基于网络加载的嵌入式BootLoader的设计与实现

摘要：由于嵌入式系统引导装载程序(BootLoader)的网络加载方式在产品开发初期阶段的广泛应用，因此基于网络的BootLoader设计与实现具有较强的实际意义。提出了基于网络加载的BootLoader整套设计与解决方案，并将该方案应用到实际产品DVB—C中。最后，通过BootLoad er引导装载过程的测试与分析，验证该方案的可行性与高效性。
关键词：嵌入式系统；BootLoader；网络；DVB—C机顶盒

    嵌入式系统从软件结构层次的角度来看，一般由引导装载程序(BootLoader，BSP)、操作系统和应用程序几部分组成。然而在有的嵌入式系统中，操作系统和应用程序存放在系统以外的设备中，如网络、硬盘等，整个系统只有引导装载程序。因此BootLoader是嵌入式系统设计中比较重要的一部分。
    在嵌入式系统的引导中，按照应用程序存放位置，可以有3种不同的加载方式：固态存储媒体、磁盘以及网络，每种方式都会有自己特有的配置和用法。3种设置方式各有其优缺点，固态储存媒体启动方式一般适用于带有ROM／FLASH的嵌入式系统中，是大多数嵌入式设备的首选方案如手机，mp3等，但当应用程序较大的情况下，为了降低嵌入式设备的单价，磁盘启动方式也被大量使用，典型应用如SDH电信传输网络设备测试仪ANT-20等，而基于网络加载方式则是最便宜的嵌入式设备的应用方案，应用程序存放在网络服务器端，嵌入式设备启动时，只需要将它通过网络当到内存并运行，一方面可以快速解决应用程序升级问题，另一方面也可以降低嵌入设备的整体成本，且在开发初期这种方式也能大幅提高调试速度，典型的应用如嵌入式设备的瘦客户端。

1 基于网络加载的BootLoader方案设计
    这种方案重点解决两个问题，一是嵌入式设备加电后启动前与服务器端之间的通信与联系，二是嵌入设备在启动过程中应用程序下载方式的实现。前者需要将嵌入式设备驱动起来，实现通信能力，网卡驱动是必须实现的步骤，后者需要通过相关的协议栈将应用程序下载到系统内存，运行起来。本文重点介始基于UDP／IP协议栈的(DHCP、TFIP、NFS)加载方案设计。
1．1 BooiLoader中网卡驱动的设计
    网络适配器(网卡)一般由可编程数据链路控制器、曼彻斯特编码／译码器、收发器接口和控制电路等几部分组成，其中可编程数据链路控制器由微处理器和网络管理部分等组成，如图1所示。

    在BootLoader网卡驱动设计中，主要包括3种基本的操作(文中以Realtek8139网卡作为实例进行具体分析)：
    1)网卡的初始化
    应完成的工作是初始化网卡中的相关硬件，包括网卡中断向量的设置、网卡接收与发送缓冲区在内存中的映射、网卡数据结构的初始化等。
    2)数据包发送
    发送和发送控制部分负责帧的发送。发送部分接受来自“NBZ曼彻斯特转换器”的曼彻斯特码的数据，并在发送控制部分允许的条件下将数据发送到媒体，发送的数据称为TxD。发送控制部分判定是否进行发送，这种判定基于LAN管理部分和TxD来进行。
    3)数据包的接收
    接收和接收控制部分负责帧的接收。这一部分产生网络是否有载波存在的信号，产生的依据是从RxD中获得。因此，网络上来的信号一方面馈送给接收器，另一方面要馈送给接收控制部分。接收控制部分根据LAN管理部分和媒体上接收的信号判定是否使接收器工作。
1．2 网络服务器端应用方案的设计
    在网络加载BootLoader中，使用到的应用层协议有DHCP、TFTP和NFS。目标平台在工作中，需要服务器端提供以上协议的服务：
    1)建立服务器端的DHCP服务
    该服务完成的功能是为目标平台提供有效的IP地址分配，保证目标平台与服务器之间正常通信时地址唯一。其配置过程如下：
    在确信DHCP协议已经被正确安装后，需修改／etc／dhcpd．conf文件，例如：
    [!--empirenews.page--]
    其中subnet是目标机与主机共同的子网，netmask是它们的子网掩码。Hardware ethernet是目标机的网络硬件地址，可以通过fixed-address给目标分配一个固定的IP地址，当目标机启动时，就会自己获得这个IP地址。Option host-name是目标机的机器名。当主机与目标机直接连接时，option routers指向主机的地址，当它们不是直接连接，而是通过路由时，option routers的值为真正的routers地址值，同理optionsubnet-mask为option routers网络的子网掩码。Filename为目标机从TFTP服务端下载的文件名，next-server为提供TFTP服务的位置。
    最后请检查／var／state／dhcp／dhcpd．leases文件是否存在，当一切准备好后，就可以运行DHCP服务了：
    #／etc／init．d／dhcpd start
    2)建立服务器端的TFTP服务
    该服务在基于网络的BootLoader下载应用程序时使用，它类似于FTP服务，但它不需要向服务器提供用户名与密码，且其下载速度比FTP要快。其配置过程如下：
    在确信TFTP协议已经被正确安装后，
    ①修改文件／etc／xinetd．conf，打开tftp的支持；
    ②修改文件／etc／xinetd．d／tftp，例如：
    
    参数server_args为tftp服务指定的目录，其余参数理解比较容易。
    设置完毕后，请重新启xinetd，运行tap服务。
    3)建立服务器端的NFS服务
    目标平台在Linux运行初始化时，需要借助该服务来挂载根文件系统。其配置过程如下：
    在确定NFS已经正确安装后，请修改文件／etc／exports，例如：
    ／home／karim／ctrl—rooffs 192．168．172．10 (rw，no_root_squash)
    其中目录／home／karim／ctrl-rooffs可以修改为服务器端的根文件系统存放的目录。192．168．172．10为服务器端的IP地址。
    修改完成后只需要重新启动NFS服务即可，NFS服务提供网络文件系统功能，便于应用程序的管理与使用。
1. 3 客户端嵌入式BootLoader的设计
    在基于网络加载的BootLoader系统中，应用程序文件一般被存放在网络服务器。系统启动后，BootLoader需要先驱动网络适配器，并通过UDP／IP协议栈(BOOTP／DHCP、TFTP协议等)，将映像文件下载到目标机端的SDRAM运行，当嵌入式linux操作系统初始化时，它借助NFS协议将根文件系统挂载到服务器端。
    在该方案中，BootLoader程序的主要工作步骤如下：
    1)基本硬件的初始化：包括屏蔽所有的中断、初始化所有的硬件、设置／装载系统setup值、设置CPU的时钟和频率、RAM的初始化等；
    2)读取网络参数配置文件：
    该配置文件主要存放系统使用网络过程中需要的一些参数，包括MAC地址、tftp服务器的IP地址、Kernel文件名、应用程序文件名等。
    3)初始化PCI接口，并驱动网卡；
    4)通过DHCP协议获取目标平台的IP地址；
    目标平台先广播发送ARP包，当DHCP服务器接收到该ARP包后，就会根据ARP包中的硬件地址从地址表中分配一个有效的IP地址，并发送应答报文给目标平台。
    5)通过tftp协议下载kernel代码至内存SDRAM；
    6)运行Linux内核和系统应用程序。[!--empirenews.page--]
    该方案的执行逻辑可以用图2所示。

2 基于网络加载的BootLoader的应用实现
    本文设计的基于网络加载的嵌入式BootLoader应用于DVB-C电视机顶盒产品中，在DVB-C机顶盒中，一般有网口用于与内容服务器进行交互，如VOD及网页浏览器等功能。其硬件框图组成如图3所示。

    该DVB-C电视机顶盒中，CPU是Sunplus公司生产的32位双核RISC微控制器SPH1003。此外，系统还集成有Semsung公司的Tuner，其功能是从cable中调制出TS流，其内容为电视节目流及电视节目辅助信息(如EPG，电视图文信息)等。通过电视机顶盒的集成网口可以实现电视机顶盒软件(主要是嵌入式Linux内核，根文件系统及应用程序三个部分)的下载与启动。
    在该DVB—C机顶盒中，BootLoader的装载程序主要是实现从网络下载嵌入式Linux内核并且启动系统。在由BootLoader完成系统的硬件初始化后，程序将会跳转到网络Loader程序中，由它驱动网卡，并启动tftp请求，从网络服务器端通过tftp协议下载指定文件，并运行起来，其软件运行如1．3部分。这种应用可以有效在利用机盒中的网卡网络结构，从而降低机顶盒的整体成本(少去flash／ROM芯片及其周边控制硬件等)，同时也有利于及时更新应用程序及嵌入式内核等，实现机顶盒瘦客户端目的和及时维护功能。

3 BootLoader引导装载过程的测试与分析
3．1 测试用例设计
    在DVB-C机顶盒引导装载过程的测试中，主要包括单元测试与集成测试两个方面。因此在设计测试用倒时，主要有单元测试用例及集成测试用例。其测试用例设计如表1、表2所示。

3．2 测试结果分析
    根据上表测试用例的设计，分析结果如下：
    1)在单元测试中，根据每个函数的功能及测试结果要求，分别进行代码覆盖率的测试、参数边界值测试及函数运行结果的测试，其测试结果全都能达到程序要求；
    2)在集成测试中，对网络环境的测试主要集中在：正常的网络环境，运行不正常的网络环境两方面，程序对这两种情况能够正确地识别且做出不同的响应；对不同的目标文件进行了下载测试，分别比较原文件与下载到SDRAM的内容，两者完全一致，且在多次下载测试中成功率达到100％；对DVB-C机顶盒的启动过程及时间进行了专项测试，这项测试是BootLoader引导装载程序最重要的性能测试，其启动过程的成功率达到100％，启动时间大致为1 s。

4 结束语
    文中介绍的基于网络加载的BootLoader整套设计与解决方案，具有良好的模块结构和可扩展性，为应用于其它系统奠定了基础。同时，在实际产品设计中已大量应用在DVB-C机顶盒中，该DVB-C机顶盒与一般机顶盒相比，节省20元左右，在批量生产中(十万台左右)，可实现上百万元的经济效益，因此该方案具有很强的市场竞争力。