【详解】嵌入式开发中固件的烧录方式

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发布时间：2019-06-15

本文共 12411 字，大约阅读时间需要 41 分钟。

表格清单

3.1. 3.2. 3.3.

第 1 章背景介绍

摘要

目前在嵌入式开发中，经常要实现将对应的固件，烧写到开发板中，然后开发板才能运行我们的程序。

嵌入式开发，很多用的是Linux系统，也有用WinCE和其他系统，但此文只介绍Linux系统下面的情况。

Linux系统中，多数为bootloader+ kernel + rootfs的模式。

其中，所用的bootloader，多为uboot。负责初始化硬件和设置好软件环境，

然后加载kernel，运行kernel，kernel运行后，再去加载rootfs，之后就是你所看到的运行的Linux了。

其中，在开发过程中，常常会遇到，需要把某个文件，比如U-boot.bin，uImage，rootfs等文件

从PC上，下载到Uboot的SDRAM，即内存中，

然后再用对应命令或工具，将数据写入到某存储介质中。

其中，有时候也需要在发布产品之后，在系统运行的情况下，动态升级整个系统的固件的。

此文就是主要探讨，此嵌入式Linux中，开发过程中和产品发布后，相关的固件烧写方式。

第 2 章名词解释

摘要

2.1. 固件

固件，firmware

所谓固件，就是文件，固化在存储介质上的文件，而文件，其实就是数据。

嵌入式开发中，尤其是Linux开发，常见的方式是，从板子（个人用的是arm的板子）上启动，会允许Uboot，然后Uboot去加载kernel内核，个人常用的kernel是uImage，然后Linux运行后，去加载根文件系统rootfs，个人常用到的yaffs2文件系统。

前后系统运行所需要的文件，总的来说，就是这三个：

Uboot，比如u-boot.bin

Kernel，比如uImage

Rootfs，比如yaffs2.rootfs.arm

而大家一直说的固件，在系统是Linux系统的情况下，常常就是指的是这些文件。

2.2. 烧写

所谓烧写，就是写数据，把文件（固件/数据）写到存储介质（Nand Flash, Nor Flash等）上。

而对于烧写这个词，说法很多，常见的有：

烧写=烧录=flash=编程=program=programming

下面另外提到的，更新固件，其实也指的是将新的固件烧写进去，即所谓更新固件，更新系统。

2.3. 存储介质

存储介质，此处主要是指，嵌入式中存放firmware的地方，多数是Nor Flash加上Nand Flash的组合。其他的，也有单独是Nor Flash，单独是Nand Flash，单独是SD/MMC卡等方式。

2.4. USB Host和USB Device

USB Host，即对于开发板来说，USB是Host端，所以，此时可以去插上一个U盘，对应的是USB Mass Storage的用法，所以，可以理解为：

开发板是USB Host = USB Mass Storage =开发板可以外接 U盘

而USB Device，即对于开发板来说，自己是作为USB的Device端。

而USB Device端，相对于USB Host来说，也叫USB Slave端。

此时的UBS Host就是PC端了，然后PC端连出一根USB线，接上开发板，然后开发板就是USB Device=USB Slave端了，就可以当做U盘用了。

即：

开发板是USB Slave = USB Device = 开发板自己是PC上的U盘。

更多关于USB方面的基本概念和逻辑，可以参考：

2.5. NIC

NIC，Network Interface Card，网络接口卡，即网卡。

NIC这个叫法，是之前在学习网络方面的知识的时候，遇到的，觉得虽然有点拗口，但是意义表述很明确，所以此处才用此NIC来表示网卡的。

第 3 章固件烧写方式

摘要

固件开发方式，这里讨论的主要有两种。

一种是开发过程中，产品发布之前，用到的一些方式。

另外一种是，产品发布之后，产品已经运行了系统了，此时，如何在线动态地更新固件，实现系统升级的功能。

先列出不同的分类：

表 3.1. 嵌入式开发中固件烧录的方式

开发过程中，固件烧写方式	不需要烧写kernel和rootfs的方式	即直接通过tftp,nfs等方式挂在kernel和rootfs的方式
	将kernel，rootfs，uboot等烧写到存储介质上的方式	一步到位的方式（直接通过工具烧写文件到对应存储介质上）
		两步到位的方式（先将数据先写入到Uboot中，再用uboot中的命令把数据写到存储介质上）
产品发布后，动态升级系统的方式	即，通过读写对应的Linux下的设备节点，实现更新固件

下面就详细讨论这两种过程中所用到的固件升级方式。

3.1. 开发前期或者开发过程中，固件的烧写方式

此处介绍的是，在开发过程中，如何实现固件更新，开发调试，根据是否一定要将新版的固件，烧写到存储介质上，可以分两种：

一种是不需要烧写kernel和rootfs的方式；

另外一种是，需要把新版本的固件，即uboot，kernel，rootfs，烧写到存储介质上的。

3.1.1. 不需要烧写kernel和rootfs的方式

此种做法，在实际开发中，还是有一些人会用到的。

其背景是，嵌入式开发中，相对普通上层软件开发，每次新编译出一个版本的软件，都要很麻烦地烧录到对应的存储介质，比如Nor Flash上，然后给开发板上电，继续开始调试开发，而不能像开发上层PC端软件，在IDE中，编译一下，点击运行，即可看到最新结果。

所以，嵌入式开发中，开发的效率显得很低，其中一个方法，可以先对避开此问题，避免每次都要重新烧写新编译的程序的问题，那就是，对于新版本的kernel和rootfs，分别通过tftp或NFS挂在kernel，通过NFS挂在rootfs，的方式，重新编译一个新版本的kernel或者是rootfs时，每次都不用重新烧写，只需要把对应的文件，放到对应的tftp或者NFS的文件夹下面即可。

此法详细做法相关的部分内容，下面会涉及，故此处不做太多探讨。而且真的详细讨论的话，超出了此文的范畴。

此处，只是对于此法进行概要说明：

目标
实现kernel通过tftp挂载，rootfs通过nfs挂载的方式，实现高效率的嵌入式开发

前提
1. 硬件
  1. 开发板上有网卡
  2. 网卡已连接到一个路由或交换机，并且PC端，即提供tftp和nfs的服务器端，也连到此网络，开发板和PC端，同属于一个局域网段。
2. 软件
  1. PC端运行了tftp服务，新编译的kernel文件，放在tftp的根目录下
  2. PC端运行了nfs服务，所用的Linux内涵，也设置并启用了对应的nfs服务，编译好的rootfs，放在nfs服务的根目录下。

如何操作
1. uboot中，通过tftp mem_addr kernel_file的方式去加载内核
2. 内核运行起来后，通过NFS去挂在rootfs
3. 正常加载rootfs后，就可以像普通的Linux开发一样，通过串口，输入命令操作Linux了

优缺点
- 优点
  免去了每次新编译的kernel和rootfs，都要重新烧写这一麻烦的事情
- 缺点
  - 很明显，如果开发中，涉及到对应的网络驱动的调试等，内核的NFS服务的调试等，即本身所用到的网络功能都是要调试的对象，那就不能用此法了
  - 另外，网络加载文件的速度，一般都是不错的，但是也不排除，有时候会受其他PC端某个网络资源占用太多的程序的影响
  - 而网络加载文件的稳定性，不同的环境，差异很大。多数情况下，都是很稳定的，但是也有人遇到各种原因，导致不稳定的，所以此时此法即使可用，但用起来也会很郁闷

3.1.2. 将kernel，rootfs，uboot等烧写到存储介质上的方式

需要将对应的文件，烧写到存储介质上，此时，有两种方法：

一种是一步到位的方式，即直接通过某工具将文件写入到存储介质上。

另外一种是两步到位的方式，先通过某种方式把文件下载到Uboot中，再通过Uboot中的命令，去把数据写入到存储介质上。

3.1.2.1. 一步到位：直接通过工具烧写文件到对应存储介质上

目前常见的存储介质，主要有Nor Flash和Nand Flash，所以下面主要讲解如何烧写Nor Flash还是Nand Flash。

另外，还有一些存储介质是SD/MMC卡等，其烧写数据，我用过的烧写数据方式是，一种是在Uboot中，把下载到内存中的数据，写入到SD/MMC卡中，或者在板子已经跑起来了Linux的环境下，把数据写入到SD/MMC卡中。

3.1.2.1.1. Nor Flash

由于Nor Flash接口比较常见和通用，而且有专门的规范定义了对应的操作命令，所以，目前有很多工具，只要你板子上的Nor Flash是常见的Nor Flash，那么这些工具，多数都可以直接拿过来用，直接将文件烧写到Nor Flash中。

目标
通过某些工具，连接上开发板或直接接上对应的硬件芯片Nor Flash，直接通过工具烧写文件到目标存储介质（即对应的硬件芯片）上。即不需要开发板上面运行Uboot或者Linux系统。用工具直接操作即可。

前提
- 硬件
  - 你所使用的Nor Flash，如果是那种通用的（其实大多数都是通用的），工具所支持的
  - 开发板具有对应的硬件接口，比如JTAG接口
  - 你自己有对应的硬件工具，比如JLink硬件
- 软件
  - 对应的软件工具支持对应的Nor Flash芯片，比如J-Flash，支持很多种常见Nor Flash的烧写

如何操作
个人接触比较多的是，Jlink硬件 + 软件工具J-Flash ARM。其如何操作，参见：

3.1.2.1.2. Nand Flash

由于Nand Flash没有一个统一的规范，和本身操作起来就比较复杂，所以，虽然存在一些工具，可以支持直接烧写Nand Flash，但是相对比较少，使用起来所要求的限制条件也比较多。

此外，是有专门的Nand Flash的烧录器的，一般叫做Nand Flash Programmer，直接将对应的文件，烧写到对应的Nand Flash上的，不过个人没怎么用过，不多解释。

3.1.2.2. 两步到位：先写到内存，再用uboot的命令写到存储介质上

3.1.2.2.1. 如何把文件或数据下载到内存中

下表简单总结了，如何将数据通过硬件接口+相关软件，下载到Uboot中的方式：

表 3.2. 将文件下载到Uboot中的方式

开发板上的硬件接口	软件协议	相关软件或Uboot中的命令	说明
USB	USB Host – USB Mass Storage	Fatls usb 0fatload usb addr file	USB cable Board has USB Host
USB	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
NIC	NFS	NFS	network interface card Server has NFS service Network cable switch
SD/MMC	SD/MMC	Fatls mmc 0Fatload mmc 0 addr file
JTAG	JTAG	IDE tool	Hardware debug tool IDE support Load file into Memory

下面，对每一种方式进行详细的阐述：

3.1.2.2.1.1. USB

关于USB Host和USB Device，上面已经名词解释过了，此处不再赘述。

现在很多开发板上，都有USB的Host和USB的Device的接口。

所以，对应着，可以实现，外接U盘到开发板上，或者将开发板作为U盘连到PC上

然后操作U盘，把文件拷贝到U盘里，实现对应的把文件数据传输到开发板上这一功能。

1. USB Host = USB Mass Storage = U Disk

目标
把插在开发板上的U盘中的文件，拷贝Uboot的内存中

前提
- 硬件
  - 开发板上有USB Host芯片和接口
    以我这里的TQ2440的板子为例，用的CPU是三星的S3C2440，其中包含了一个OHCI的USB Host主控制器。
    
    板子上也有USB Host接口。
  - 自己有U盘
- 软件
  - Uboot中已经实现了USB Host Controller的驱动
    如果Uboot中没有你的板子上的USB Host Controller的驱动的话，需要自己移植，甚至从头实现的话，这个工作量和难度，还是不小的。
    
    以此处的S3C2440的驱动为例，此处已经把新的版本的Uboot中的相关代码，移植到了TQ2440的1.1.6的uboot中，实现了对应的S3C2440的OHCI的驱动。
    
    相关过程和源码，参考：
  - U盘的文件系统是FAT格式的
    如果你的U盘是NTFS等其他格式，那么要重新格式化为FAT16/FAT32格式。
    
    当然，如果是其他的文件系统，比如ext2等，也是可以的，下面对应的命令就是ext2ls和ext2load了。

如何操作
在Uboot中使用对应命令来操作U盘：
1. usb rescan
  去初始化usb host。关于usb 子系统更多的相关的命令，可以通过
```
help usb
```
  看到更多的帮助信息。
2. fatls usb 0
  将你U盘的FAT文件系统中的文件列出来，以确保USB现在可以正常工作，和知道你当前U盘里面有哪些文件，此时应该可以看到你所要拷贝的文件，如果你是把文件放在根目录的话。(一般都是把u-boot.bin等文件，放到U盘根目录的)
3. fatload usb 0 mem_addr file_name
  去将U盘中的文件file_name载入到内存中mem_addr的位置。

2. USB Slave = USB Device

目标
将PC端的文件，通过USB线，传输到作为USB Device端的开发板上的Uboot的内存中

前提
- 硬件
  - 板子上有对应的USB Device功能的controller和对应的USB Device接口
- 软件
  - PC端已经安装了对应的USB相关驱动
  - PC端需要有对应的DNW软件
  - Uboot中实现了对应的命令
    以TQ2440为例，其中已经有了usb slave 相关功能和命令

如何操作
具体的操作，相对比较麻烦，此处只列出主要步骤：
1. 去Uboot端执行对应的usb slave命令
  以等待PC主机端传输文件
2. 去PC端用DNW去传输文件
  USB Port -> Transmit -> 选择要传输的文件
  
  然后对应的文件就可以传输到对应的Uboot中的内存中去了。
更多的细节，如何操作，请参看TQ2440的手册：

在此，免费为天嵌的TQ2440宣传一句，其资料和相关文档，做的是蛮不错的，东西很全，很详细，尤其适合初学者。

3.1.2.2.1.2. RS232

RS232的连接方式，是最常见的。

即，开发板上有串口接口，然后接了根RS232线，连到PC端，然后PC端用一个串口终端程序，连接开发板，比如常见的Windows XP系统自带的超级终端Hyper Terminal，功能强大的SecureCRT，以及Putty等等，都是不错的串口工具。

其中关于如何在Win7下面使用超级终端（Hyper Terminal），不了解的可以去参考：

1. Kermit

Kermit是一种协议，广泛使用的协议，用来传输文件和数据的协议，很早之前就有了此协议，所以现在很多地方都已实现和支持此协议。

关于Kermit和Ymodem的详情，去看我转的帖子：

而关于Kermit，XModem，Ymodem和Zmodem之间的区别和联系，可以去看：

目标
通过Kermit协议，将文件通过RS232接口传送到Uboot的内存中

前提
- 硬件
  - 开发板中有RS232接口，并且已连接到PC端
- 软件
  - Uboot中已经实现kermit协议的loadb命令
    这个，一般的uboot中都已实现。
    
    此处说一个诡异的事情，之前遇到过，即使help中没有看到loadb的命令，但是实际也是支持loadb的，估计是uboot开发者，把此命令注释掉了，但是实际kermit协议用途太广泛，而uboot本身程序中早已经实现了，所以loadb还是已经在uboot中的了。

如何操作
1. 在uboot中，输入loadb
2. 在PC端使用串口程序去传送文件
  以windows XP下的串口工具超级终端为例：
  
  选择Transfer ⇒ Send File ⇒ Protocol选择Kermit，FileName选择你所要传送的文件->点击确定即可。然后就是慢慢传送文件了。
至于文件数据传输后，放在uboot的内存中的哪个位置，是由你uboot中的环境变量loadaddr决定，我这里的是loadaddr=0x800000。

当然，你也可以在执行loady的时候，后面加上你要的地址，比如：

loadb 0x1000000

Kermit协议，数据传输速度比较慢，我这里传输了个8MB的文件，大概要40分钟左右的。

2. Ymodem

关于Ymodem协议，是从之前的Xmodem协议演化出来的，之后还有Zmodem。

简单的说就是，一个数据包大小为1KB的数据传输协议。

更多的解释，参见上面已经提到的

目标
通过Ymodem协议，将文件通过RS232接口传送到Uboot的内存中

前提
- 硬件
  - 开发板中有RS232接口，并且已连接到PC端
- 软件
  - Uboot中已经实现Ymodem协议的loady命令

如何操作
1. 在uboot中，输入loady
2. 在PC端使用串口程序去传送文件
以windows XP下的串口工具超级终端为例：

选择Transfer ⇒ Send File ⇒ Protocol选择Ymodem，FileName选择你所要传送的文件->点击确定即可。然后就是慢慢传送文件了。

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

多数开发板上，也都带有网卡接口，然后通过网线，连接到一个路由或者交换机上，另外一个PC也连接到此路由或交换机上，然后通过网线，将PC上的文件数据，传输到板子上。

1. tftp

目标
将文件通过tftp方式，从PC端，下载到Uboot的内存中

前提
- 硬件
  - 硬件板子上有网卡
  - 板子通过网线连到路由或交换机上，PC也连到该路由或交换机上，共处同一个网段
- 软件
  - PC端设置好tftp服务
    关于PC端安装了tftp服务（TFTP service），详情可以参考：
  - 安装好tftp服务后，把对应的u-boot.bin等文件，放到tftp的根目录下
  - Uboot中，首先肯定是已经实现了网卡驱动，以及添加了对应的tftp命令
    此两个前提，一般开发板都已经具有此条件

如何操作
在Uboot中，执行命令
tftp mem_addr file_name
就可以将文件file_name传送到Uboot的内存地址mem_addr中了。

示例

EmbedSky> tftp 0x30010000 u-boot.bindm9000 i/o: 0x20000300, id: 0x90000a46 MAC: 0a:1b:2c:3d:4e:5fTFTP from server 192.168.1.101; our IP address is 192.168.1.120Filename 'u-boot.bin'.Load address: 0x30010000Loading: T ###############doneBytes transferred = 207396 (32a24 hex)

2. NFS

目标
将文件通过NFS命令，从PC端，通过网络，传送到Uboot的内存中去

前提
- 硬件
  - 硬件板子上有网卡
  - 板子通过网线连到路由或交换机上，PC也连到该路由或交换机上，共处同一个网段
- 软件
  - PC端设置好NFS服务
  - Uboot中实现了网卡驱动和nfs命令
  - Uboot中设置好了ip地址，ip掩码mask，网关gateway

如何操作
Uboot中执行：
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

目标
将文件从SD/MMC卡中，拷贝到Uboot的内存中

前提
- 硬件
  - 开发板有SD/MMC的controller，有对应的SD/MMC插槽
  - 自己有SD或MMC卡
- 软件
  - Uboot中实现了对应的SD/MMC驱动及对应的命令
    关于uboot中，把新版本的mmc驱动，移植到旧的上，可以参考：
  - SD/MMC卡是FAT文件系统
    当然，如果是其他的文件系统，比如ext2等，也是可以的，下面对应的命令就是ext2ls和ext2load了。

如何操作
1. mmcinit或mmc rescan
  即初始化mmc，旧版本的uboot的是mmcinit，新版本的uboot是mmc rescan
2. fatls mmc 0
  将mmc卡中的文件列出来，确保mmc卡工作正常和知道里面有哪些文件
3. fatload mmc 0 mem_addr file_name
  将mmc卡中的file_name文件拷贝到内存mem_addr处。

示例

EmbedSky> mmcinitmmc: Probing for SDHC ...mmc: SD 2.0 or later card foundtrying to detect SD Card...Manufacturer: 0x02, OEM "TM"Product name: "SA04G", revision 0.5Serial number: 2621440179Manufacturing date: 7/2010CRC: 0x73, b0 = 1READ_BL_LEN=15, C_SIZE_MULT=0, C_SIZE=365size = 0SD Card detected RCA: 0x1234 type: SDHCEmbedSky> md 3000000030000000: 00000000 00000000 00000000 00000000 ................30000010: 00000000 00000000 00000000 00000000 ................。。。300000f0: 00000000 00000000 00000000 00000000 ................EmbedSky> fatls mmc 0512 nikon001.dsc misc/dcim/194 error.html 2 file(s), 2 dir(s)EmbedSky> help fatload fatload 
               
                
                 
                 
                   [bytes]- load binary file 'filename' from 'dev' on 'interface'to address 'addr' from dos filesystemEmbedSky> fatload mmc 0 30000000 error.htmlreading error.html194 bytes readEmbedSky> md 3000000030000000: 4d54483c 423c3e4c 3e59444f 6e6f7257 Wron30000010: 50492067 7263733c 3e747069 646e6977 g IP

上述md（memory display）命令，只是为了显示内存中的内容，用以表示，拷贝文件前后内存中数据的变化。

3.1.2.2.1.5. JTAG == debug tool

1. tftp

目标
在开发板运行程序的情况下，比如Uboot中，通过debug工具，将文件下载到Uboot的内存中

前提
- 硬件
  - 开发板上有JTAG等debug接口，连接上对应的Jlink等硬件
- 软件
  - 对应的debug 工具支持载入文件到内存的功能
    一般debug工具，都是IDE集成开发环境，对应的IDE里面会有对应的功能。
    
    比如ARM的RVDS，里面就有对应的load file到memory的功能。

如何操作
在IDE工具中，找到对应的功能选项，然后把文件load载入到开发板的内存中，即可。

3.1.2.2.2. 如何把内存中的数据，写入到对应存储设备上

前面的操作，是把数据从外部传输到Uboot的内存中，接下来，就要把对应的数据，写入到对应的存储介质中去。

常见的存储介质以及Uboot中相关的命令，分类如下：

表 3.3. 如何把Uboot的内存中数据写入到存储设备上

存储介质	Uboot中相关命令	说明
Nand Flash	nand erase nand write	先擦除才能再写入数据
Nor Flash	erase cp.b	先擦除才能再写入数据
USB	usb write
SD/MMC	mmc write

下面分别介绍，在Uboot中，对于每种存储设备，如何用相关的命令，把数据写入到对应存储设备中。

3.1.2.2.2.1. Nand Flash

目标
把Uboot中内存中数据，写入到Nand Flash中去

前提
- 软件
  - Uboot中，已经实现了nand erase和nand write命令了

如何操作
- nand erase
  需要先用nand的erase命令，去擦出对应的区域
- nand write
  然后再用nand write，把内存中的数据，写入到nand 中。

3.1.2.2.2.2. Nor Flash

关于Nor Flash，需要额外说明一些事情。

本身Flash这个名词，在存储领域方面，包括了Nand Flash和Nor Flash。

而由于Nor Flash出现最早，应用很广泛，所以Uboot中，对于单独说Flash这个词，是指的是Nor Flash。

所以，会有对应的命令：

flinfo = Flash Info = Nor Flash Info

而又由于Nor Flash的很多操作，很像SDRAM等设备，可以直接读，（写操作需要特定的命令），但是可以把Nor Flash的操作，兼容统一到cp拷贝这个命令中去。

所以，很多时候，你会发现，好像没有单独的Nor Flash的读写的命令，其实是包含在了cp这个命令中了。

另外，对于cp命令本身，其有三种方式：

cp.b单位为b=byte=字节的方式，去拷贝数据

cp.w单位为w=word=字的方式，去拷贝数据

cp.l单位为l=long=长整型的方式，去拷贝数据

不过，对于eeprom，也有单独的一套eeprom的命令的，比如eeprom write，用于将数据写入到eeprom中去。

目标
把Uboot中内存中数据，写入到Nor Flash中去

前提
- 软件
  - Uboot中，已经实现了Nor flash 相关的命令了，包括erase和cp命令支持了Nor Flash了

如何操作
在Uboot中，执行下列命令：
- protect off
  只有在你当前需要重新写入新数据的Nor Flash的Block是已经被写保护的情况下，才需要此步骤去解除锁定。
  
  一般情况下，都不需要此步骤的。
- erase
  去擦出Nor Flash中的数据
- cp或eeprom write
  将内存中的数据，写入到Nor Flash中。