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基于网络加载的嵌入式BootLoader有什么优点?
195 嵌入式系统 BootLoader SDRAM
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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。

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2020-4-10 07:19:49   评论 分享淘帖 邀请回答
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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。



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。
2020-4-10 11:52:33 评论

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