基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)從軟件結(jié)構(gòu)層次的角度來看，一般由引導(dǎo)裝載程序（BootLoader，BSP）、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序幾部分組成。然而在有的嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序存放在系統(tǒng)以外的設(shè)備中，如網(wǎng)絡(luò)、硬盤等，整個系統(tǒng)只有引導(dǎo)裝載程序。因此BootLoader是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中比較重要的一部分。

在嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)中，按照應(yīng)用程序存放位置，可以有3種不同的加載方式：固態(tài)存儲媒體、磁盤以及網(wǎng)絡(luò)，每種方式都會有自己特有的配置和用法。3種設(shè)置方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，固態(tài)儲存媒體啟動方式一般適用于帶有ROM/FLASH的嵌入式系統(tǒng)中，是大多數(shù)嵌入式設(shè)備的首選方案如手機(jī)，mp3等，但當(dāng)應(yīng)用程序較大的情況下，為了降低嵌入式設(shè)備的單價，磁盤啟動方式也被大量使用，典型應(yīng)用如SDH電信傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試儀ANT-20等，而基于網(wǎng)絡(luò)加載方式則是最便宜的嵌入式設(shè)備的應(yīng)用方案，應(yīng)用程序存放在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端，嵌入式設(shè)備啟動時，只需要將它通過網(wǎng)絡(luò)當(dāng)?shù)絻?nèi)存并運(yùn)行，一方面可以快速解決應(yīng)用程序升級問題，另一方面也可以降低嵌入設(shè)備的整體成本，且在開發(fā)初期這種方式也能大幅提高調(diào)試速度，典型的應(yīng)用如嵌入式設(shè)備的瘦客戶端。

1 基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader方案設(shè)計

這種方案重點(diǎn)解決兩個問題，一是嵌入式設(shè)備加電后啟動前與服務(wù)器端之間的通信與聯(lián)系，二是嵌入設(shè)備在啟動過程中應(yīng)用程序下載方式的實現(xiàn)。前者需要將嵌入式設(shè)備驅(qū)動起來，實現(xiàn)通信能力，網(wǎng)卡驅(qū)動是必須實現(xiàn)的步驟，后者需要通過相關(guān)的協(xié)議棧將應(yīng)用程序下載到系統(tǒng)內(nèi)存，運(yùn)行起來。本文重點(diǎn)介始基于UDP/IP協(xié)議棧的（DHCP、TFIP、NFS）加載方案設(shè)計。

1.1 BooiLoader中網(wǎng)卡驅(qū)動的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)適配器（網(wǎng)卡）一般由可編程數(shù)據(jù)鏈路控制器、曼徹斯特編碼/譯碼器、收發(fā)器接口和控制電路等幾部分組成，其中可編程數(shù)據(jù)鏈路控制器由微處理器和網(wǎng)絡(luò)管理部分等組成，如圖1所示。

在BootLoader網(wǎng)卡驅(qū)動設(shè)計中，主要包括3種基本的操作（文中以Realtek8139網(wǎng)卡作為實例進(jìn)行具體分析）：

1）網(wǎng)卡的初始化

應(yīng)完成的工作是初始化網(wǎng)卡中的相關(guān)硬件，包括網(wǎng)卡中斷向量的設(shè)置、網(wǎng)卡接收與發(fā)送緩沖區(qū)在內(nèi)存中的映射、網(wǎng)卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化等。

2）數(shù)據(jù)包發(fā)送

發(fā)送和發(fā)送控制部分負(fù)責(zé)幀的發(fā)送。發(fā)送部分接受來自“NBZ曼徹斯特轉(zhuǎn)換器”的曼徹斯特碼的數(shù)據(jù)，并在發(fā)送控制部分允許的條件下將數(shù)據(jù)發(fā)送到媒體，發(fā)送的數(shù)據(jù)稱為TxD。發(fā)送控制部分判定是否進(jìn)行發(fā)送，這種判定基于LAN管理部分和TxD來進(jìn)行。

3）數(shù)據(jù)包的接收

接收和接收控制部分負(fù)責(zé)幀的接收。這一部分產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)是否有載波存在的信號，產(chǎn)生的依據(jù)是從RxD中獲得。因此，網(wǎng)絡(luò)上來的信號一方面饋送給接收器，另一方面要饋送給接收控制部分。接收控制部分根據(jù)LAN管理部分和媒體上接收的信號判定是否使接收器工作。

1.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端應(yīng)用方案的設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)加載BootLoader中，使用到的應(yīng)用層協(xié)議有DHCP、TFTP和NFS。目標(biāo)平臺在工作中，需要服務(wù)器端提供以上協(xié)議的服務(wù)：

1）建立服務(wù)器端的DHCP服務(wù)

該服務(wù)完成的功能是為目標(biāo)平臺提供有效的IP地址分配，保證目標(biāo)平臺與服務(wù)器之間正常通信時地址唯一。其配置過程如下：

在確信DHCP協(xié)議已經(jīng)被正確安裝后，需修改/etc/dhcpd.conf文件，例如：

其中subnet是目標(biāo)機(jī)與主機(jī)共同的子網(wǎng)，netmask是它們的子網(wǎng)掩碼。Hardware ethernet是目標(biāo)機(jī)的網(wǎng)絡(luò)硬件地址，可以通過fixed-address給目標(biāo)分配一個固定的IP地址，當(dāng)目標(biāo)機(jī)啟動時，就會自己獲得這個IP地址。Option host-name是目標(biāo)機(jī)的機(jī)器名。當(dāng)主機(jī)與目標(biāo)機(jī)直接連接時，option routers指向主機(jī)的地址，當(dāng)它們不是直接連接，而是通過路由時，option routers的值為真正的routers地址值，同理optionsubnet-mask為option routers網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼。Filename為目標(biāo)機(jī)從TFTP服務(wù)端下載的文件名，next-server為提供TFTP服務(wù)的位置。

最后請檢查/var/state/dhcp/dhcpd.leases文件是否存在，當(dāng)一切準(zhǔn)備好后，就可以運(yùn)行DHCP服務(wù)了：

#/etc/init.d/dhcpd start

2）建立服務(wù)器端的TFTP服務(wù)

該服務(wù)在基于網(wǎng)絡(luò)的BootLoader下載應(yīng)用程序時使用，它類似于FTP服務(wù)，但它不需要向服務(wù)器提供用戶名與密碼，且其下載速度比FTP要快。其配置過程如下：

在確信TFTP協(xié)議已經(jīng)被正確安裝后，

①修改文件/etc/xinetd.conf，打開tftp的支持;

②修改文件/etc/xinetd.d/tftp，例如：

參數(shù)server_args為tftp服務(wù)指定的目錄，其余參數(shù)理解比較容易。

設(shè)置完畢后，請重新啟xinetd，運(yùn)行tap服務(wù)。

3）建立服務(wù)器端的NFS服務(wù)

目標(biāo)平臺在Linux運(yùn)行初始化時，需要借助該服務(wù)來掛載根文件系統(tǒng)。其配置過程如下：

在確定NFS已經(jīng)正確安裝后，請修改文件/etc/exports，例如：

/home/karim/ctrl—rooffs 192.168.172.10 （rw，no_root_squash）

其中目錄/home/karim/ctrl-rooffs可以修改為服務(wù)器端的根文件系統(tǒng)存放的目錄。192.168.172.10為服務(wù)器端的IP地址。

修改完成后只需要重新啟動NFS服務(wù)即可，NFS服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)功能，便于應(yīng)用程序的管理與使用。

1. 3 客戶端嵌入式BootLoader的設(shè)計

在基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader系統(tǒng)中，應(yīng)用程序文件一般被存放在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。系統(tǒng)啟動后，BootLoader需要先驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)適配器，并通過UDP/IP協(xié)議棧（BOOTP/DHCP、TFTP協(xié)議等），將映像文件下載到目標(biāo)機(jī)端的SDRAM運(yùn)行，當(dāng)嵌入式linux操作系統(tǒng)初始化時，它借助NFS協(xié)議將根文件系統(tǒng)掛載到服務(wù)器端。

在該方案中，BootLoader程序的主要工作步驟如下：

1）基本硬件的初始化：包括屏蔽所有的中斷、初始化所有的硬件、設(shè)置/裝載系統(tǒng)setup值、設(shè)置CPU的時鐘和頻率、RAM的初始化等;

2）讀取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置文件：

該配置文件主要存放系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)過程中需要的一些參數(shù)，包括MAC地址、tftp服務(wù)器的IP地址、Kernel文件名、應(yīng)用程序文件名等。

3）初始化PCI接口，并驅(qū)動網(wǎng)卡;

4）通過DHCP協(xié)議獲取目標(biāo)平臺的IP地址;

目標(biāo)平臺先廣播發(fā)送ARP包，當(dāng)DHCP服務(wù)器接收到該ARP包后，就會根據(jù)ARP包中的硬件地址從地址表中分配一個有效的IP地址，并發(fā)送應(yīng)答報文給目標(biāo)平臺。

5）通過tftp協(xié)議下載kernel代碼至內(nèi)存SDRAM;

6）運(yùn)行Linux內(nèi)核和系統(tǒng)應(yīng)用程序。

2 基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader的應(yīng)用實現(xiàn)

本文設(shè)計的基于網(wǎng)絡(luò)加載的嵌入式BootLoader應(yīng)用于DVB-C電視機(jī)頂盒產(chǎn)品中，在DVB-C機(jī)頂盒中，一般有網(wǎng)口用于與內(nèi)容服務(wù)器進(jìn)行交互，如VOD及網(wǎng)頁瀏覽器等功能。其硬件框圖組成如圖3所示。

該DVB-C電視機(jī)頂盒中，CPU是Sunplus公司生產(chǎn)的32位雙核RISC微控制器SPH1003。此外，系統(tǒng)還集成有Semsung公司的Tuner，其功能是從cable中調(diào)制出TS流，其內(nèi)容為電視節(jié)目流及電視節(jié)目輔助信息（如EPG，電視圖文信息）等。通過電視機(jī)頂盒的集成網(wǎng)口可以實現(xiàn)電視機(jī)頂盒軟件（主要是嵌入式Linux內(nèi)核，根文件系統(tǒng)及應(yīng)用程序三個部分）的下載與啟動。

在該DVB—C機(jī)頂盒中，BootLoader的裝載程序主要是實現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)下載嵌入式Linux內(nèi)核并且啟動系統(tǒng)。在由BootLoader完成系統(tǒng)的硬件初始化后，程序?qū)D(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)Loader程序中，由它驅(qū)動網(wǎng)卡，并啟動tftp請求，從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端通過tftp協(xié)議下載指定文件，并運(yùn)行起來，其軟件運(yùn)行如1.3部分。這種應(yīng)用可以有效在利用機(jī)盒中的網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低機(jī)頂盒的整體成本（少去flash/ROM芯片及其周邊控制硬件等），同時也有利于及時更新應(yīng)用程序及嵌入式內(nèi)核等，實現(xiàn)機(jī)頂盒瘦客戶端目的和及時維護(hù)功能。

3 BootLoader引導(dǎo)裝載過程的測試與分析

3.1 測試用例設(shè)計

在DVB-C機(jī)頂盒引導(dǎo)裝載過程的測試中，主要包括單元測試與集成測試兩個方面。因此在設(shè)計測試用倒時，主要有單元測試用例及集成測試用例。其測試用例設(shè)計如表1、表2所示。

3.2 測試結(jié)果分析

根據(jù)上表測試用例的設(shè)計，分析結(jié)果如下：

1）在單元測試中，根據(jù)每個函數(shù)的功能及測試結(jié)果要求，分別進(jìn)行代碼覆蓋率的測試、參數(shù)邊界值測試及函數(shù)運(yùn)行結(jié)果的測試，其測試結(jié)果全都能達(dá)到程序要求;

2）在集成測試中，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的測試主要集中在：正常的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，運(yùn)行不正常的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境兩方面，程序?qū)@兩種情況能夠正確地識別且做出不同的響應(yīng);對不同的目標(biāo)文件進(jìn)行了下載測試，分別比較原文件與下載到SDRAM的內(nèi)容，兩者完全一致，且在多次下載測試中成功率達(dá)到100%;對DVB-C機(jī)頂盒的啟動過程及時間進(jìn)行了專項測試，這項測試是BootLoader引導(dǎo)裝載程序最重要的性能測試，其啟動過程的成功率達(dá)到100%，啟動時間大致為1 s。

4 結(jié)束語

文中介紹的基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader整套設(shè)計與解決方案，具有良好的模塊結(jié)構(gòu)和可擴(kuò)展性，為應(yīng)用于其它系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。同時，在實際產(chǎn)品設(shè)計中已大量應(yīng)用在DVB-C機(jī)頂盒中，該DVB-C機(jī)頂盒與一般機(jī)頂盒相比，節(jié)省20元左右，在批量生產(chǎn)中（十萬臺左右），可實現(xiàn)上百萬元的經(jīng)濟(jì)效益，因此該方案具有很強(qiáng)的市場競爭力。