基于Intel PXA270的Windows CE5.0下Boot Loader实现

作者：重庆邮电大学 刘扬 田增山 凌顺 周永胜

日期：2007-05-01 00:00:00

 

Windows CE．NET是微软公司向嵌入式领域推出的一款操作系统，被广泛应用于平板电脑、数码相机、彩屏手机、PDA等许多产品当中。

Windows CE的开发过程可以分为：0AL(OEM Abstraction Layer)、驱动、应用程序开发三个步骤。其中，0AL开发是Windows CE开发过程中最基本的一步，而Boot Loader设计在0AL开发中又具有极为关键的作用。因此，本文以Windows CE 5.0在Xscale PXA270处理器上的Ethernet Boot Loader的设计和实现为例，对Boot Loader的实现进行阐述，并分析Boot Loader的架构、启动控制流程和配置安装。

对于Windows CE嵌入式操作系统来说，系统加电后第一条指令就是Boot Loader的代码。Boot Loader通常位于目标设备上的非易失存储设备中(如Flash)，并且在系统加电或重置时自动执行。通常可以通过JTAG或串口工具把Boot Loader烧写到目标设备上，Boot Loader的唯一目标就是加载并执行操作系统映像。

在嵌入式应用系统最终产品化后，Boot Loader将不是必须的。因为Windows CE不仅提供了利用Boot Loader加载系统的启动方式，而且提供了通过启动向量ResetVector 加载系统的启动方式。但在系统开发阶段，Boot Loader是必须的，它将使开发更加方便高效。

硬件平台架构

处理器采用英特尔的XScale PXA270系列处理器，可以配合2700G多媒体加速器，提升高分辨率图像处理和3D加速处理能力。硬件开发板的外设包括外部存储器、串口和DM9000AE 100Mb以太网接口芯片。

Boot Loader的体系结构

一个典型的以太网Boot Loader由Blcommon、OEM代码(针对不同硬件平台需要修改代码)Eboot和网络驱动程序等部分组成组成，如图1所示。

图1  Boot Loader框架结构

● Blcommon库

BLCOMMON库提供了丰富Boot Loader基本功能，包括复制Boot Loader到RAM 以便高速运行，解析  .bin文件，控制系统加载过程等等。代码库一般放置在%_WINCEROOT% /PUBLIC/COMMON/OAK/DRIVERS /ETHDBG/BLCOMMON。其主要文件为blcommon.c。

● OEM代码

OEM代码是与设备初始化及硬件扩展有关的代码，位置在%_WINCEROOT% /PLATFORM/<平台名称>/SRC/BOOTLOADER/ EBOOT。

● EBoot库

Eboot库提供了DHCP、TFTP和UDP服务。BooLoader与Platform Builder建立TFTP连接．并下载系统镜像。其中TFTP用于从开发工作站的Platform Builder下载Windows CE操作系统镜像(这是本文所使用的加载调试方式)。Eboot库代码位于%_WINCEROOT% /PUBLIC /COMMON/OAK/DRIVERS /ETHDBG/EBOOT。

● 网络驱动库

EDBG驱动程序库集成了一些常见以太网驱动，为Bootloader和操作系统访问提供了通用接口。Boot Loader利用这些接口下载Windows CE运行时映象，操作系统利用这些接口实现与Platform Builder的KITL连接。

Boot Loader启动控制流程

由于硬件的差异，Boot Loader的功能可能不同，图2所示的是Boot Loader的较为通用的启动控制流程。

图2  Boot Loader启动控制流程

● 启动函数StartUp

StartUp函数是Boot Loader的入口函数，在CPU启动后它将立即运行。该函数使用汇编语言编写，完成初始化CPU、内存(包括建立存储器访问和初始化缓存)等核心硬件，其主要完成的功能包括：使CPU进入正确的运行模式，以便CPU 能够访问所有的硬件资源；禁用所有的CPU中断；关闭MMU和TLB；禁用Cache和write Buffer；初始化内存控制器；初始化其他硬件设备，如时钟等；将Boot Loader本身复制到内存中；跳转到C代码中。

实现这些功能的代码一般放置在StartUp.s文件中。由于此处是用汇编语言编写的，有较强的硬件相关性，所以一般参考板的CPU与开发平台的CPU考虑采用相同的架构，这样做可以不需要对寄存器的定义和初始化流程的等进行修改。

● 主控部分Main函数

StartUp函数初始化CPU等核心硬件并跳转到Main函数后，系统转入了C语言代码执行环境。Main函数的主要任务时调用BLCommon中的BootloaderMain()函数。而BootloaderMain()函数是Boot Loader的主控函数，它控制了Boot Loader的完整执行流程。它的主要工作如下。

(1)重定位全局变量函数KernelRelocate()，它将Boot Loader中的全局变量重定位到RAM中。这样做的原因在于Boot Loader是在目标设备的只读媒体上运行的(本实际方案是在NOR Flash上)，这样的情况下将使得Boot Loader的代码对全局变量进行读写操作就会失败。所以需要把全局变量所在的数据段移到RAM中，来确保全局变量可写。

(2)初始化调试端口函数OEMDebugInit，主要任务是初始化调试输出用的硬件端口，方便输出调试信息。本方案初始化FFUART(全功能串口)用来输出调试信息，在终端开发机上进行接收。

(3)初始化平台函数OEMPlatformInit()，其作用是初始化目标板上的的设备如实时时钟，显示屏、Flash、网卡等。

(4)预下载函数OEMPreDownloade()，主要任务是完成以太网下载前的一些准备工作，如通过DHCP获得IP地址或者初始化TFTP服务等。

(5)下载映像函数DownloadeImage()，该函数完成从远程开发机上下载操作系统映像。

(6)启动映象函数OEMLaunch。

在实际开发中，本方案利用同属Intel Xscale 270 CPU的MainstoneII开发板进行克隆，这样使得大量的代码可以共享，只需修改少许的OEM代码和实现一些可选的OEM函数即可完成开发，减少未知错误。

Boot Loader通过对以上函数的调用，完成了对操作系统的映像的加载控制，函数的流程及其代码位置如图3所示。

图3  Boot Loader函数调用流程

● Boot Loader的配置

BootLoader程序可以通过PB的集成编译环境编译链接，控制文件为.bib文件，.bib文件主要完成以下工作。

(1)配置目标设备上的内存分配信息，如目标设备上的物理内存起始地址、长度以及用途等；

(2)包含ROM信息，如起始位置、宽度等，这样就可以正确的生成可以在ROM上运行的映像文件；

(3)需要打包文件列表。

对于Boot Loader文件的下载，可以通过仿真器下载，也可以通过其他调试程序下载，本方案采用的是直接烧写到Flash中，因此要得到纯二进制格式的映像以便烧写进Flash。Boot Loader是系统启动后第一个运行的程序，因此它必须放在CPU 上电和复位后立即运行的地址处。Xscale在上电和复位后是从物理地址0x00000000(片选0 Boot Flash的起始地址)开始运行的。

结束语

作为Windows CE操作系统的启动部分，Boot Loader负责把Windows CE操作系统加载到内存中，然后开始执行。虽然最终的产品中可能不含Boot Loader，但是在开发和调试的时候Boot Loader是不可或缺的。只有得到一个稳定工作的Boot Loader程序，才能够更进一步开发Windows CE的BSP，直至最后整个系统的成功。