基于網絡加載的嵌入式BootLoader的設計與實現

王薇

（四川財經職業學院 四川 成都 610101）

嵌入式系統從軟件結構層次的角度來看，一般由引導裝載程序（BootLoader，BSP）、操作系統和應用程序幾部分組成。然而在有的嵌入式系統中，操作系統和應用程序存放在系統以外的設備中，如網絡、硬盤等，整個系統只有引導裝載程序[1]。因此BootLoader是嵌入式系統設計中比較重要的一部分。

在嵌入式系統的引導中，按照應用程序存放位置，可以有3種不同的加載方式：固態存儲媒體、磁盤以及網絡[2]，每種方式都會有自己特有的配置和用法。3種設置方式各有其優缺點，固態儲存媒體啟動方式一般適用于帶有ROM/FLASH的嵌入式系統中，是大多數嵌入式設備的首選方案如手機，mp3等，但當應用程序較大的情況下，為了降低嵌入式設備的單價，磁盤啟動方式也被大量使用，典型應用如SDH電信傳輸網絡設備測試儀ANT-20等，而基于網絡加載方式則是最便宜的嵌入式設備的應用方案，應用程序存放在網絡服務器端，嵌入式設備啟動時，只需要將它通過網絡當到內存并運行，一方面可以快速解決應用程序升級問題，另一方面也可以降低嵌入設備的整體成本，且在開發初期這種方式也能大幅提高調試速度，典型的應用如嵌入式設備的瘦客戶端。

1 基于網絡加載的BootLoader方案設計

這種方案重點解決兩個問題，一是嵌入式設備加電后啟動前與服務器端之間的通信與聯系，二是嵌入設備在啟動過程中應用程序下載方式的實現。前者需要將嵌入式設備驅動起來，實現通信能力，網卡驅動是必須實現的步驟，后者需要通過相關的協議棧將應用程序下載到系統內存，運行起來。本文重點介始基于UDP/IP協議棧的（DHCP、TFTP、NFS）加載方案設計。

1.1 BootLoader中網卡驅動的設計

網絡適配器（網卡）一般由可編程數據鏈路控制器、曼徹斯特編碼/譯碼器、收發器接口和控制電路等幾部分組成，其中可編程數據鏈路控制器由微處理器和網絡管理部分等組成[3]，如圖 1所示。

圖1 網絡適配器的結構Fig.1 Structure of the network adapter

在BootLoader網卡驅動設計中，主要包括3種基本的操作（文中以Realtek8139網卡作為實例進行具體分析）：

1）網卡的初始化

應完成的工作是初始化網卡中的相關硬件，包括網卡中斷向量的設置、網卡接收與發送緩沖區在內存中的映射、網卡數據結構的初始化等。

2）數據包發送

發送和發送控制部分負責幀的發送。發送部分接受來自“NRZ曼徹斯特轉換器”的曼徹斯特碼的數據，并在發送控制部分允許的條件下將數據發送到媒體，發送的數據稱為TxD。發送控制部分判定是否進行發送，這種判定基于LAN管理部分和TxD來進行。

3）數據包的接收

接收和接收控制部分負責幀的接收。這一部分產生網絡是否有載波存在的信號，產生的依據是從RxD中獲得。因此，網絡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 網絡服務器端應用方案的設計

在網絡加載BootLoader中，使用到的應用層協議有DHCP、TFTP和NFS。目標平臺在工作中，需要服務器端提供以上協議的服務：

1）建立服務器端的DHCP服務

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

在確信DHCP協議已經被正確安裝后，需修改/etc/dhcpd.conf文件，例如：

其中subnet是目標機與主機共同的子網，netmask是它們的子網掩碼。Hardware ethernet是目標機的網絡硬件地址，可以通過fixed-address給目標分配一個固定的IP地址，當目標機啟動時，就會自己獲得這個IP地址。Option host-name是目標機的機器名。當主機與目標機直接連接時，option routers指向主機的地址，當它們不是直接連接，而是通過路由時，option routers的值為真正的routers地址值，同理option subnet-mask為option routers網絡的子網掩碼。Filename為目標機從TFTP服務端下載的文件名，next-server為提供TFTP服務的位置。

最后請檢查/var/state/dhcp/dhcpd.leases文件是否存在，當一切準備好后，就可以運行DHCP服務了：

#/etc/init.d/dhcpd start

2）建立服務器端的TFTP服務

該服務在基于網絡的BootLoader下載應用程序時使用，它類似于FTP服務，但它不需要向服務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協議已經被正確安裝后，

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server_args為tftp服務指定的目錄，其余參數理解比較容易。

設置完畢后，請重新啟xinetd，運行tftp服務。

3）建立服務器端的NFS服務

目標平臺在Linux運行初始化時，需要借助該服務來掛載根文件系統。其配置過程如下：

在確定NFS已經正確安裝后，請修改文件/etc/exports，例如：

/home/karim/ctrl -rootfs 192.168.172.10 （rw，no_root_squash）

其中目錄/home/karim/ctrl-rootfs可以修改為服務器端的根文件系統存放的目錄。192.168.172.10為服務器端的IP地址。

修改完成后只需要重新啟動NFS服務即可，NFS服務提供網絡文件系統功能，便于應用程序的管理與使用。

1.3 客戶端嵌入式BootLoader的設計

在基于網絡加載的BootLoader系統中，應用程序文件一般被存放在網絡服務器。系統啟動后，BootLoader需要先驅動網絡適配器，并通過UDP/IP協議棧（BOOTP/DHCP、TFTP協議等），將映像文件下載到目標機端的SDRAM運行，當嵌入式linux操作系統初始化時，它借助NFS協議將根文件系統掛載到服務器端。

在該方案中，BootLoader程序的主要工作步驟如下[4-6]：

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、設置/裝載系統setup值、設置CPU的時鐘和頻率、RAM的初始化等；

2）讀取網絡參數配置文件：

該配置文件主要存放系統使用網絡過程中需要的一些參數，包括MAC地址、tftp服務器的IP地址、Kernel文件名、應用程序文件名等。

3）初始化PCI接口，并驅動網卡；

4）通過DHCP協議獲取目標平臺的IP地址；

目標平臺先廣播發送ARP包，當DHCP服務器接收到該ARP包后，就會根據ARP包中的硬件地址從地址表中分配一個有效的IP地址，并發送應答報文給目標平臺。

5）通過tftp協議下載kernel代碼至內存SDRAM；

6）運行Linux內核和系統應用程序。

該方案的執行邏輯可以用圖2所示。

圖2 基于網絡加載的BootLoader程序執行邏輯圖Fig.2 Program execution logic diagram of the BootLoader based on network load

2 基于網絡加載的BootLoader的應用實現

本文設計的基于網絡加載的嵌入式BootLoader應用于DVB-C電視機頂盒產品中，在DVB-C機頂盒中，一般有網口用于與內容服務器進行交互，如VOD及網頁瀏覽器等功能。其硬件框圖組成如圖3所示。

圖3 DVB-C基于網絡的電視機頂盒的硬件組成框圖Fig.3 DVB-C TV set-top box based on network’hardware block diagram

該DVB-C電視機頂盒中，CPU是Sunplus公司生產的32位雙核RISC微控制器SPH1003。此外，系統還集成有Samsung公司的Tuner，其功能是從cable中調制出TS流，其內容為電視節目流及電視節目輔助信息（如EPG，電視圖文信息）等。通過電視機頂盒的集成網口可以實現電視機頂盒軟件（主要是嵌入式Linux內核，根文件系統及應用程序三個部分）的下載與啟動。

在該DVB-C機頂盒中，BootLoader的裝載程序主要是實現從網絡下載嵌入式Linux內核并且啟動系統。在由BootLoader完成系統的硬件初始化后，程序將會跳轉到網絡Loader程序中，由它驅動網卡，并啟動tftp請求，從網絡服務器端通過tftp協議下載指定文件，并運行起來，其軟件運行如1.3部分。這種應用可以有效在利用機盒中的網卡網絡結構，從而降低機頂盒的整體成本 （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用程序及嵌入式內核等，實現機頂盒瘦客戶端目的和及時維護功能。

3 BootLoader引導裝載過程的測試與分析

3.1 測試用例設計

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

表1BootLoader引導裝載過程的測試用例表——單元測試Tab.1 Test case table of the BootLoader’s loading process-unit testing

3.2 測試結果分析

根據上表測試用例的設計，分析結果如下：

1）在單元測試中，根據每個函數的功能及測試結果要求，分別進行代碼覆蓋率的測試、參數邊界值測試及函數運行結果的測試，其測試結果全部能達到程序要求；

表2BootLoader引導裝載過程的測試用例表——集成測試Tab.2 Test case table of the BootLoader’s loading process-integration testing

2）在集成測試中，對網絡環境的測試主要集中在：正常的網絡環境，運行不正常的網絡環境兩方面，程序對這兩種情況能夠正確地識別且做出不同的響應；對不同的目標文件進行了下載測試，分別比較原文件與下載到SDRAM的內容，兩者完全一致，且在多次下載測試中成功率達到100%；對DVB-C機頂盒的啟動過程及時間進行了專項測試，這項測試是BootLoader引導裝載程序最重要的性能測試，其啟動過程的成功率達到100%，啟動時間大致為1 s。

4 結束語

文中介紹的基于網絡加載的BootLoader整套設計與解決方案，具有良好的模塊結構和可擴展性，為應用于其它系統奠定了基礎。同時，在實際產品設計中已大量應用在DVBC機頂盒中，該DVB-C機頂盒與一般機頂盒相比，節省20元左右，在批量生產中（十萬臺左右），可實現上百萬元的經濟效益，因此該方案具有很強的市場競爭力。

[1]韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[2]慕春棣.嵌入式系統的構建[M].北京:清華大學出版社，2004.

[3]譚獻海.網絡編程技術及應用[M].北京:清華大學出版社，2009.

[4]劉遠峰，陳志華.一種新的基于TMS320C6000 DSP的Flash引導自啟動方法[J].電視技術，2011，35（21）:54-57.

LIU Yuan-feng，CHEN Zhi-hua.New method forflash booting based on TM S320C600O DSP[J].Video Engineering，2011，35（21）:54-57.

[5]王薇.基于嵌入式linux的BootLoader的設計與應用[D].成都:西南交通大學，2006.

[6]游侃民.嵌入式系統網絡化BOOTLOADER的設計與實現[D].廣州:華南理工大學，2010.