基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader整套設(shè)計(jì)與解決方案

由于嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序(BootLoader)的網(wǎng)絡(luò)加載方式在產(chǎn)品開發(fā)初期階段的廣泛應(yīng)用，因此基于網(wǎng)絡(luò)的BootLoader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。提出了基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader整套設(shè)計(jì)與解決方案，并將該方案應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品DVB—C中。最后，通過BootLoad er引導(dǎo)裝載過程的測試與分析，驗(yàn)證該方案的可行性與高效性。

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(gè)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(jì)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(chǔ)媒體、磁盤以及網(wǎng)絡(luò)，每種方式都會(huì)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(chǔ)存媒體啟動(dòng)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(jià)，磁盤啟動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(jí)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(jì)

這種方案重點(diǎn)解決兩個(gè)問題，一是嵌入式設(shè)備加電后啟動(dòng)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(dòng)過程中應(yīng)用程序下載方式的實(shí)現(xiàn)。前者需要將嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)通信能力，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)是必須實(shí)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(jì)。

1．1 BooiLoader中網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

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(dòng)設(shè)計(jì)中，主要包括3種基本的操作(文中以ReaLTEk8139網(wǎng)卡作為實(shí)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(hào)，產(chǎn)生的依據(jù)是從RxD中獲得。因此，網(wǎng)絡(luò)上來的信號(hào)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(hào)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(jì)

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(tái)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(tái)提供有效的IP地址分配，保證目標(biāo)平臺(tái)與服務(wù)器之間正常通信時(shí)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(gè)固定的IP地址，當(dāng)目標(biāo)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，就會(huì)自己獲得這個(gè)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(shí)，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(shí)，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(qǐng)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(shí)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(qǐng)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(tái)在Linux運(yùn)行初始化時(shí)，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(qǐng)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(dòng)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(jì)

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(dòng)后，BootLoader需要先驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)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(dòng)網(wǎng)卡；

4)通過DHCP協(xié)議獲取目標(biāo)平臺(tái)的IP地址；

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

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。

該方案的執(zhí)行邏輯可以用圖2所示。

2 基于網(wǎng)絡(luò)加載的BootLoader的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)
本文設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)部分)的下載與啟動(dòng)。

在該DVB—C機(jī)頂盒中，BootLoader的裝載程序主要是實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)下載嵌入式Linux內(nèi)核并且啟動(dòng)系統(tǒng)。在由BootLoader完成系統(tǒng)的硬件初始化后，程序?qū)?huì)跳轉(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)Loader程序中，由它驅(qū)動(dòng)網(wǎng)卡，并啟動(dòng)tftp請(qǐng)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(shí)也有利于及時(shí)更新應(yīng)用程序及嵌入式內(nèi)核等，實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒瘦客戶端目的和及時(shí)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(jì)

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(gè)方面。因此在設(shè)計(jì)測試用倒時(shí)，主要有單元測試用例及集成測試用例。其測試用例設(shè)計(jì)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(jì)，分析結(jié)果如下：

1)在單元測試中，根據(jù)每個(gè)函數(shù)的功