【詳解】嵌入式開發中固件的燒錄方式

開發過程中，固件燒寫方式不需要燒寫kernel和rootfs的方式即直接通過tftp,nfs等方式掛在kernel和rootfs的方式將kernel，rootfs，uboot等燒寫到存儲介質上的方式一步到位的方式（直接通過工具燒寫文件到對應存儲介質上）兩步到位的方式（先將數據先寫入到Uboot中，再用uboot中的命令把數據寫到存儲介質上）產品發布后，動態升級系統的方式即，通過讀寫對應的Linux下的設備節點，實現更新固件

下面就詳細討論這兩種過程中所用到的固件升級方式。

3.1. 開發前期或者開發過程中，固件的燒寫方式

此處介紹的是，在開發過程中，如何實現固件更新，開發調試，根據是否一定要將新版的固件，燒寫到存儲介質上，可以分兩種：

一種是不需要燒寫kernel和rootfs的方式；
另外一種是，需要把新版本的固件，即uboot，kernel，rootfs，燒寫到存儲介質上的。

3.1.1. 不需要燒寫kernel和rootfs的方式

此種做法，在實際開發中，還是有一些人會用到的。

其背景是，嵌入式開發中，相對普通上層軟件開發，每次新編譯出一個版本的軟件，都要很麻煩地燒錄到對應的存儲介質，比如Nor Flash上，然后給開發板上電，繼續開始調試開發，而不能像開發上層PC端軟件，在IDE中，編譯一下，點擊運行，即可看到最新結果。

所以，嵌入式開發中，開發的效率顯得很低，其中一個方法，可以先對避開此問題，避免每次都要重新燒寫新編譯的程序的問題，那就是，對于新版本的kernel和rootfs，分別通過tftp或NFS掛在kernel，通過NFS掛在rootfs，的方式，重新編譯一個新版本的kernel或者是rootfs時，每次都不用重新燒寫，只需要把對應的文件，放到對應的tftp或者NFS的文件夾下面即可。

此法詳細做法相關的部分內容，下面會涉及，故此處不做太多探討。而且真的詳細討論的話，超出了此文的范疇。

此處，只是對于此法進行概要說明：

目標
實現kernel通過tftp掛載，rootfs通過nfs掛載的方式，實現高效率的嵌入式開發
前提
1. 硬件
  1. 開發板上有網卡
  2. 網卡已連接到一個路由或交換機，并且PC端，即提供tftp和nfs的服務器端，也連到此網絡，開發板和PC端，同屬于一個局域網段。
2. 軟件
  1. PC端運行了tftp服務，新編譯的kernel文件，放在tftp的根目錄下
  2. PC端運行了nfs服務，所用的Linux內涵，也設置并啟用了對應的nfs服務，編譯好的rootfs，放在nfs服務的根目錄下。
如何操作
1. uboot中，通過tftp mem_addr kernel_file的方式去加載內核
2. 內核運行起來后，通過NFS去掛在rootfs
3. 正常加載rootfs后，就可以像普通的Linux開發一樣，通過串口，輸入命令操作Linux了
優缺點
- 優點
  免去了每次新編譯的kernel和rootfs，都要重新燒寫這一麻煩的事情
- 缺點
  - 很明顯，如果開發中，涉及到對應的網絡驅動的調試等，內核的NFS服務的調試等，即本身所用到的網絡功能都是要調試的對象，那就不能用此法了
  - 另外，網絡加載文件的速度，一般都是不錯的，但是也不排除，有時候會受其他PC端某個網絡資源占用太多的程序的影響
  - 而網絡加載文件的穩定性，不同的環境，差異很大。多數情況下，都是很穩定的，但是也有人遇到各種原因，導致不穩定的，所以此時此法即使可用，但用起來也會很郁悶

3.1.2. 將kernel，rootfs，uboot等燒寫到存儲介質上的方式

需要將對應的文件，燒寫到存儲介質上，此時，有兩種方法：

一種是一步到位的方式，即直接通過某工具將文件寫入到存儲介質上。
另外一種是兩步到位的方式，先通過某種方式把文件下載到Uboot中，再通過Uboot中的命令，去把數據寫入到存儲介質上。

3.1.2.1. 一步到位：直接通過工具燒寫文件到對應存儲介質上

目前常見的存儲介質，主要有Nor Flash和Nand Flash，所以下面主要講解如何燒寫Nor Flash還是Nand Flash。

另外，還有一些存儲介質是SD/MMC卡等，其燒寫數據，我用過的燒寫數據方式是，一種是在Uboot中，把下載到內存中的數據，寫入到SD/MMC卡中，或者在板子已經跑起來了Linux的環境下，把數據寫入到SD/MMC卡中。

3.1.2.1.1. Nor Flash

由于Nor Flash接口比較常見和通用，而且有專門的規范定義了對應的操作命令，所以，目前有很多工具，只要你板子上的Nor Flash是常見的Nor Flash，那么這些工具，多數都可以直接拿過來用，直接將文件燒寫到Nor Flash中。

目標
通過某些工具，連接上開發板或直接接上對應的硬件芯片Nor Flash，直接通過工具燒寫文件到目標存儲介質（即對應的硬件芯片）上。即不需要開發板上面運行Uboot或者Linux系統。用工具直接操作即可。
前提
- 硬件
  - 你所使用的Nor Flash，如果是那種通用的（其實大多數都是通用的），工具所支持的
  - 開發板具有對應的硬件接口，比如JTAG接口
  - 你自己有對應的硬件工具，比如JLink硬件
- 軟件
  - 對應的軟件工具支持對應的Nor Flash芯片，比如J-Flash，支持很多種常見Nor Flash的燒寫
如何操作
個人接觸比較多的是，Jlink硬件 + 軟件工具J-Flash ARM。其如何操作，參見：[4]

3.1.2.1.2. Nand Flash

由于Nand Flash沒有一個統一的規范，和本身操作起來就比較復雜，所以，雖然存在一些工具，可以支持直接燒寫Nand Flash，但是相對比較少，使用起來所要求的限制條件也比較多。

此外，是有專門的Nand Flash的燒錄器的，一般叫做Nand Flash Programmer，直接將對應的文件，燒寫到對應的Nand Flash上的，不過個人沒怎么用過，不多解釋。

3.1.2.2. 兩步到位：先寫到內存，再用uboot的命令寫到存儲介質上

3.1.2.2.1. 如何把文件或數據下載到內存中

下表簡單總結了，如何將數據通過硬件接口+相關軟件，下載到Uboot中的方式：

表 3.2. 將文件下載到Uboot中的方式

開發板上的硬件接口軟件協議相關軟件或Uboot中的命令說明 USB USB Host – USB Mass Storage

Fatls usb 0
fatload usb addr file

USB cable
Board has USB Host

USB Slave/Device DNW

USB cable
Board has USB Slave

RS232 Kermit/Ymodem loadb/loady RS232 Cable NIC Tftp tftp file

network interface card
Server has tftp service

NFS NFS

network interface card
Server has NFS service
Network cable
switch

SD/MMC SD/MMC

Fatls mmc 0
Fatload mmc 0 addr file

JTAG JTAG IDE tool

Hardware debug tool
IDE support Load file into Memory

下面，對每一種方式進行詳細的闡述：

3.1.2.2.1.1. USB

關于USB Host和USB Device，上面已經名詞解釋過了，此處不再贅述。

現在很多開發板上，都有USB的Host和USB的Device的接口。

所以，對應著，可以實現，外接U盤到開發板上，或者將開發板作為U盤連到PC上

然后操作U盤，把文件拷貝到U盤里，實現對應的把文件數據傳輸到開發板上這一功能。

1. USB Host = USB Mass Storage = U Disk

目標
把插在開發板上的U盤中的文件，拷貝Uboot的內存中
前提
- 硬件
  - 開發板上有USB Host芯片和接口
    以我這里的TQ2440的板子為例，用的CPU是三星的S3C2440，其中包含了一個OHCI的USB Host主控制器。
    
    板子上也有USB Host接口。
  - 自己有U盤
- 軟件
  - Uboot中已經實現了USB Host Controller的驅動
    如果Uboot中沒有你的板子上的USB Host Controller的驅動的話，需要自己移植，甚至從頭實現的話，這個工作量和難度，還是不小的。
    
    以此處的S3C2440的驅動為例，此處已經把新的版本的Uboot中的相關代碼，移植到了TQ2440的1.1.6的uboot中，實現了對應的S3C2440的OHCI的驅動。
    
    相關過程和源碼，參考：[5]
  - U盤的文件系統是FAT格式的
    如果你的U盤是NTFS等其他格式，那么要重新格式化為FAT16/FAT32格式。
    
    當然，如果是其他的文件系統，比如ext2等，也是可以的，下面對應的命令就是ext2ls和ext2load了。
如何操作
在Uboot中使用對應命令來操作U盤：
1. usb rescan
  去初始化usb host。關于usb 子系統更多的相關的命令，可以通過
```
help usb
```
  看到更多的幫助信息。
2. fatls usb 0
  將你U盤的FAT文件系統中的文件列出來，以確保USB現在可以正常工作，和知道你當前U盤里面有哪些文件，此時應該可以看到你所要拷貝的文件，如果你是把文件放在根目錄的話。(一般都是把u-boot.bin等文件，放到U盤根目錄的)
3. fatload usb 0 mem_addr file_name
  去將U盤中的文件file_name載入到內存中mem_addr的位置。

2. USB Slave = USB Device

目標
將PC端的文件，通過USB線，傳輸到作為USB Device端的開發板上的Uboot的內存中
前提
- 硬件
  - 板子上有對應的USB Device功能的controller和對應的USB Device接口
- 軟件
  - PC端已經安裝了對應的USB相關驅動
  - PC端需要有對應的DNW軟件
  - Uboot中實現了對應的命令
    以TQ2440為例，其中已經有了usb slave 相關功能和命令
如何操作
具體的操作，相對比較麻煩，此處只列出主要步驟：
1. 去Uboot端執行對應的usb slave命令
  以等待PC主機端傳輸文件
2. 去PC端用DNW去傳輸文件
  USB Port -> Transmit -> 選擇要傳輸的文件
  
  然后對應的文件就可以傳輸到對應的Uboot中的內存中去了。
更多的細節，如何操作，請參看TQ2440的手冊：[1]

在此，免費為天嵌的TQ2440宣傳一句，其資料和相關文檔，做的是蠻不錯的，東西很全，很詳細，尤其適合初學者。

3.1.2.2.1.2. RS232

RS232的連接方式，是最常見的。

即，開發板上有串口接口，然后接了根RS232線，連到PC端，然后PC端用一個串口終端程序，連接開發板，比如常見的Windows XP系統自帶的超級終端Hyper Terminal，功能強大的SecureCRT，以及Putty等等，都是不錯的串口工具。

其中關于如何在Win7下面使用超級終端（Hyper Terminal），不了解的可以去參考：[11]

1. Kermit

Kermit是一種協議，廣泛使用的協議，用來傳輸文件和數據的協議，很早之前就有了此協議，所以現在很多地方都已實現和支持此協議。

關于Kermit和Ymodem的詳情，去看我轉的帖子：[2]

而關于Kermit，XModem，Ymodem和Zmodem之間的區別和聯系，可以去看：[6]

目標
通過Kermit協議，將文件通過RS232接口傳送到Uboot的內存中
前提
- 硬件
  - 開發板中有RS232接口，并且已連接到PC端
- 軟件
  - Uboot中已經實現kermit協議的loadb命令
    這個，一般的uboot中都已實現。
    
    此處說一個詭異的事情，之前遇到過，即使help中沒有看到loadb的命令，但是實際也是支持loadb的，估計是uboot開發者，把此命令注釋掉了，但是實際kermit協議用途太廣泛，而uboot本身程序中早已經實現了，所以loadb還是已經在uboot中的了。
如何操作
1. 在uboot中，輸入loadb
2. 在PC端使用串口程序去傳送文件
  以windows XP下的串口工具超級終端為例：
  
  選擇Transfer ⇒ Send File ⇒ Protocol選擇Kermit，FileName選擇你所要傳送的文件->點擊確定即可。然后就是慢慢傳送文件了。
至于文件數據傳輸后，放在uboot的內存中的哪個位置，是由你uboot中的環境變量loadaddr決定，我這里的是loadaddr=0x800000。

當然，你也可以在執行loady的時候，后面加上你要的地址，比如：

loadb 0x1000000

Kermit協議，數據傳輸速度比較慢，我這里傳輸了個8MB的文件，大概要40分鐘左右的。

2. Ymodem

關于Ymodem協議，是從之前的Xmodem協議演化出來的，之后還有Zmodem。

簡單的說就是，一個數據包大小為1KB的數據傳輸協議。

更多的解釋，參見上面已經提到的[6]

目標
通過Ymodem協議，將文件通過RS232接口傳送到Uboot的內存中
前提
- 硬件
  - 開發板中有RS232接口，并且已連接到PC端
- 軟件
  - Uboot中已經實現Ymodem協議的loady命令
如何操作
1. 在uboot中，輸入loady
2. 在PC端使用串口程序去傳送文件
以windows XP下的串口工具超級終端為例：

選擇Transfer ⇒ Send File ⇒ Protocol選擇Ymodem，FileName選擇你所要傳送的文件->點擊確定即可。然后就是慢慢傳送文件了。

示例

Bootldr> loady
## Ready for binary (ymodem) download to 0x00800000 at 115200 bps...
CCCxyzModem - CRC mode, 2(SOH)/8192(STX)/0(CAN) packets, 5 retries
## Total Size      = 0x00800000 = 8388608 Bytes

3.1.2.2.1.3. NIC/network

多數開發板上，也都帶有網卡接口，然后通過網線，連接到一個路由或者交換機上，另外一個PC也連接到此路由或交換機上，然后通過網線，將PC上的文件數據，傳輸到板子上。

1. tftp

目標
將文件通過tftp方式，從PC端，下載到Uboot的內存中
前提
- 硬件
  - 硬件板子上有網卡
  - 板子通過網線連到路由或交換機上，PC也連到該路由或交換機上，共處同一個網段
- 軟件
  - PC端設置好tftp服務
    關于PC端安裝了tftp服務（TFTP service），詳情可以參考：[7]
  - 安裝好tftp服務后，把對應的u-boot.bin等文件，放到tftp的根目錄下
  - Uboot中，首先肯定是已經實現了網卡驅動，以及添加了對應的tftp命令
    此兩個前提，一般開發板都已經具有此條件
如何操作
在Uboot中，執行命令
tftp mem_addr file_name
就可以將文件file_name傳送到Uboot的內存地址mem_addr中了。

示例

EmbedSky> tftp 0x30010000 u-boot.bin
dm9000 i/o: 0x20000300, id: 0x90000a46 
MAC: 0a:1b:2c:3d:4e:5f
TFTP from server 192.168.1.101; our IP address is 192.168.1.120
Filename 'u-boot.bin'.
Load address: 0x30010000
Loading: T ###############
done
Bytes transferred = 207396 (32a24 hex)

2. NFS

目標
將文件通過NFS命令，從PC端，通過網絡，傳送到Uboot的內存中去
前提
- 硬件
  - 硬件板子上有網卡
  - 板子通過網線連到路由或交換機上，PC也連到該路由或交換機上，共處同一個網段
- 軟件
  - PC端設置好NFS服務
  - Uboot中實現了網卡驅動和nfs命令
  - Uboot中設置好了ip地址，ip掩碼mask，網關gateway
如何操作
Uboot中執行：
nfs mem_addr IP:path/file

示例

nfs 0x30008000 192.168.0.3:/home/nfs/uImage

3.1.2.2.1.4. SD/MMC

1. tftp

目標
將文件從SD/MMC卡中，拷貝到Uboot的內存中
前提
- 硬件
  - 開發板有SD/MMC的controller，有對應的SD/MMC插槽
  - 自己有SD或MMC卡
- 軟件
  - Uboot中實現了對應的SD/MMC驅動及對應的命令
    關于uboot中，把新版本的mmc驅動，移植到舊的上，可以參考：[8]
  - SD/MMC卡是FAT文件系統
    當然，如果是其他的文件系統，比如ext2等，也是可以的，下面對應的命令就是ext2ls和ext2load了。
如何操作
1. mmcinit或mmc rescan
  即初始化mmc，舊版本的uboot的是mmcinit，新版本的uboot是mmc rescan
2. fatls mmc 0
  將mmc卡中的文件列出來，確保mmc卡工作正常和知道里面有哪些文件
3. fatload mmc 0 mem_addr file_name
  將mmc卡中的file_name文件拷貝到內存mem_addr處。

示例

EmbedSky> mmcinit
mmc: Probing for SDHC ...
mmc: SD 2.0 or later card found
trying to detect SD Card...
Manufacturer: 0x02, OEM "TM"
Product name: "SA04G", revision 0.5
Serial number: 2621440179
Manufacturing date: 7/2010
CRC: 0x73, b0 = 1
READ_BL_LEN=15, C_SIZE_MULT=0, C_SIZE=365
size = 0
SD Card detected RCA: 0x1234 type: SDHC
EmbedSky> md 30000000
30000000: 00000000 00000000 00000000 00000000 ................
30000010: 00000000 00000000 00000000 00000000 ................
。。。
300000f0: 00000000 00000000 00000000 00000000 ................
EmbedSky> fatls mmc 0
512 nikon001.dsc 
misc/
dcim/
194 error.html 

2 file(s), 2 dir(s)

EmbedSky> help fatload 
fatload <interface> <dev[:part]> <addr> <filename> [bytes]
- load binary file 'filename' from 'dev' on 'interface'
to address 'addr' from dos filesystem

EmbedSky> fatload mmc 0 30000000 error.html
reading error.html

194 bytes read
EmbedSky> md 30000000
30000000: 4d54483c 423c3e4c 3e59444f 6e6f7257 <HTML><BODY>Wron
30000010: 50492067 7263733c 3e747069 646e6977 g IP<script>wind
。。。
300000f0: 00000000 00000000 00000000 00000000 ................
EmbedSky>

上述md（memory display）命令，只是為了顯示內存中的內容，用以表示，拷貝文件前后內存中數據的變化。

3.1.2.2.1.5. JTAG == debug tool

1. tftp

目標
在開發板運行程序的情況下，比如Uboot中，通過debug工具，將文件下載到Uboot的內存中
前提
- 硬件
  - 開發板上有JTAG等debug接口，連接上對應的Jlink等硬件
- 軟件
  - 對應的debug 工具支持載入文件到內存的功能
    一般debug工具，都是IDE集成開發環境，對應的IDE里面會有對應的功能。
    
    比如ARM的RVDS，里面就有對應的load file到memory的功能。
如何操作
在IDE工具中，找到對應的功能選項，然后把文件load載入到開發板的內存中，即可。

3.1.2.2.2. 如何把內存中的數據，寫入到對應存儲設備上

前面的操作，是把數據從外部傳輸到Uboot的內存中，接下來，就要把對應的數據，寫入到對應的存儲介質中去。

常見的存儲介質以及Uboot中相關的命令，分類如下：

表 3.3. 如何把Uboot的內存中數據寫入到存儲設備上

存儲介質Uboot中相關命令說明 Nand Flash

nand erase
nand write

先擦除才能再寫入數據 Nor Flash

erase
cp.b

先擦除才能再寫入數據 USB usb write SD/MMC mmc write

下面分別介紹，在Uboot中，對于每種存儲設備，如何用相關的命令，把數據寫入到對應存儲設備中。

3.1.2.2.2.1. Nand Flash

目標
把Uboot中內存中數據，寫入到Nand Flash中去
前提
- 軟件
  - Uboot中，已經實現了nand erase和nand write命令了
如何操作
- nand erase
  需要先用nand的erase命令，去擦出對應的區域
- nand write
  然后再用nand write，把內存中的數據，寫入到nand 中。

3.1.2.2.2.2. Nor Flash

關于Nor Flash，需要額外說明一些事情。

本身Flash這個名詞，在存儲領域方面，包括了Nand Flash和Nor Flash。

而由于Nor Flash出現最早，應用很廣泛，所以Uboot中，對于單獨說Flash這個詞，是指的是Nor Flash。

所以，會有對應的命令：

flinfo = Flash Info = Nor Flash Info

而又由于Nor Flash的很多操作，很像SDRAM等設備，可以直接讀，（寫操作需要特定的命令），但是可以把Nor Flash的操作，兼容統一到cp拷貝這個命令中去。

所以，很多時候，你會發現，好像沒有單獨的Nor Flash的讀寫的命令，其實是包含在了cp這個命令中了。

另外，對于cp命令本身，其有三種方式：

cp.b單位為b=byte=字節的方式，去拷貝數據
cp.w單位為w=word=字的方式，去拷貝數據
cp.l單位為l=long=長整型的方式，去拷貝數據

不過，對于eeprom，也有單獨的一套eeprom的命令的，比如eeprom write，用于將數據寫入到eeprom中去。

目標
把Uboot中內存中數據，寫入到Nor Flash中去
前提
- 軟件
  - Uboot中，已經實現了Nor flash 相關的命令了，包括erase和cp命令支持了Nor Flash了
如何操作
在Uboot中，執行下列命令：
- protect off
  只有在你當前需要重新寫入新數據的Nor Flash的Block是已經被寫保護的情況下，才需要此步驟去解除鎖定。
  
  一般情況下，都不需要此步驟的。
- erase
  去擦出Nor Flash中的數據
- cp或eeprom write
  將內存中的數據，寫入到Nor Flash中。

3.1.2.2.2.3. USB

目標
將Uboot中的內存中的數據，寫入到USB設備中
前提
- 軟件
  - Uboot中已經實現了對應的usb write命令
如何操作
在Uboot中，執行下列命令：
- usb write
  將對應的內存中的數據，寫入到Usb設備中。

3.1.2.2.2.4. SD/MMC

目標
將Uboot中的內存中的數據，寫入到SD/MMC設備中。
前提
- 軟件
  - Uboot中已經實現了對應的mmc write命令
如何操作
在Uboot中，執行下列命令：
- mmc write
  將對應的內存中的數據，寫入到SD/MMC設備中。

3.2. 產品發布后：通過操作設備節點實現動態升級固件

除了開發過程中，去燒寫固件之外，在發布產品后，很多廠商，希望在系統運行的情況下，實時地，可以去更新對應的固件，比如kernel的uImage或者rootfs等，此時，多數系統，往往是不太容易這樣去升級的，不過還是有可能實現這樣的在線升級系統的。

基本的思路是，在運行的Linux中，通過操作對應的設備節點，比如：

對于Nand Flash或者Nor Flash，通過MTD的工具，即mtd-util中的nandwrite等，操作/dev/mtdN將新的固件寫入進去
具體實現方法，參見另外一篇文章：[9]
對于SD/MMC，通過操作/dev/mmc設備，將新的固件寫入進去
以此實現在線升級固件。

相關實現方式，參考：[10]