基于S3C2440的WinCE Bootloader的分析與設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)BootLoader嚴(yán)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(dāng)復(fù)雜這一問題，分析設(shè)計(jì)了基于S3C2440的WinCE操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序的實(shí)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(duì)BootLoader啟動(dòng)的兩個(gè)階段和配置文件進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序的構(gòu)建。為項(xiàng)目后續(xù)的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；引導(dǎo)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(gè)好的Bootloader不僅可以給項(xiàng)目的后續(xù)開發(fā)工作帶來(lái)很大便利，而且在項(xiàng)目開發(fā)結(jié)束后對(duì)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(wú)標(biāo)準(zhǔn)、非規(guī)范的，Bootloader的功能又是直接與微處理系統(tǒng)相關(guān)的，所以給開發(fā)人員的工作帶來(lái)了許多不便。在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中，一般都需要對(duì)特定的硬件系統(tǒng)進(jìn)行Bootloader的設(shè)計(jì)，可是從頭開發(fā)一套系統(tǒng)的Bootloader是非常復(fù)雜并且耗時(shí)的，針對(duì)這一難點(diǎn)，微軟公司推出的面向嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的操作系統(tǒng)Windows CE體現(xiàn)了非常大的優(yōu)勢(shì)，Windows CE具有強(qiáng)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(tái)一致的開發(fā)特性。它最大的優(yōu)勢(shì)是具有高度的模塊化，可以提供與硬件無(wú)關(guān)的軟件框架，把與硬件無(wú)關(guān)但是又代表普遍通用性的內(nèi)容抽取出來(lái)，形成標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)。而與硬件相關(guān)的不具有通用意義的BootLoader代碼則由開發(fā)人員具體負(fù)債開發(fā)，這樣就給開發(fā)人員帶來(lái)了相當(dāng)大便利。并且開發(fā)出的Bootloader因是嚴(yán)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(shí)現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此從固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上啟動(dòng)的BootLoader大多都是兩個(gè)階段的啟動(dòng)過程。本文以飛凌嵌入式公司的產(chǎn)品TE2440為例，詳細(xì)分析Windows CE BootLoader開發(fā)的兩個(gè)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(dòng)模式：一種是從NandFlash啟動(dòng)；另一種是從NorF-lash啟動(dòng)，TE2440支持從NandFlash啟動(dòng)。

1 Bootloader的第一階段分析
    為了防止給后來(lái)的調(diào)試工作帶來(lái)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(lái)即可，然后把大量復(fù)雜的初始化工作留給第二階段來(lái)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(dǎo)加載程序包括2440init，s、2440-lib．s函數(shù)庫(kù)、2440lib．c函數(shù)庫(kù)、mmu，c、dma，c函數(shù)庫(kù)等幾個(gè)主要的文件。因?yàn)榕c硬件密切相關(guān)。所以通常采用匯編語(yǔ)言編寫，本文主要分析s3c2440系統(tǒng)在加電后的硬件設(shè)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(jìn)入啟動(dòng)程序的入口地址，禁止看門狗、屏蔽所有中斷。因?yàn)闉橹袛嗵峁┓?wù)通常是操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的責(zé)任，所以在Bootlo-ader的執(zhí)行全過程中可以不必響應(yīng)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(lái)完成。
    

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    (2)設(shè)置CPU的速度和時(shí)鐘頻率
    根據(jù)工作頻率設(shè)置時(shí)鐘、PLL，2440內(nèi)部3個(gè)時(shí)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(shè)置。

    (3)初始化基本硬件和存儲(chǔ)器系統(tǒng)
   
    (4)設(shè)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(yǔ)言的main函數(shù)執(zhí)行，結(jié)束Bootloader初步引導(dǎo)；Bi的主要功能是引導(dǎo)和加載操作系統(tǒng)，不會(huì)用到很多種類型及數(shù)量的外設(shè)，如果在BL中啟用中斷反而會(huì)使對(duì)問題的處理復(fù)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(yǔ)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(jiǎn)稱PB，它是微軟提供給開發(fā)人員進(jìn)行基于Windows CE平臺(tái)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(shí)現(xiàn)代碼為：
    
    該函數(shù)主要功能就是調(diào)用BootloaderMain()函數(shù)，其實(shí)main函數(shù)不是必須的，實(shí)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(guān)鍵的函數(shù)，函數(shù)調(diào)用關(guān)系如圖1所示。

    最早被BootLaderMain()調(diào)用的OEM函數(shù)是OEMDebugInit()，它負(fù)責(zé)初始化BootLoader的調(diào)試功能串口，在它被調(diào)用運(yùn)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(lái)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(guān)的目標(biāo)平臺(tái)板級(jí)外設(shè)如以太網(wǎng)接口、Fl-ash存儲(chǔ)器等都在這里進(jìn)行初始化，包括嵌入式CPU芯片內(nèi)置的外設(shè)。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(wù)都可以放在該函數(shù)完成。它主要任務(wù)是以太網(wǎng)下載前的準(zhǔn)備工作。DownloadImage()的任務(wù)是從遠(yuǎn)程開發(fā)機(jī)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(fù)責(zé)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(lái)向用戶顯示BootLoader下載操作系統(tǒng)鏡像時(shí)的下載狀態(tài)。OEMMapMemAddr()函數(shù)用于當(dāng)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(chǔ)設(shè)備時(shí)該OEM函數(shù)要負(fù)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(gè)被BootLaderMain()函數(shù)調(diào)用的。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)嵌入式系統(tǒng)程序執(zhí)行流跳轉(zhuǎn)。無(wú)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(dòng)或者復(fù)位時(shí)可以直接從本地存儲(chǔ)讀取鏡像數(shù)據(jù)。

3 配置文件
    Bootloader源代碼編譯后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)名為eboot．exe的可執(zhí)行文件，但寫入Flash的Bootloader是一個(gè)二進(jìn)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(jī)中編譯產(chǎn)生了Eboot．bin文件，把Bootloader燒寫到目標(biāo)機(jī)中。利用三星公司的sjf2440工具燒寫，使用JTAG實(shí)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(biāo)機(jī)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(yǔ)
    BootLoader的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是一個(gè)非常復(fù)雜并且重要的過程，一個(gè)好的Bootloader可以給嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試工作帶來(lái)許多便利。本文從源代碼人手詳細(xì)分析了Wince Bootloader啟動(dòng)的兩個(gè)階段以及配置文件信息。實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果，為項(xiàng)目后續(xù)的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。