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：

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。
该方案的执行逻辑可以用图2所示。