基于S3C2440的WinCE Bootloader的分析與設計

摘要：針對BootLoader嚴格依賴于具體的嵌入式硬件系統(tǒng)，并且從頭開發(fā)一套適合特定硬件系統(tǒng)的BootLoader又相當復雜這一問題，分析設計了基于S3C2440的WinCE操作系統(tǒng)的引導程序的實現(xiàn)方法。結(jié)合飛凌公司的嵌入式產(chǎn)品TE2440的硬件特性，對BootLoader啟動的兩個階段和配置文件進行了詳細的分析和設計，最終實現(xiàn)了系統(tǒng)引導加載程序的構(gòu)建。為項目后續(xù)的開發(fā)奠定了良好的基礎。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；引導程序；WinCE；EBoot

    Bootloader的開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)必不可少的環(huán)節(jié)，一個好的Bootloader不僅可以給項目的后續(xù)開發(fā)工作帶來很大便利，而且在項目開發(fā)結(jié)束后對用戶使用產(chǎn)品也提供了很多方便。但是，由于嵌入式的硬件是無標準、非規(guī)范的，Bootloader的功能又是直接與微處理系統(tǒng)相關的，所以給開發(fā)人員的工作帶來了許多不便。在實際的項目開發(fā)中，一般都需要對特定的硬件系統(tǒng)進行Bootloader的設計，可是從頭開發(fā)一套系統(tǒng)的Bootloader是非常復雜并且耗時的，針對這一難點，微軟公司推出的面向嵌入式應用領域的操作系統(tǒng)Windows CE體現(xiàn)了非常大的優(yōu)勢，Windows CE具有強大的操作系統(tǒng)功能、穩(wěn)定可靠的性能、高度的模塊化、可定制性、與桌面Windows平臺一致的開發(fā)特性。它最大的優(yōu)勢是具有高度的模塊化，可以提供與硬件無關的軟件框架，把與硬件無關但是又代表普遍通用性的內(nèi)容抽取出來，形成標準函數(shù)庫。而與硬件相關的不具有通用意義的BootLoader代碼則由開發(fā)人員具體負債開發(fā)，這樣就給開發(fā)人員帶來了相當大便利。并且開發(fā)出的Bootloader因是嚴格按照微軟提供的模板開發(fā)，所以又有很好兼容性且效率高。
    由于Bootloader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此從固態(tài)存儲設備上啟動的BootLoader大多都是兩個階段的啟動過程。本文以飛凌嵌入式公司的產(chǎn)品TE2440為例，詳細分析Windows CE BootLoader開發(fā)的兩個階段過程。TE2440的微處理器采用三星公司的S3C2440A，主頻400MH-z，內(nèi)置64 MB SDRAM和64 MB NANDFLASH，10 M網(wǎng)口，采用CS8900Q3。S3C2440支持2種啟動模式：一種是從NandFlash啟動；另一種是從NorF-lash啟動，TE2440支持從NandFlash啟動。

1 Bootloader的第一階段分析
    為了防止給后來的調(diào)試工作帶來更多的麻煩，要盡量使第一階段做盡可能少的工作，只要使CPU正常工作起來即可，然后把大量復雜的初始化工作留給第二階段來做。第一階段是在ADS(ARM Developer Suite)環(huán)境下開發(fā)的。S3C2440系統(tǒng)引導加載程序包括2440init，s、2440-lib．s函數(shù)庫、2440lib．c函數(shù)庫、mmu，c、dma，c函數(shù)庫等幾個主要的文件。因為與硬件密切相關。所以通常采用匯編語言編寫，本文主要分析s3c2440系統(tǒng)在加電后的硬件設置處理過程，即2440init.s文件中的程序執(zhí)行過程。
    第一階段主要包括如下步驟：
    (1)進入啟動程序的入口地址，禁止看門狗、屏蔽所有中斷。因為為中斷提供服務通常是操作系統(tǒng)設備驅(qū)動程序的責任，所以在Bootlo-ader的執(zhí)行全過程中可以不必響應任何中斷。中斷屏蔽可以通過寫CPU的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器來完成。
    

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    (2)設置CPU的速度和時鐘頻率
    根據(jù)工作頻率設置時鐘、PLL，2440內(nèi)部3個時鐘：FCLK、HCLK、PCLK，分別供CPU、AHB總線和APB總線使用，一般都選擇周期比為1：2：8的設置。

    (3)初始化基本硬件和存儲器系統(tǒng)
   
    (4)設置堆棧并跳轉(zhuǎn)至第二階段的入口。將FLASH中的代碼段、數(shù)據(jù)段拷貝到RAM中，將初始化數(shù)據(jù)段，跳入C語言的main函數(shù)執(zhí)行，結(jié)束Bootloader初步引導；Bi的主要功能是引導和加載操作系統(tǒng)，不會用到很多種類型及數(shù)量的外設，如果在BL中啟用中斷反而會使對問題的處理復雜化。

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2 Bootloader的第二階段分析
    第一階段結(jié)束之后，函數(shù)跳轉(zhuǎn)到由C語言寫的main()函數(shù)，也就是Bootloader開發(fā)的第二階段EBoot，該階段的開發(fā)環(huán)境是Platform Builder，簡稱PB，它是微軟提供給開發(fā)人員進行基于Windows CE平臺下嵌入式操作系統(tǒng)定制的集成開發(fā)環(huán)境。main()函數(shù)實現(xiàn)代碼為：
    
    該函數(shù)主要功能就是調(diào)用BootloaderMain()函數(shù)，其實main函數(shù)不是必須的，實際上程序也可以直接跳轉(zhuǎn)到BootloaderMain()函數(shù)，在第一階段的匯編代碼后加入main()函數(shù)可以更好地提高程序的性能。本文主要分析BootloaderMain()調(diào)用的一些關鍵的函數(shù)，函數(shù)調(diào)用關系如圖1所示。

    最早被BootLaderMain()調(diào)用的OEM函數(shù)是OEMDebugInit()，它負責初始化BootLoader的調(diào)試功能串口，在它被調(diào)用運行之后BootLoader的代碼才可以調(diào)用它的調(diào)試輸出功能函數(shù)。OEMDebugInit()調(diào)用OEMInitDebugSerial()來初始化調(diào)試串口。[!--empirenews.page--]
    OEMPlatformInit()函數(shù)是BootLoader的最重要的OEM函數(shù)，所有與BootLoader所需硬件功能有關的目標平臺板級外設如以太網(wǎng)接口、Fl-ash存儲器等都在這里進行初始化，包括嵌入式CPU芯片內(nèi)置的外設。它結(jié)束后就開始下載工作了。函數(shù)代碼如下：
    
    OEMPreDownload()：所有在硬件初始化完成以后、開始下載操作系統(tǒng)鏡像之前所需要處理的任務都可以放在該函數(shù)完成。它主要任務是以太網(wǎng)下載前的準備工作。DownloadImage()的任務是從遠程開發(fā)機上下載操作系統(tǒng)鏡像到RAM。它通過調(diào)用OEMReadData()從下載端口讀取操作系統(tǒng)鏡像的數(shù)據(jù)，在本文的EBoot中，該函數(shù)主要負責從以太網(wǎng)端口讀取操作系統(tǒng)鏡像數(shù)據(jù)；它還調(diào)用OEMShowProgress()函數(shù)用來向用戶顯示BootLoader下載操作系統(tǒng)鏡像時的下載狀態(tài)。OEMMapMemAddr()函數(shù)用于當下載得到的操作系統(tǒng)鏡像自身所記錄的目的地址是Flash存儲設備時該OEM函數(shù)要負債將鏡像的數(shù)據(jù)以重定位的方式暫存到RAM內(nèi)存緩沖區(qū)中。
    OEMLaunch()是最后一個被BootLaderMain()函數(shù)調(diào)用的。它的主要功能是實現(xiàn)目標嵌入式系統(tǒng)程序執(zhí)行流跳轉(zhuǎn)。無論BootLoader是通過以太網(wǎng)端口下載操作系統(tǒng)鏡像還是從本地讀取操作系統(tǒng)鏡像到內(nèi)存，都要依靠該函數(shù)將程序的執(zhí)行流從BootLoader轉(zhuǎn)移到Windows CE的操作系統(tǒng)。Downloadlmage()函數(shù)下載的操作系統(tǒng)鏡像是暫存在RAM中的，所以我們還需要在OEMLaunch()函數(shù)指令執(zhí)行跳轉(zhuǎn)之前保存下載所得的操作系統(tǒng)鏡像以及用戶配置數(shù)據(jù)到Flash，以便系統(tǒng)從新啟動或者復位時可以直接從本地存儲讀取鏡像數(shù)據(jù)。

3 配置文件
    Bootloader源代碼編譯后會產(chǎn)生一個名為eboot．exe的可執(zhí)行文件，但寫入Flash的Bootloader是一個二進制的映像文件，也就是．bin文件或．nbO文件，所以需要把eboot．exe文件轉(zhuǎn)換成．bin文件或．nbO文件。

4 燒寫B(tài)ootloader
    配置好了之后，在PC機中編譯產(chǎn)生了Eboot．bin文件，把Bootloader燒寫到目標機中。利用三星公司的sjf2440工具燒寫，使用JTAG實現(xiàn)下載。BootLoader下載后再通過以太網(wǎng)口把操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件下載到目標機中。下載鏡像所使用的軟件是DNW，DNW是三星公司為S3C2 440芯片配置的一款專用軟件，它可以在Windows下通過USB方式燒寫Flash。如圖2所示，內(nèi)核鏡像已下載到NandFlash中。

5 結(jié)語
    BootLoader的設計和實現(xiàn)是一個非常復雜并且重要的過程，一個好的Bootloader可以給嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試工作帶來許多便利。本文從源代碼人手詳細分析了Wince Bootloader啟動的兩個階段以及配置文件信息。實驗達到了預期的效果，為項目后續(xù)的開發(fā)奠定了良好的基礎。