式了。

  safe mode架構(gòu)設(shè)計

  Safe mode的設(shè)計中,對原來的系統(tǒng)增加了兩個部分的內(nèi)容:

  kernel + rootfs,即簡單的UI界面與功能;

  magic number,即燒寫flash的標(biāo)記。

  safe mode實際上也是一個kernel + rootfs部分,只是它所具有的功能只包括一些簡單的界面,主要是提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,從USB/FTP下載firmware,完成對flash的燒寫。

  為了區(qū)分,這里,將主功能部分的kernel + rootfs稱為master。

  我們將safe mode存放在master的后部,預(yù)留的flash大小為4M。

  Magic number只占用一個字節(jié)的大小,是在這4M的最后的部分的一個字節(jié),也即原始系統(tǒng)的15872K的最后一個字節(jié)位置處。

  在開始燒寫flash前,將magic number設(shè)置為0x55,表示燒寫的開始。燒寫正常結(jié)束后,將magic number設(shè)置為0xAA,表示燒寫正常結(jié)束。

  如果新產(chǎn)品中具備了safe mode模式,那么在以后再次更新升級時,開始燒寫flash時,magic number的位置將會有0x55標(biāo)記,如果燒寫中途掉電,在重新啟動后,將由Bootloader來檢查magic number的值,如果內(nèi)容為0x55,那么bootloader將從safemode部分讀出kernel和根文件映象,再為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù),調(diào)用內(nèi)核,進(jìn)入safe mode application。

  如果bootloader讀到magic number為0xAA,那么說明master firmware是正常的,就將直接進(jìn)入master。

  所以涉及到safe mode的地方也包括了對bootloader的修改,需要在系統(tǒng)上電階段也檢查safe mode的magic number,這個過程是必不可少的,只有在啟動階段就檢查magic number,才能跳過損壞的master系統(tǒng),進(jìn)入安全模式,達(dá)到恢復(fù)系統(tǒng)的目的。

  safe mode架構(gòu)實現(xiàn)

  在safe mode的實現(xiàn)中,需要保持原有master部分的穩(wěn)定,所以對master系統(tǒng)的building system不做大的改動,也就是保持safe mode的building system與master的building system共存。原則上來說,要避免對master系統(tǒng)帶來大的沖突。

  Master building system主要涉及到的編譯過程為:

  make

  make rootfs

  這個時候?qū)⒌玫絤aster.bin

  safe mode building system和其類似,只是make rootfs部分有所區(qū)分:

  make

  make smrootfs

  這個時候?qū)⒌玫絪afemode.bin

  最后再將master與safe

  mode部分做一個合并,得到一個整的rootfs

  make dualrootfs

  make dist

  make

  dualrootfs將調(diào)用一個外部的程序make_dual.c,所做的事情是要得到一個15872K的rootfs。這個rootfs包含的內(nèi)容為master.bin + safemode.bin。


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