WinCE系統(tǒng)下BootLoader的開發(fā)
關(guān)鍵詞：WinCE.NET BSP BootLoader DOC
引言
Windows CE.NET是微軟公司向嵌入式領(lǐng)域推出的一款操作系統(tǒng)。它最大程度繼承了桌面版Windows操作系統(tǒng)的豐富功能，同時(shí)又副入了許多新特性，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域的實(shí)際情況和要求。無論是商業(yè)應(yīng)用需求，還是人們的多媒體消費(fèi)需求，都能被采用CE操作系統(tǒng)的設(shè)備很輕松的滿足。最新的.NET版本較之3.0版本，在實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性上有大幅度提高，開始廣泛地被平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、彩屏手機(jī)、PDA等多種高性能產(chǎn)品所采用。
但是，CE并不是一個(gè)通用的安裝版操作系統(tǒng)，在形形色色的嵌入式硬件設(shè)備世界里， 一款CE系統(tǒng)通常只會(huì)針對(duì)某一種硬件平臺(tái)生成。
所以，作為原始設(shè)備生產(chǎn)商，必須根據(jù)自己的硬件平臺(tái)和應(yīng)用場(chǎng)合定制CE，最主要的工作就是編寫適合于自己的板級(jí)支持包（BSP）。在BSP中，包含了一個(gè)重要的組成部分——BootLoader。創(chuàng)建一未功能完善的BootLoader，是開發(fā)WinCE系統(tǒng)的第一步，也是極為關(guān)鍵的一步。本文將結(jié)合開發(fā)實(shí)例，介紹如何開發(fā)適合于自己硬件的BootLoader。
1 定制CE操作系統(tǒng)的基本知識(shí)
定制CE操作系統(tǒng)是采用微軟的工具軟件：Platform Builder（PB）。該工具能夠根據(jù)用戶的需求，選擇構(gòu)建具有不同內(nèi)核功能的CE系統(tǒng)。同時(shí)，它也是一個(gè)集成的編譯環(huán)境，可以為所有CE支持的CPU目標(biāo)代碼編譯C/C++程序。前面所說的BSP和BootLoader程序就是在該環(huán)境下編譯，并整合到CE系統(tǒng)中去的。一旦成功地編譯了一個(gè)CE系統(tǒng)，就會(huì)得到一個(gè)名為nk.bin的映像文件。只要將該文件下載到目標(biāo)平臺(tái)（device端），就能夠運(yùn)行CE了。
2 BootLoader
BootLoader是一段單獨(dú)的程序代碼，它存放于目標(biāo)平臺(tái)的非易失存儲(chǔ)介質(zhì)中，如ROM或Flash。在開發(fā)CE的過程中，它主要用于啟動(dòng)硬件和下載nk.bin到目標(biāo)板上，并有一定的監(jiān)控作用。
圖1描述了WinCE的BSP基本結(jié)構(gòu)以及BootLoader所處的位置。
一般來說，對(duì)于BootLoader的功能要求并不是嚴(yán)格定義的，不同的場(chǎng)合區(qū)別很大。比如，在PC的硬件平臺(tái)上，由于硬件啟動(dòng)根本就不是通過BootLoader（而是通過BIOS），所以BootLoader就不需要對(duì)CPU加電后的初始化做任何工作；而在筆者的開發(fā)平臺(tái)（MIPS32）上，BootLoader是最先被執(zhí)行的程序，所以就必須包括加電初始化程序。通常，BootLoader必須包含下載CE映像文件的功能。另外，管理監(jiān)控硬件設(shè)備通常也是必須的，因?yàn)檫@可以極大地方便工程開發(fā)。由于BootLoader涉及到基本的硬件操作，如CPU的結(jié)構(gòu)、指令等，同時(shí)又涉及到以太網(wǎng)下載協(xié)議（TFTP，當(dāng)然也可能通過串口）和策軟設(shè)定的映像文件格式。因此從零實(shí)現(xiàn)的話，會(huì)需要相當(dāng)長(zhǎng)的過程。好在微軟為每種類型的CPU都提供了某種標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)板的BootLoader例程，因此通常的做法是：從這些例程中尋找與硬件平臺(tái)最接近的作為標(biāo)本程序，然后再從自己的硬件平臺(tái)上入手做相應(yīng)的改動(dòng)。一些新的評(píng)估板可能會(huì)由第三方的廠商來提供Bootloader。如果硬件平臺(tái)是從這樣的基板設(shè)計(jì)而來的話，那么最好去尋求這些廠商獲取Bootloader來移植，以減少工作量。
筆者使用的硬件平臺(tái)基于MIPS32架構(gòu)，下載端口采用的是以太網(wǎng)口，同時(shí)還具備一個(gè)串口，主機(jī)相連，通過超級(jí)終端對(duì)該平臺(tái)加以控制。該平臺(tái)是參考AMD的一款標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)板設(shè)計(jì)的，BootLoader以該板的BootLoader為參考進(jìn)行了移植。
3 編寫B(tài)ootLoader源程序
前面已經(jīng)提到，由于硬件的不同，BootLoader的功能可能有多有少，此處筆者以自己開發(fā)BootLoader的過程進(jìn)行敘述。圖2是筆者BootLoader的工程流程。
3.1 啟動(dòng)部分
首先要實(shí)現(xiàn)初臺(tái)化硬件的功能。在參考板的BootLoader目錄下，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些.s文件，可能會(huì)是init.s或者是reset.s等，這樣的文件是CPU加電后最先執(zhí)行的代碼。由于此處是用匯編語言編寫的，所以與CPU關(guān)系緊密。一般參考板的CPU與開發(fā)平臺(tái)的CPU會(huì)是相同或者是同一個(gè)架構(gòu)的。筆者使用的是屬于同一種CPU的情況，所以對(duì)寄存器的定義和初始化流程都可以不加改動(dòng)。接著就是對(duì)于平臺(tái)配置的分析，包括平臺(tái)存儲(chǔ)空間的分配、外圍設(shè)備的工作設(shè)定等。一般這里的區(qū)別是非常大的。所以必須要對(duì)CPU寄存器的值作相應(yīng)設(shè)定。這部分工作可能需要CPU提供商方面的幫助。
應(yīng)該說，這部分工作是BootLoader的一大重點(diǎn)，但由于和實(shí)際的硬件非常大，所以不可能做進(jìn)一步的詳細(xì)敘述。
3.2 主控部分
從這一部分開始，均用C語言編寫。
為了增加BootLoader對(duì)平臺(tái)的控制，一般BootLoader都會(huì)設(shè)計(jì)成支持命令輸入的方式，通過串口來接收用戶的命令。這種機(jī)制中，如果參考板有Loader支持的話，那么可以自己添加有實(shí)用價(jià)值的命令，完成一些需要的功能。
從圖2中可以看出，一般在平臺(tái)調(diào)試完畢后，可以在不用人工干預(yù)的情況下自動(dòng)加載CE（這也是BootLoader必需的功能之一）；而在調(diào)試階段，基本上是通過Loader所支持的命令來進(jìn)行操作的。提供足夠豐富的命令，能極大簡(jiǎn)化和全面測(cè)試開發(fā)平臺(tái)。如表1所列，是筆者Loader所提供的命令。
表1
| 命 令 |
說 明 |
| Help | 列出所有支持的命令并加以說明 |
| Eboot | 從開發(fā)臺(tái)下載CE映像并加載 |
| Write | 向某一內(nèi)存地址寫入數(shù)據(jù) |
| Read | 顯示某一內(nèi)存地址的數(shù)據(jù) |
| Jump | 跳轉(zhuǎn)到某一地址執(zhí)行程序 |
| Xmodem | 從計(jì)算機(jī)的超級(jí)終端接收以Xmodem協(xié)議傳送的文件 |
| Toy | 測(cè)試平臺(tái)CPU的計(jì)數(shù)器是否運(yùn)轉(zhuǎn) |
| Flash | 擦除或者更新Flash中的數(shù)據(jù) |
| Tlbread | 顯示CPU的所有TLB表 |
| Tlbwrit | 設(shè)置CPU的TLB |
| Macaddr | 設(shè)置CPU的MAC地址 |
| Seti | 設(shè)置平臺(tái)的IP地址 |
這些命令涉及到平臺(tái)調(diào)試的各個(gè)方面，像內(nèi)存檢測(cè)、Flash操作、文件下載等。借助于這些命令，不僅可以完成硬件平臺(tái)的部分測(cè)試，還完成了作為CE的BootLoader程序最為重要的一個(gè)功能——下載CE映像。
3.3 下載部分
在用Platform Builder編譯生成CE的映像文件后，接下來就需要將該文件下載到目標(biāo)板上。如果說硬件調(diào)試功能可以由其它的程序代替而不放入BootLoader中，但是下載映像文件卻是BootLoader必需的功能。
CE映像文件通常叫做nk.bin，它是Windows CE二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式文件，不僅包含了有效的程序代碼，還有按照一定規(guī)則加入的控制信息。當(dāng)然，也可以選擇生成.sre格式的代碼文件，但是相于對(duì)前一種格式，它的代碼要長(zhǎng)很多，所需要的下載時(shí)間也更長(zhǎng)。在這里，我們以下載.bin格式的文件來說明下載的實(shí)現(xiàn)。
首先看一下圖3所示的BootLoader下載部分的流程圖。
通常，在Platform Builder自帶的代碼中，會(huì)包含完成TFTP連接的了基本的函數(shù)。
*初始化TFTP連接：用函數(shù)EbootInitTFtp()和EbootInitTFtpd（）完成。
*登記解析.bin格式數(shù)據(jù)的回調(diào)函數(shù)：用EbootTFtpdServerRegister（）完成。
*發(fā)出連接請(qǐng)求：用EbootSendBootme（）完成。
*接收主機(jī)端發(fā)出的數(shù)據(jù)包：用EbootTFtpReceiver()完成。
在這里，需要重點(diǎn)說明的有兩點(diǎn)。
①對(duì)于接收數(shù)據(jù)包的函數(shù)EbootTFtpReceiver()，它只能處理已經(jīng)存入內(nèi)存的以太網(wǎng)包，也就是說，從以太網(wǎng)控制器接收數(shù)據(jù)的功能必須要用戶去完成。由于這一功能與硬件密切相關(guān)，所以不能使用PB自帶的函數(shù)來完成。
②函數(shù)EbootTFtpdServerRegister()會(huì)登記一個(gè)回調(diào)函數(shù)，一般用戶可以自己定義這個(gè)函數(shù)，該函數(shù)用于完成，bin格式數(shù)據(jù)的解析和保存，有效數(shù)據(jù)至目的地RAM。PB有自帶的例程函數(shù)可作參考。一般來說，如果目的地就是RAM的話，直接參考例程函數(shù)即可。但是如果目的地就是Flash，不要直接存入Flash（字為單位），應(yīng)先存入內(nèi)存中待下載完畢以后再導(dǎo)入Flash。當(dāng)然，這種方法必須要有足夠的內(nèi)存。如果沒有足夠的內(nèi)存，也可以緩存部分?jǐn)?shù)據(jù)后，分段寫入Flash。
3.4 支持DOC
對(duì)于WinCE操作系統(tǒng)而言，豐富的多媒體功能是其一大特點(diǎn)，使其成為當(dāng)前消費(fèi)類電子產(chǎn)品操作系統(tǒng)中的一個(gè)不錯(cuò)選擇。但是隨之而來的問題是，系統(tǒng)的容易已經(jīng)大大超過出了傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)上百KB的數(shù)量級(jí)。一般來說，如果選擇了圖形界面和漢語支持，容量一般會(huì)超過16MB。DOC（Disk On Chip）則提供了一種相對(duì)廉價(jià)的大存儲(chǔ)容量的解決方案。
DOC本質(zhì)上是一種加以軟件控制的NAND格式的Flash，通過TFFS這一軟件層提供對(duì)WinCE的支持。
由于DOC不能像內(nèi)存一樣被直接訪問，所以其加載WinCE的過程有些特殊，必須要在BootLoader中加入專門的代碼，才能使用DOC來存放WinCE映像文件。
為了說明怎樣在Loader文件中提供對(duì)DOC的支持，先看一下如何采用DOC系統(tǒng)啟動(dòng)CE，如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)采用DOC作為存儲(chǔ)體的時(shí)候，實(shí)際上是在啟動(dòng)的時(shí)候把映像文件拷貝到內(nèi)存中執(zhí)行。為了實(shí)現(xiàn)這一啟動(dòng)過程，就必須涉及到DOC的讀寫操作。首先要從M-SYSTEM的網(wǎng)站上獲取DOC的BOOT軟件開發(fā)包。在這個(gè)開發(fā)包里，提供了一系列DOC的操作函數(shù)。將此開發(fā)包嵌入到CE的BootLoader中去，然后按照?qǐng)D4的步驟，調(diào)用相應(yīng)的讀寫函數(shù)完成這一過程。對(duì)于開發(fā)包中相關(guān)函數(shù)的說明，筆者就不具體介紹了，可以參考開發(fā)包的說明文檔。
4 BootLoader的編譯、鏈接和下載
BootLoader程序可以通過PB的集成編譯環(huán)境編譯鏈接，控制文件為.bib文件，下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的BootLoader的.bib文件。
MEMORY
CLI 9fc00000 00050000 RAMIMAGE
RAM 80080000 00070000 RAM
CONFIG
COMPRESSION=ON
SRE=ON
ROMSTART=9fc00000
ROMSIZE=00020000
ROMWIDTH=32
ROMOFFET=000000
MODULES
Nk.exe $(_FLATRELEASEDIR).exe CLI
MEMORY部分定義了生成的映像文件的目標(biāo)地址，以及程序運(yùn)行可以使用的內(nèi)存空間。
CONFIG部分：COMPRESSION是否對(duì)目標(biāo)代碼進(jìn)行壓縮；SRE是否生成格式為sre的目標(biāo)代碼；ROMSTART與ROMSIZE、ROMWIDTH、ROMOFFSET共同定義了開發(fā)平臺(tái)上存放BootLoader物理介質(zhì)的起始地址、大小、寬度和偏移量。
MODULES部分定義了BootLoader所包含的文件，一般就只有一個(gè)文件：cli.exe。
編譯過程中，首先用命令build-c編譯生成文件cli.exe，然后用romimage cli.bib命令產(chǎn)生最后的映像文件cli.sre。
對(duì)于BootLoader文件的下載；有很多種方法：可以通過仿真器下載；也可以通過其它調(diào)試程序下載；還可以直接燒寫到Flash中。需要說明的一點(diǎn)是，這些方法可能會(huì)要求不同的映像格式。在PB環(huán)境下，可以生成的有.sre格式、純二進(jìn)制格式（用于直接燒寫Flash）以及和CE映像一樣的.bin格式。
結(jié)語
從CE的BootLoader開發(fā)流程可以看出，BootLoader在完成下載CE映像和加載映像的主要功能外，還具有一些調(diào)試硬件的功能。當(dāng)然，這些功能不是必需的，隨不同的用戶可能有自己的定義。但是不管Loader的功能設(shè)計(jì)得多么簡(jiǎn)單或者是多么復(fù)雜，都是在開發(fā)CE系統(tǒng)中不可跳過的一環(huán)。實(shí)際上，由于Loader有和CE系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)的區(qū)域，所以還有對(duì)CE啟動(dòng)過程的控制作用，也是PB控制目標(biāo)板CE啟動(dòng)的一個(gè)窗口。可以說，一個(gè)功能齊全的Loader，不論是對(duì)調(diào)試硬件，還是控制和檢測(cè)CE系統(tǒng)，甚至是成為產(chǎn)品之后的維護(hù)工作，都是大有幫助的。
編寫B(tài)ootLoader是開發(fā)WinCE系統(tǒng)第一步，也是關(guān)鍵的一步。只有得到一個(gè)穩(wěn)定工作的Loader程序，才能夠更進(jìn)一步開發(fā)WinCE的BSP，直至最后整個(gè)系統(tǒng)的成功。
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