WinCE系統(tǒng)下BootLoader的開發(fā)

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，同時又副入了許多新特性，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域的實際情況和要求。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，在實時性和穩(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、彩屏手機、PDA等多種高性能產(chǎn)品所采用。

但是，CE并不是一個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)通常只會針對某一種硬件平臺生成。所以，作為原始設(shè)備生產(chǎn)商，必須根據(jù)自己的硬件平臺和應(yīng)用場合定制CE，最主要的工作就是編寫適合于自己的板級支持包（BSP）。在BSP中，包含了一個重要的組成部分——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

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，它也是一個集成的編譯環(huán)境，可以為所有CE支持的CPU目標代碼編譯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CE系統(tǒng)，就會得到一個名為nk.bin的映像文件。只要將該文件下載到目標平臺（device端），就能夠運行CE了。

2 BootLoader

BootLoader是一段單獨的程序代碼，它存放于目標平臺的非易失存儲介質(zhì)中，如ROM或Flash。在開發(fā)CE的過程中，它主要用于啟動硬件和下載nk.bin到目標板上，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，對于BootLoader的功能要求并不是嚴格定義的，不同的場合區(qū)別很大。比如，在PC的硬件平臺上，由于硬件啟動根本就不是通過BootLoader（而是通過BIOS），所以BootLoader就不需要對CPU加電后的初始化做任何工作；而在筆者的開發(fā)平臺（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，因為這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，同時又涉及到以太網(wǎng)下載協(xié)議（TFTP，當然也可能通過串口）和策軟設(shè)定的映像文件格式。因此從零實現(xiàn)的話，會需要相當長的過程。好在微軟為每種類型的CPU都提供了某種標準開發(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最接近的作為標本程序，然后再從自己的硬件平臺上入手做相應(yīng)的改動。一些新的評估板可能會由第三方的廠商來提供Bootloader。如果硬件平臺是從這樣的基板設(shè)計而來的話，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基于MIPS32架構(gòu)，下載端口采用的是以太網(wǎng)口，同時還具備一個串口，主機相連，通過超級終端對該平臺加以控制。該平臺是參考AMD的一款標準估計板設(shè)計的，BootLoader以該板的BootLoader為參考進行了移植。

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的過程進行敘述。圖2是筆者BootLoader的工程流程。

3.1 啟動部分

首先要實現(xiàn)初臺化硬件的功能。在參考板的BootLoader目錄下，會發(fā)現(xiàn)一些.s文件，可能會是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)平臺的CPU會是相同或者是同一個架構(gòu)的。筆者使用的是屬于同一種CPU的情況，所以對寄存器的定義和初始化流程都可以不加改動。接著就是對于平臺配置的分析，包括平臺存儲空間的分配、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，但由于和實際的硬件非常大，所以不可能做進一步的詳細敘述。

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對平臺的控制，一般BootLoader都會設(shè)計成支持命令輸入的方式，通過串口來接收用戶的命令。這種機制中，如果參考板有Loader支持的話，那么可以自己添加有實用價值的命令，完成一些需要的功能。

從圖2中可以看出，一般在平臺調(diào)試完畢后，可以在不用人工干預(yù)的情況下自動加載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所支持的命令來進行操作的。提供足夠豐富的命令，能極大簡化和全面測試開發(fā)平臺。如表1所列，是筆者Loader所提供的命令。

表1 

這些命令涉及到平臺調(diào)試的各個方面，像內(nèi)存檢測、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的部分測試，還完成了作為CE的BootLoader程序最為重要的一個功能——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。當然，也可以選擇生成.sre格式的代碼文件，但是相于對前一種格式，它的代碼要長很多，所需要的下載時間也更長。在這里，我們以下載.bin格式的文件來說明下載的實現(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)出連接請求：用EbootSendBootme（）完成。

*接收主機端發(fā)出的數(shù)據(jù)包：用EbootTFtpReceiver()完成。

在這里，需要重點說明的有兩點。

①對于接收數(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()會登記一個回調(diào)函數(shù)，一般用戶可以自己定義這個函數(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，也可以緩存部分數(shù)據(jù)后，分段寫入Flash。

3.4 支持DOC

對于WinCE操作系統(tǒng)而言，豐富的多媒體功能是其一大特點，使其成為當前消費類電子產(chǎn)品操作系統(tǒng)中的一個不錯選擇。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。一般來說，如果選擇了圖形界面和漢語支持，容量一般會超過16MB。DOC（Disk On Chip）則提供了一種相對廉價的大存儲容量的解決方案。

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DOC的支持，先看一下如何采用DOC系統(tǒng)啟動CE，如圖4所示。從圖4可以看出，當采用DOC作為存儲體的時候，實際上是在啟動的時候把映像文件拷貝到內(nèi)存中執(zhí)行。為了實現(xiàn)這一啟動過程，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，然后按照圖4的步驟，調(diào)用相應(yīng)的讀寫函數(shù)完成這一過程。對于開發(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，下面是一個簡單的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地址，以及程序運行可以使用的內(nèi)存空間。

CONFIG部分：COMPRESSION是否對目標代碼進行壓縮；SRE是否生成格式為sre的目標代碼；ROMSTART與ROMSIZE、ROMWIDTH、ROMOFFSET共同定義了開發(fā)平臺上存放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。需要說明的一點是，這些方法可能會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)計得多么簡單或者是多么復(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CE啟動過程的控制作用，也是PB控制目標板CE啟動的一個窗口?？梢哉f，一個功能齊全的Loader，不論是對調(diào)試硬件，還是控制和檢測CE系統(tǒng)，甚至是成為產(chǎn)品之后的維護工作，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。只有得到一個穩(wěn)定工作的Loader程序，才能夠更進一步開發(fā)WinCE的BSP，直至最后整個系統(tǒng)的成功。