基于TrueFFS的铁路牵引自动化系统应用

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 引 言

在嵌入式产品中,一般使用Flash作为应用程序代码及各种数据和参数的存储介质。尤其是NOR Flash具有操作接口简单、传输效率高、芯片内执行(eXecute In Place,XIP)的特点,在电力、铁路等工业控制领域得到了广泛应用。

为了便于用户的使用,VxWorks操作系统提供了基于Flash的文件系统,即TrueFFS。TrueFFS与DosFS文件系统基本兼容,通过VxWorks提供的操作接口以文件的方式实现对Flash的操作。而对于用户来说,如何在自己的硬件系统上根据Flash的具体型号和使用要求实现TrueFFS系统,并在此基础上完成应用程序代码的灵活启动、更新,同时兼顾仿真调试的需求,则非常重要。

1 系统基本功能

本系统应用于铁路牵引自动化系统中,实现在电气化铁路供电系统中对相关电力设备的保护、测量和控制功能。系统基本功能框图如图1所示。核心CPU选用Freescale公司的ColdFire系列32位微控制器MCF5234。该处理器内部集成了UART、SPI、I2C、ETPU、CAN、以太网等丰富的功能模块,系统主频可达150 MHz,主要用于工业控制、智能家电等方面(尤其是电力自动化控制领域)。系统通过2路以太网接口实现与当地或远方设备的通信,维护串口用来实现对本设备的维护,采用2片16位接口的NOR Flash实现应用程序和有关参数及数据的存储。系统提供模拟量输入、数字量输入、数字量输出等接口。有关的模拟量及开关量状态信息经过对应接口采集到系统内部,经过保护算法软件的处理后,再通过数字量输出接口完成对有关设备的控制操作。

在传统嵌入式系统中,编译好的运行态应用程序一般通过硬件调试工具(如BDM调试器)直接固化到程序Flash的指定位置,装置上电或复位后,CPU直接跳转到Flash的起始位置,从Flash中取指并开始执行。但是在VxWorks中,采用该方式不方便软件的仿真调试,需要重新固化bootrom才行。另外,由于系统要求保存较多的参数和数据,需要在2片Flash中都实现TrueFFS系统;并且为了满足动态更新程序的要求,还需要实现FTP的功能。因此,需要实现如下功能:在2片Flash上实现True-FFS;在bootrom和应用VxWorks程序上实现TrueFFS和FTP的加载;对bootrom进行改造,以实现应用VxWorks程序和调试VxWorks程序分别通过TrueFFS和TFTP的方式启动。

2 TrueFFS的实现及加载

2.1 TrueFFS的层次结构

如图2所示,VxWorks中TrueFFS的层次结构包括内核层、翻译层、socket层、MTD层。由于VxWorks对TrueFFS进行了优秀的层次划分和封装,用户一般不需要对上述基本层次代码进行修改。MTD层实现了对常用几种类型Flash的读、写、擦除等基本控制。如果用户选用了支持的类型,则基本不需要编写代码;而如果用户选用了特殊类型的Flash,则可以参考用例代码完成对应MTD层代码的编写。


2.2 MTD层代码实现

由于本系统中选用的2片Flash为Spansion公司的S29AL032D,因此需要编写对应的驱动代码。对于MTD层,一般向上提供MTD识别、Flash连续扇区擦除、Flash连续数据写等主要接口函数,可以不提供单独的镜像函数,系统会使用内部缺省的镜像函数。需要在2片Flash上实现TrueFFS,即每片Flash相当于一个分区,这一点在编写驱动程序时需要重点考虑。在MTD层驱动程序中,Flash的单个字节(或字)写入接口函数为重点,不同Flash类型以及不同的端口宽度都会导致该函数的实现不同。其写操作流程如图3所示。

为了在两片Flash上实现2个文件分区,可以采用以下方式:在sysTffs.c中定义新的MTD类型,并根据实际需要定义2片Flash(即两个分区)的起始地址和长度,并根据上述定义完成TrueFFS设备基址和窗口尺寸的设置;在sysTffsInit()函数中进行2次rfaRegister()操作以完成2个分区的注册;在rfaRegister()中根据注册的TrueFFS设备个数设置本TrueFFS设备的设备号。在MTD层接口函数中一般都有一个Flash驱动设备的参数,可以根据该参数来获取2个TrueFFS设备的设备号,然后分别指向对应的Flash地址范围进行相应的操作。

MTD驱动设计完成后,可以根据VxWorks提供的方式完成TrueFFS的加载。在应用程序中可以通过组件配置界面进行加载配置,而在bootrom中则需要手动修改相应的配置文件。

由于系统的启动需要从boottom开始,其编译的结果文件必须以二进制方式固化到程序Flash的起始位置,因此每片Flash起始的256 KB空间都预留出来,不参与TrueFFS系统的管理。这样,Flash上文件的操作与bootrom启动代码的保存不存在冲突。

3 bootrom的改进

在VxWorks中,修改好的bootrom一般通过硬件调试工具固化到代码Flash中,bootrom启动后通过TFTP方式实现编译好的调试用VxWorks映像文件的下载过程,并完成该映像文件的启动。这样就可以实现基于串口或网络的应用程序调试,使用更加方便灵活。

为了满足系统的要求,bootrom还需要增加如下功能:支持2个Flash分区的TrueFFS加载;支持FTP功能;支持从TrueFFS加载及启动应用程序,以及从TFTP网络方式加载及启动调试态VxWorks映像文件两种方式,以保证系统即使在现场运行过程中,一旦发现问题,也能够方便地进行仿真调试;支持Flash的格式化及True-FFS的初始化功能,一旦文件系统异常后,可以通过该功能进行TrueFFS的彻底重构。由于boottom的主要工作在bootconfig.c文件中实现,因此上述改进工作也主要在该文件中进行。

还需要完成以下工作:在对应配置文件中加入IN-CLUDE_TFFS和INCLUDE_FTP_SERVER的定义,从而实现系统对TrueFFS和FTP功能的加载;对bootloader函数进行修改,使其不支持基于TrueFFS的应用程序启动,当需要调试时通过网络方式加载和启动;增加一个类似于bootloader的功能函数,可以以此函数为模版进行修改,完成TrueFFS功能的初始化和加载过程,以及基本网络功能和FTP功能的加载,同时在程序Flash文件分区中存在应用程序文件的前提下,实现该应用程序的加载和启动功能;增加2片Flash的格式化和TrueFFS的初始化功能函数。

对bootCmdLoop任务执行流程进行调整,改进后的流程如图4所示。

在bootCmdLoop进入超级终端界面循环操作过程后,可以通过相关命令完成基于网络方式的调试态VxWorks映像文件的加载和启动,也可以根据实际需要增加Flash格式化、自动进入超级终端界面标志命令设置、软件复位等功能。经过上述改进,可以实现bootrom上运行态应用程序及调试态VxWorks映像文件的灵活加载和启动,不仅避免了现场运行系统为进行调试而重新写入bootrom的问题,而且方便应用程序的动态更新。

4 应用程序的动态更新

为了便于产品的维护和升级,本系统需要支持基于FTP的应用程序动态更新,而VxWorks提供了各种类型应用程序的加载启动方式。由于应用程序最终在动态RAM中执行,因此在TrueFFS和FTP功能具备的前提下,实现应用程序的动态更新非常方便。

经过改造后,bootrom和最终应用程序中都实现了TrueFFS和FTP功能,因此在bootrom和最终应用程序执行时都可以完成应用程序加载。另外,由于具备了bootrom中更新应用程序的功能,即使由于应用程序异常导致无法运行,复位后重新进入bootrom仍然可以进行新程序的更新,从而增强了系统的健壮性。

需要注意的是,通过TrueFFS方式加载启动的最终应用程序也是default类型的,而不是rom类型的。如果下载到文件系统中的应用程序是rom类型,则会导致bootrom无法成功加载该文件,因为其实现方式与仿真调试过程基本类似。

结 语

经过测试,采用上述实现方案后,系统运行稳定。通过FTP工具,可以灵活地对2片Flash上文件分区中的文件进行读写操作,2 MB左右的应用程序文件可在30 s内下载到Flash中。整个系统的启动过程稳定可靠,对于2 MB左右的应用程序,从装置上电到bootrom启动,再到应用程序正常开始运行,基本可在十几秒内完成。本方案对于基于VxWorks系统的嵌入式产品有一定的借鉴意义。

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