WinCE系統(tǒng)下BootLoader的開發(fā)
關鍵詞:WinCE.NET BSP BootLoader DOC
引言
Windows CE.NET是微軟公司向嵌入式領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,以適應嵌入式領域的實際情況和要求。無論是商業(yè)應用需求,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、數碼相機、彩屏手機、PDA等多種高性能產品所采用。
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,作為原始設備生產商,必須根據自己的硬件平臺和應用場合定制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,也是極為關鍵的一步。本文將結合開發(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)。該工具能夠根據用戶的需求,選擇構建具有不同內核功能的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基本結構以及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的結構、指令等,同時又涉及到以太網下載協(xié)議(TFTP,當然也可能通過串口)和策軟設定的映像文件格式。因此從零實現的話,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,下載端口采用的是以太網口,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
首先要實現初臺化硬件的功能。在參考板的BootLoader目錄下,會發(fā)現一些.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、外圍設備的工作設定等。一般這里的區(qū)別是非常大的。所以必須要對CPU寄存器的值作相應設定。這部分工作可能需要CPU提供商方面的幫助。
應該說,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,一般在平臺調試完畢后,可以在不用人工干預的情況下自動加載CE(這也是BootLoader必需的功能之一);而在調試階段,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
命 令 | 說 明 |
Help | 列出所有支持的命令并加以說明 |
Eboot | 從開發(fā)臺下載CE映像并加載 |
Write | 向某一內存地址寫入數據 |
Read | 顯示某一內存地址的數據 |
Jump | 跳轉到某一地址執(zhí)行程序 |
Xmodem | 從計算機的超級終端接收以Xmodem協(xié)議傳送的文件 |
Toy | 測試平臺CPU的計數器是否運轉 |
Flash | 擦除或者更新Flash中的數據 |
Tlbread | 顯示CPU的所有TLB表 |
Tlbwrit | 設置CPU的TLB |
Macaddr | 設置CPU的MAC地址 |
Seti | 設置平臺的IP地址 |
這些命令涉及到平臺調試的各個方面,像內存檢測、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二進制數據格式文件,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。
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。
*初始化TFTP連接:用函數EbootInitTFtp()和EbootInitTFtpd()完成。
*登記解析.bin格式數據的回調函數:用EbootTFtpdServerRegister()完成。
*發(fā)出連接請求:用EbootSendBootme()完成。
*接收主機端發(fā)出的數據包:用EbootTFtpReceiver()完成。
在這里,需要重點說明的有兩點。
①對于接收數據包的函數EbootTFtpReceiver(),它只能處理已經存入內存的以太網包,也就是說,從以太網控制器接收數據的功能必須要用戶去完成。由于這一功能與硬件密切相關,所以不能使用PB自帶的函數來完成。
②函數EbootTFtpdServerRegister()會登記一個回調函數,一般用戶可以自己定義這個函數,該函數用于完成,bin格式數據的解析和保存,有效數據至目的地RAM。PB有自帶的例程函數可作參考。一般來說,如果目的地就是RAM的話,直接參考例程函數即可。但是如果目的地就是Flash,不要直接存入Flash(字為單位),應先存入內存中待下載完畢以后再導入Flash。當然,這種方法必須要有足夠的內存。如果沒有足夠的內存,也可以緩存部分數據后,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)的容易已經大大超過出了傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)上百KB的數量級。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存中執(zhí)行。為了實現這一啟動過程,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。將此開發(fā)包嵌入到CE的BootLoader中去,然后按照圖4的步驟,調用相應的讀寫函數完成這一過程。對于開發(fā)包中相關函數的說明,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的功能設計得多么簡單或者是多么復雜,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)交互數據的區(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。可以說,一個功能齊全的Loader,不論是對調試硬件,還是控制和檢測CE系統(tǒng),甚至是成為產品之后的維護工作,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。
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