基于網絡加載的嵌入式BootLoader的設計與實現(xiàn)

摘要：由于嵌入式系統(tǒng)引導裝載程序(BootLoader)的網絡加載方式在產品開發(fā)初期階段的廣泛應用，因此基于網絡的BootLoader設計與實現(xiàn)具有較強的實際意義。提出了基于網絡加載的BootLoader整套設計與解決方案，并將該方案應用到實際產品DVB—C中。最后，通過BootLoad er引導裝載過程的測試與分析，驗證該方案的可行性與高效性。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；BootLoader；網絡；DVB—C機頂盒

嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)和應用程序幾部分組成。然而在有的嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和應用程序存放在系統(tǒng)以外的設備中，如網絡、硬盤等，整個系統(tǒng)只有引導裝載程序。因此BootLoader是嵌入式系統(tǒng)設計中比較重要的一部分。
在嵌入式系統(tǒng)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(tài)存儲媒體、磁盤以及網絡，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(yōu)缺點，固態(tài)儲存媒體啟動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?shù)絻却娌⑦\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(fā)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(lián)系，二是嵌入設備在啟動過程中應用程序下載方式的實現(xiàn)。前者需要將嵌入式設備驅動起來，實現(xiàn)通信能力，網卡驅動是必須實現(xiàn)的步驟，后者需要通過相關的協(xié)議棧將應用程序下載到系統(tǒng)內存，運行起來。本文重點介始基于UDP／IP協(xié)議棧的(DHCP、TFIP、NFS)加載方案設計。
1．1 BooiLoader中網卡驅動的設計
網絡適配器(網卡)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絡管理部分等組成，如圖1所示。

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(fā)送緩沖區(qū)在內存中的映射、網卡數(shù)據(jù)結構的初始化等。
2)數(shù)據(jù)包發(fā)送
發(fā)送和發(fā)送控制部分負責幀的發(fā)送。發(fā)送部分接受來自“NBZ曼徹斯特轉換器”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行發(fā)送，這種判定基于LAN管理部分和TxD來進行。
3)數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(xié)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(xié)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(xié)議已經被正確安裝后，需修改／etc／dhcpd．conf文件，例如：