引言

ARM处理器在嵌入式领域有着非常广泛的应用，特别是ARMv7架构的处理器CortexA8的推出，给消费电子和低功耗移动产品带来重大变革。Windows Embedded Compact 7是微软公司面向嵌入式、移动计算平台推出的新一代操作系统，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统。其特点是与PC平台操作系统Windows高度一致，高度模块化，与平台无关，具有强大实时能力。微软把这些高度模块化，与平台无关功能的代码抽象出来，形成通用的标准函数库，开发人员无需修改这类代码，就可直接调用；与硬件平台密切相关，介于硬件与操作系统之间的BSP程序包(Board Support Package)的部分代码需要开发人员修改与实现。

1 Windows Embedded Compact 7 BSP

1.1 Windows Embedded Compact 7 BSP的组成

图1为Windows Embedded Compact 7(下文简称WinCE7.0) BSP的基本结构，它由4部分组成:

① 硬件抽象层，即OEM适配层。主要实现硬件抽象和启动内核的功能。

② 设备驱动程序。包含特定开发板上的所有硬件驱动程序。

③ 配置文件。一些包含配置信息的文件，它的作用是告诉WinCE7.0的构建系统如何添加组件到内核文件中。

④ 引导程序Bootloader。它是BSP的重要组成部分，是系统加电后运行的第一段程序代码，是BSP开发的第一步，也是关键的一步。Bootloader的主要作用是把WinCE7.0操作系统镜像下载到内存，然后跳转到操作系统内核，启动内核。Bootloader可以通过不同方式下载系统镜像到内存，在WinCE7.0中应用最广泛的是Eboot（Ethernet Bootloader）,即通过以太网下载系统镜像。但通过以太网下载系统镜像会有诸多不足之处，比如硬件连接上比较繁琐、下载速度慢等。本文以简单、快捷、实用为理念，介绍如何通过SD卡下载系统镜像到内存，即EbootSD。

1.2 Bootloader的基本结构

Bootloader的代码从用户的角度上可以分为三大类：第一类是微软提供的公共代码库和一些通用的底层驱动程序，用户不必修改；第二类需要用户实现代码，这类代码是为公共代码库的框架调用；第三类代码用户只需要根据硬件平台作简单修改即可。Bootloader从结构上可以分为以下几部分，其框架如图2所示。

图1 BSP结构图2 Bootloader BSP框架

① BLCOMMON库实现了通用的Bootloader框架。它由WinCE的公共代码提供，用户不需要修改，它调用OEM代码完成硬件平台初始化操作，下载操作系统内核镜像到内存。

② OEM代码是需要用户自己实现的代码，它的函数都以OEM开头。

③ Eboot库实现了DHCP、TFTP和UDP等网络协议。

④ BootPart库实现了大部分硬件分区驱动，OEM代码可以调用其中的函数来完成对存储设备的分区。它由WinCE提供，用户不需要修改。

⑤ 存储驱动位于分区驱动之下，实现存储设备的块设备驱动程序，本文介绍的是使用SD卡来实现系统内核镜像下载，所以要实现与SD卡相关的驱动程序。

⑥ 网络驱动程序实现了以太网控制器的驱动。

2 WinCE7.0 Bootloader设计与实现

2.1 Bootloader引导过程

在WinCE7.0系统启动过程中，系统上电后，执行的第一个Bootloader中的函数是StartUp()函数，这个函数与CPU硬件密切相关，它一般是用汇编语言编写的，位于StartUp.s文件中。StartUp()函数主要完成CPU硬件平台的初始化,如关闭CPU的所有中断，关闭内存管理，关闭Cache缓存，初始化时钟，为C语言运行建立堆栈环境，设置并打开MMU进行物理和逻辑地址映射，并打开Cache，把Bootloadert的代码复制到RAM中，然后跳转到内存RAM中执行代码，再由它跳转到C语言代码中的main函数中。在main函数中调用BLCOMMON代码库中的BootloaderMain 函数实现Bootloader引导下载系统镜像，它的控制流程如图3所示。

图3 BootloaderMain函数控制流程

去除该函数中调用返回检测环节，简化后的BootloaderMain()函数如下，在实际中若其中有一个函数调用返回失败，则整个执行将会停止，导致Bootloader程序引导失败，函数调用过程略——编者注。

void BootloaderMain (void){

DWORD dwAction;

DWORD dwpToc = 0;

DWORD dwImageStart = 0, dwImageLength = 0, dwLaunchAddr = 0;

BOOL bDownloaded = FALSE;

KernelRelocate (pTOC) ;//全局变量重新定位

OEMDebugInit ());//初始化串口调试，可以使用OEM Write Debuy String

OEMPlatformInit ();//

OEMPreDownload ();//调用OEM函数，为下载作相关准备

DownloadImage (&dwImageStart, &dwImageLength, &dwLaunchAddr) ;{// Check for pTOC signature ("CECE") here, after image in place

OEMMapMemAddr (dwImageStart, dwImageStart + ROM_SIGNATURE_OFFSET);//检查PTOC结构体的数字签名

OEMLaunch (dwImageStart, dwImageLength, dwLaunchAddr, (const ROMHDR *)dwpToc);//调用Lanch函数，不再返回

}

由上述代码可知，BootloaderMain()依次调用OEM函数来完成硬件系统初始化和下载系统镜像，然后跳转到WinC7.0的内核，并启动内核。下面分析该函数各个阶段所调用的函数。

（1） KernelRelocate()

BootloaderMain()函数调用的第一个函数就是KernelRelocate()，这个函数的功能是把Bootloader中的全局变量重新定位到RAM中去，其代码如下：

static BOOL KernelRelocate (ROMHDR *const pTOC){

ULONG loop;

COPYentry *cptr;

if (pTOC == (ROMHDR *const) -1){

return (FALSE); //如果PTOC指针无效，则进入死循环，无法跳出

}//如果程序运行到这里说明数据段是正确的，从这以后不再读取全局变量

for (loop = 0; loop < pTOC->ulCopyEntries; loop++){

cptr = (COPYentry *)(pTOC->ulCopyOffset + loop*sizeof(COPYentry));

if (cptr->ulCopyLen)

memcpy((LPVOID)cptr->ulDest,(LPVOID)cptr->ulSource,cptr->ulCopyLen);

if (cptr->ulCopyLen < cptr->ulDestLen)

memset((LPVOID)(cptr->ulDest+cptr->ulCopyLen),0,cptr->ulDestLen-cptr->ulCopyLen);

}

return (TRUE);

}

其中，ROMHDR是一个结构体变量，它是一个描述ROM区信息的结构体。在函数KernelRelocate()中，ROMHDR结构体指针pTOC的内容是通过Romimage工具根据配置文件自动填充的，所以它在代码中初始化时被赋值为-1，通过pTOC可以把全局变量重新定位到内存RAM中，以便引导程序使用。

(2) OEMDebugInit()

OEMDebugInit()函数使能系统UART串口调试功能。在用户移植开发的过程中，程序调试是必不可少的，WinCE7.0可以通过PC的串口工具连接硬件开发板，以实现对程序的调试跟踪。在AM3359处理器中使能UART功能是非常简单的，通过使能相应的寄存器，配置相应的波特率、数据位、停止位、校验位就可以使用串口功能。

(3) OEMPlatformInit()

这个函数完成的是CPU的初始化，时钟设置，系统I/O初始化，I2C总线初始化等。

(4) OEMPreDownload()

OEMPreDownload()函数在下载镜像之前被调用。从流程上来说是为下载内核做一些准备工作，该函数执行后，根据返回值的不同可以选择不同方式下载内核，或者跳转执行。最典型的是通过调试串口向用户输出菜单选项，然后接收用户的相应输入。本设计是通过SD卡下载系统镜像文件，所以需要设置AM3359的启动状态控制寄存器的值，启动SD卡，然后设置g_bootCfgS结构体的boot设备，调用BLSDCardDownload()初始化SD卡，初始化FAT文件系统为下载系统镜像做准备，部分代码如下：

UINT32 *pStatusControlAddr = OALPAtoUA(AM33X_DEVICE_BOOT_REGS_PA);

dwSysBootCfg = INREG32(pStatusControlAddr);

OUTREG32(pStatusControlAddr, dwSysBootCfg|0x17)；

g_bootCfg.bootDevLoc.LogicalLoc = AM33X_MMCHS0_REGS_PA;：

g_bootCfg.kitlDevLoc.LogicalLoc = AM33X_UART0_REGS_PA;

g_eboot.bootDeviceType＝BOOT_SDCARD_TYPE；

rc = BLSDCardDownload(g_bootCfg.filename);

其中，BLSDCardDownload通过fileio_operations_t类型的结构体fileio_ops实现对SD卡中文件的读写控制，fileio_operations_t结构如下：

typedef struct fileio_operations_t {

int (*init)(void *drive_info);

int (*identify)(void *drive_info, void *Sector);

int (*read_sector)(void *drive_info, UINT32 LogicalSector, void *pSector);

int (*read_multi_sectors)(void *drive_info, UINT32 LogicalSector, void *pBuffer, UINT16 numSectors);

void *drive_info;

} S_FILEIO_OPERATIONS, *S_FILEIO_OPERATIONS_PTR;

在BLSDCardDownload函数中，把SD卡相关操作的函数指针初始化fileio_ops如下：

fileio_ops.init = &SDCardInit;

fileio_ops.identify = &SDCardIdentify;

fileio_ops.read_sector = &SDCardReadSector;

fileio_ops.read_multi_sectors = &SDCardReadMultiSectors;

这样通过把与SD卡文件操作相关的函数指针初始化fileio_ops后，BLSDCardDownload()就可以实现对SD卡的文件读写操作。其中，SDCardInit()函数的关键是初始化SD卡控制器，设计中硬件电路连接如图4所示。

图4 SD卡硬件连接

在最初始使用SD卡之前，先通过处理器AM3359的MMC端口连线向SD卡发送CMD1、CMD55、CMD41命令字来检测硬件类型及连接情况，其控制流程如图5所示。

图5 SD卡初始化检测

2.2 SD卡FAT16文件系统

FAT16文件系统把存储卡划分为几个区，包括DBR扇区、保留扇区、FAT表1、FAT表2、根目录和数据区，具体结构如图6所示。

图6 FAT16文件系统结构

DBR区(DOS BOOT RECORD)即操作系统引导记录区，也称为引导扇区或启动扇区。FAT16将存储空间按一定数目的扇区为单位进行划分，它记录了SD存储卡的所有重要信息，一共512个字节，其结构如图7所示。

BPB(BIOS Parameter Block)参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、介质描述符、根目录大小、FAT个数、分配单元（也称簇）的大小等重要参数，把SD卡中的系统镜像文件下载到RAM时，就需要通过此块数据获取SD存储器的基本信息。

FAT表实际上是一个数据表，用来记录数据区簇链结构。FAT表记录提文件或文件夹数据所在簇号的指针链表，不存储文件数据，通过它可以访问一个文件或文件夹的完整数据。

根目录扇区，FAT文件系统的目录结构是一棵有向的从根到叶的树，通过根目录中记录的文件的首簇号在FAT表中查找相应的簇号，就可以准确无误地读取整个文件数据。

图7 DBR结构

在FAT格式化的SD卡中读取系统镜像文件，首先通过文件系统获取SD卡储存器的引导扇区中的BPB参数块记录，获取SD卡储存器的基本信息，然后在OEMPreDownload()函数中调用BLSDCardDownload(g_bootCfg.filename);在该函数中调用FleIoOpen(g_bootCfg.filename)，遍历根目录，查找“NK.BIN”文件,如果找到，则BLSDCardDownload()函数返回BL_DOWNLOAD标记，准备下载系统镜像。

2.3 下载系统镜像文件

通过WinCE7.0的PB工具编译的镜像文件，一般都会同时以BIN文件和NB0文件两种形式给出。BIN文件是Binary文件简称，也就是Binary Image Data Format(二进制镜像数据格式)，它不能直接烧到Flash中运行，而NBO文件则可以直接烧写到Flash中运行。本设计中使用的是BIN文件，下面对BIN文件结构进行分析，其文件存储结构如图8所示。

图8 BIN文件存储结构

BIN文件内容开头是以BIN文件标识开始，其内容为“42 30 30 30 46 46 0A”，然后加空格结尾(00)，占用8个字节，其后的8个字节是BIN文件复制到目地的起始地址和文件大小，各占4字节，其后都是系统镜像文件的记录区分块，每块的结构都是一样，每块的大小都是16字节。其存储结构图如图9所示。

图9 块记录存储结构BIN文件下载略——编者注。

通过分析OEMPreDownload()函数，已经为下载系统镜像文件做了相应的准备工作，在DownloadImage()函数中根据系统镜像文件的类型（BL_IMAGE_TYPE_BIN）调用DownloadBin()函数，在DownloadBin()函数中通过OEMReadData()读取系统镜像数据，OEMReadData()中通过bootDeviceType启动设备类型选择函数BLSDCardReadData()。该函数调用FileIoRead()获取NK.BIN文件数据，通过上一小节中对BIN文件结构的分析可知，把NK.BIN文件的原封数据全部下载到RAM中，系统镜像是不能运行的，所以要把BIN文件进行相应的解析，即要把所有块记录的数据进行解析，然后再进行拼接，才能得到整个系统的镜像数据，系统才能运行启动。

当系统镜像已经被下载到RAM时，需要把此时的PC(程序计数器)指向系统镜像的地址，用来启动WinCE7.0内核。BootloaderMain()通过调用一个不返回的函数OEMLaunch()来获取WinCE7.0系统镜像的启动地址，程序由此跳转到WinCE7.0内核，并启动。

3 BIB配置文件

在WinCE7.0 Bootloader中使用的一个重要的配置文件就是BIB（Binary Image Builder File）文件。BIB文件略——编者注。

设计中Ebootsd.bib (\\WINCE700\\platform\\AM33X_BSP\\SRC\\Bootloader\\EBOOT\\SDMEMORY中)文件实际配置代码略——编者注。

4 启动EBootSD

在开发工具PB7.0中，编译生成得到MLO,ebootsd.输出结果表明， EBootSD可以成功引导WinCE7.0系统镜像。

nbo,NK.bin文件，通过TI公司的SD卡格式化工具(TI_SDCard_boot_utility_v1_0)，把所得到的文件复制到SD卡中，或者直接把SD卡按FAT16/32格式化后，再把文件复制到SD卡上，把SD卡插入Beaglebone开发板中，通过串口连接PC串口，上电启动，在串口工具中看到的输出内容如图10所示。

图10 SD卡启动串口输出

结语

本文设计了基于SD卡存储器的以CortexA8为内核的AM3359处理器的WinCE7.0引导程序EbootSD。实践表明，它达到了设计目标，为BeagleBone的WinCE7.0的BSP的移植工作提供了很大的便利。