基于Linux的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)程序的設(shè)計

引言

對等網(wǎng)絡(luò)(Peer-to-Peer, P2P)和自組織網(wǎng)絡(luò)(Selforganization Network)是目前國際計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的研究 熱點，有別于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的Client/Server機制，對等網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點之間不僅可以直接通信，而且每個節(jié)點都可作為中間節(jié)點 為其他節(jié)點提供服務(wù)，使本不能相互覆蓋的2個或多個網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點之間實現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)傳輸。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，充分借鑒了 對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點。終端作為網(wǎng)絡(luò)的實體 和業(yè)務(wù)的承載體，節(jié)點芯片是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，網(wǎng) 絡(luò)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)首先搭建網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的承載平臺，可 移動終端則成為驗證節(jié)點芯片移動性、數(shù)據(jù)傳輸、覆蓋范圍 等性能的平臺。在實際應(yīng)用中，基于ARM處理器和嵌入式技 術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護等領(lǐng)域得到 了廣泛的應(yīng)用。

適用于終端的嵌入式操作系統(tǒng)主要包括Symbian，Windows Mobile，PALM OS48 和 Linux。由于 Linux 具有源代碼的開放性和內(nèi)核的可配置性等特點，因此本設(shè)計選擇 內(nèi)核版本2.4的Linux作為終端的操作系統(tǒng)。所設(shè)計的移動 終端硬件平臺主要由ARM9嵌入式處理器、射頻單元(RF)、存儲體、音頻處理、觸摸式液晶屏控制、鍵盤輸入和電源管 理等單元構(gòu)成，并內(nèi)置以太網(wǎng)和USB接口。其中，存儲體部 分包含CPU片內(nèi)FLASH、片內(nèi)SRAM、外置大頁面Nand FLASH 以及高速低功耗 PSRAM(Pseudo SRAM)。

BootLoader是終端上電或復(fù)位之后先于操作系統(tǒng)內(nèi)核運 行的引導(dǎo)程序。BootLoader與硬件息息相關(guān)，硬件環(huán)境不同，BootLoader也不同，要建立一個通用的BootLoader幾乎是不 可能的?；谠撍悸?，本文重點闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動終 端引導(dǎo)程序(BootLoader)的設(shè)計實現(xiàn)。

1引導(dǎo)程序設(shè)計流程

引導(dǎo)程序設(shè)計流程包括系統(tǒng)配置、初始化與參數(shù)配置、裝載映像文件、內(nèi)核的引導(dǎo)及系統(tǒng)初始化、Linux內(nèi)核啟動。程序設(shè)計采用匯編語言與C語言混合方式：其中，匯編部分 實現(xiàn)CPU的初始化、存儲空間初始化等；C語言部分則完成 加載模式的判決、內(nèi)核映像文件裝載等，圖1所示是其工作流 程圖。引導(dǎo)程序支持加載模式和下載模式兩種工作模式，其中，啟動加載為默認模式。

1.1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置包括終端硬件平臺設(shè)計、節(jié)點芯片驅(qū)動程序、大頁面Flash的驅(qū)動程序設(shè)計、系統(tǒng)啟動方式選擇、Linux內(nèi) 核和文件系統(tǒng)映像文件的編譯、內(nèi)核加載方式配置、存儲空 間配置等工作。編譯完成的引導(dǎo)程序和映像文件可燒寫至外 部Nand Flash。重新上電后，根據(jù)配置管腳的狀態(tài)，處理器 自動將引導(dǎo)程序的啟動代碼從Nand Flash前4 KB空間拷貝到 處理器Nand Flash控制器內(nèi)置SRAM(Steppingstone)中運行, 同時引導(dǎo)完成系統(tǒng)的初始化和鏡像文件的加載。

1.2硬件系統(tǒng)初始化與參數(shù)配置階段

該階段工作是完成系統(tǒng)硬件部分的初始化，包括屏蔽所 有的中斷、設(shè)置CPU速度和時鐘頻率、存儲體初始化、Nand Flash初始化、GPIO端口和UART初始化、關(guān)閉CPU內(nèi)部指 令/數(shù)據(jù)Cache(如CPU不具備內(nèi)部的數(shù)據(jù)/指令Cache,其 相關(guān)的函數(shù)返回值為0)、定義程序的入口地址等。

1.3裝載映像文件

在PSRAM中分配128 KB的單元作為Ramdisk系統(tǒng)，作為可讀寫數(shù)據(jù)段，建立一個內(nèi)核的運行環(huán)境。然后將Flash 中的映像文件裝載到內(nèi)存中，該內(nèi)存單元作為Romdisk系統(tǒng) 直接運行內(nèi)核。同時需要將該單元保護起來，避免誤操作或 其他非法指令和地址修改內(nèi)核部分的代碼。

操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序構(gòu)成的映像文件有兩種 裝載模式:Flash-resident Image 和 Flash-based Image。前一 種是引導(dǎo)程序，僅僅把Image文件中的數(shù)據(jù)段(data + bss)復(fù) 制到系統(tǒng)內(nèi)存中，代碼段(text)在Romdisk中直接運行；后一 種則是引導(dǎo)程序把Image完全復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)存中執(zhí)行，包括 Image中的代碼段(text)和數(shù)據(jù)段(data+bss)。

1.4內(nèi)核的引導(dǎo)及系統(tǒng)初始化

上述步驟完成之后，程序計數(shù)器指針(PC)跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核起 始地址處，完成內(nèi)核解壓、安裝及其環(huán)境參數(shù)配置。設(shè)置體 系結(jié)構(gòu)環(huán)境，進行命令參數(shù)的解析，設(shè)置中斷和異常向量表, 進行進程調(diào)度器、定時器、控制臺的配置，Cache初始化、內(nèi) 存頁面初始化、設(shè)備初始化等。操作系統(tǒng)的初始化還包含文 件系統(tǒng)的安裝，如Ext2文件系統(tǒng)、管理Nand Flash的JFFS2 文件系統(tǒng)。

1.5 Linux內(nèi)核的啟動

引導(dǎo)程序引導(dǎo)完成后釋放對硬件系統(tǒng)的控制權(quán)，轉(zhuǎn)交給 Linux操作系統(tǒng)，并釋放清除使用過的臨時內(nèi)存，然后跳轉(zhuǎn)到 操作系統(tǒng)內(nèi)核(kernel)的第1條指令地址，啟動Linux操作系 統(tǒng)，執(zhí)行/etc目錄下的用戶系統(tǒng)配置信息，準備系統(tǒng)應(yīng)用程序 的使用環(huán)境。

2引導(dǎo)程序設(shè)計實現(xiàn)

引導(dǎo)程序的實現(xiàn)包括4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的配置：內(nèi)存規(guī)劃, 堆棧分配，中斷向量配置及Nand Flash讀寫操作。

2.1內(nèi)存規(guī)劃

內(nèi)存規(guī)劃包括兩個方面：第一是內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存 范圍；第二是根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍以及應(yīng)用程序和程 序申請的緩沖區(qū)所占用的內(nèi)存。對于內(nèi)核文件，將其拷貝到從 RAM_BASE(MEM_START+0x8000)這個基地址開始的大約 1 MB的內(nèi)存范圍內(nèi)，以MEM_START為基址的前32 KB內(nèi) 存需要空出，讓Linux內(nèi)核放置一些全局數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如啟動 參數(shù)和內(nèi)核頁表等信息。根文件系統(tǒng)映像文件則將其拷貝到以 MEM_START+0x100000為基址的內(nèi)存中(采用Ramdisk作 為根文件的系統(tǒng)映像，其解壓后的大小一般為1 MB)。

2.2堆棧分配

ARM有7種工作執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧配置都 是獨立的，所以，對程序中需要用到的每一種模式都要為堆 棧指針SP(Stack Pointer)定義一個堆棧地址，使其指向該運行 模式的?？臻g。這樣，當程序的運行進入異常模式時，可以 將需要保護的寄存器放入SP所指向的堆棧，而當程序從異常 模式返回時，則從對應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證 異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。改變程序狀態(tài)寄存器(CPSR)內(nèi) 的狀態(tài)位(低5位)可使處理器切換到不同的工作狀態(tài)，根據(jù) 系統(tǒng)使用中斷和異常的情況，可能需要初始化部分或全部堆 棧指針寄存器。本文的堆棧配置包括外部中斷模式、快速中 斷模式、系統(tǒng)調(diào)試模式、未定義指令模式、系統(tǒng)模式和用戶 模式。其中，外部中斷模式棧配置程序如下：

InitStack

MOV R0,LR

MSR CPSR_c,#0xd2//設(shè)置外部中斷模式堆棧

LDR SP,StackIrq

MOV PC,R0

StackSvc DCD SvcStackSpace+(SVC_STACK_ LEGTH-1)*4

StackIrq DCD IrqStackSpace+(IRQ_STACK_ LEGTH-1)*4

SvcStackSpace SPACE SVC_STACK_LEGTH*4// 管理模 式堆?？臻g

IrqStackSpace SPACE IRQ_STACK_LEGTH*4// 中斷模 式堆?？臻g

對管理模式堆棧而言，SP的值由SvcStackSpace的地址 加上SVC_STACK_LEGTH的大小而定。系統(tǒng)所有的堆棧均 位于系統(tǒng)運行空間PSRAM中?？赏ㄟ^外部輸入命令的方式 切換工作模式，并通過查看特殊寄存器的內(nèi)容幫助診斷系統(tǒng) 運行狀態(tài)。

3結(jié)語

本文提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可移動終端引導(dǎo)程序的設(shè)計方 法，從實際調(diào)試看,Linux版本號、CPU識別信息、時鐘配置、內(nèi)存空間配置以及外設(shè)初始化信息等顯示全部正確，表明了采 用該方法設(shè)計的引導(dǎo)程序能夠成功地運行于自主設(shè)計的無線 移動終端硬件平臺上，完成了映像文件的加載、解壓，操作系 統(tǒng)能夠開始正常運行。

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