基于网络加载的BootLoader的应用

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：

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。

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。