程克非，付學(xué)恕，涂 剛

（1.重慶郵電大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，重慶400065；2.華中科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引 言

微軟的 Microsoft Visual Studio 2005和Platform Builder開發(fā)工具使得開發(fā)和定制 WinCE 6.0變得簡單而且功能強(qiáng)大。由于WinCE 6.0具有可定制、多平臺、實時性、網(wǎng)絡(luò)功能、多媒體和多語言等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用極為廣泛［1］。在嵌入式操作系統(tǒng)中Bootloader是系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行的代碼，對于原生WinCE 6.0系統(tǒng)來說，從打開電源到系統(tǒng)完全啟動期間，LCD（液晶顯示屏）沒有任何視頻或圖像輸出，導(dǎo)致其用戶體驗有所欠缺。而此前的研究成果基本可以分為兩類：一類是在開機(jī)時顯示單一色彩的圖片或一些字符，使開機(jī)界面不夠美觀；另一類則是直接采用一個超大數(shù)組存放圖片數(shù)據(jù)而使得移植困難。本文正是基于以上原因，在認(rèn)真分析和研究了以前的成果基礎(chǔ)上，通過對WinCE 6.0的Bootloader代碼進(jìn)行分析和設(shè)計，將符合LCD分辨率的開機(jī)Logo數(shù)據(jù)直接固化在Flash上并在Bootloader啟動時讀出，使得系統(tǒng)開機(jī)后馬上就有漂亮的彩色圖像輸出，同時更換Logo也變得簡單方便，從而滿足用戶對嵌入式產(chǎn)品要求的友好界面及美觀性?；谠摲椒▽崿F(xiàn)的WinCE 6.0系統(tǒng)的手持式第二代居民身份證閱讀器使用的顯示屏是信利（Truly）半導(dǎo)體有限公司的4.8英寸分辨率為800×480的TFT LCD。

1 WinCE 6.0系統(tǒng)Bootloader分析

Bootloader是用來管理目標(biāo)設(shè)備啟動過程的特定程序，是在操作系統(tǒng)內(nèi)核加載之前設(shè)備首先運(yùn)行的一小段程序［2］。其主要工作包括設(shè)備硬件平臺的初始化，內(nèi)存地址空間映射的建立，以及從非易失存儲器（Nand Flash或 Nor Flash，本文中設(shè)備采用的是Nand Flash）上或者網(wǎng)絡(luò)上加載操作系統(tǒng)映像文件并引導(dǎo)運(yùn)行等。

1.1 主流Bootloader簡介

UBoot（universal Bootloader）： 它 起 源 于 開 源 項 目PPCBoot，后來ARMBoot也合并進(jìn)來，再加入其他一些Bootloader，于是 UBoot誕生了［3］。2002年12月17日UBoot 0.2.0發(fā)布，它是UBoot的第一個發(fā)布版本。從那以后，UBoot又陸續(xù)修改和更新了6次之多。從2008年8月后，UBoot采用日期作為版本號。截至目前為止，最新版本號為 UBoot－2011.06。UBoot的支持是不間斷的。UBoot有引導(dǎo)啟動（Bootloading）模式和下載運(yùn)行（downloading）模式，并具有大型Bootloader所應(yīng)該具備的所有功能。它是GPL（general public license）下資源代碼最完整的一個通用Bootloader。UBoot支持的處理器架構(gòu)包括PowerPC，ARM，MIPS和X86等。UBoot支持大量的外設(shè)驅(qū)動，支持多種不同的文件系統(tǒng)，還附帶有腳本和調(diào)試等工具，專門針對Linux的支持做了優(yōu)化，并特別為板級移植做了很多的支持。其主要特性為：以太網(wǎng)支持，IP/MAC預(yù)置功能，在線讀寫Flash，支持串口下載代碼，識別二進(jìn)制及其它格式的內(nèi)核，監(jiān)控命令集，支持看門狗（WatchDog）時鐘，支持LCD顯示Logo等。

Redboot：它是Redhat公司的一個開源項目，是伴隨ECOS發(fā)布的一個獨(dú)立運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上的Bootloader方案［4］。Redboot廣泛支持各種處理器架構(gòu)，諸如：Power－PC、MIPS、ARM和X86等，功能非常完善。Redboot采用了ECOS的硬件抽象層并以此為基礎(chǔ)，繼承了ECOS的簡潔和穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時又可以靈活的配置。它不僅支持Ymodem或者Xmodem協(xié)議通過串口下載映像，也支持以太網(wǎng)口使用TFTP的方式下載映像文件，常用于系統(tǒng)初始化、引導(dǎo)內(nèi)核映像和調(diào)試支持。Redboot自啟動后，會提供一個可交互的命令行，用來管理本地映像，映像下載和運(yùn)行，Bootloader配置以及其它各種外部硬件設(shè)備等。Redboot的引導(dǎo)腳本文件保存在本地Flash上，主要用作從TFTP服務(wù)器端或本地Flash下載系統(tǒng)映像并將其加載運(yùn)行。

Blob（boot loader object）：它是由Jan－Derk Bakker and Erick Mouw發(fā)布的，是專門針對StrongARM構(gòu)架下的LART（Linux advanced radio terminal）設(shè)計的一個 Bootloader［5］。Blob提供兩種工作模式，在啟動時處于引導(dǎo)加載模式，但是它有10s的等待時間，當(dāng)用戶按下任意鍵，則Blob立刻切換到下載運(yùn)行模式。如果10s內(nèi)沒有按鍵響應(yīng)，則Blob啟動并加載儲存在本地的Linux內(nèi)核。Blob主要是通過串口跟主機(jī)通信，速度慢而且效率低下，同時其支持的CPU結(jié)構(gòu)也很有限。Blob最新的版本是Blob 2.0.5。

VIVI：它是由韓國mizi公司開發(fā)設(shè)計的一個專門針對ARM 9嵌入式處理器的Bootloader。與其它的Bootloader相比VIVI具有容易理解，易于移植等優(yōu)點(diǎn)［6］。VIVI也具有兩種工作模式：引導(dǎo)啟動模式和下載運(yùn)行模式。引導(dǎo)啟動模式是VIVI的默認(rèn)工作模式，它可在一段用戶自定義的時間流逝后自行引導(dǎo)和啟動Linux內(nèi)核。在非默認(rèn)的下載運(yùn)行模式下，VIVI會為用戶提供一個電腦終端命令行接口，通過該接口可以利用主機(jī)的串口來使用VIVI提供的操作命令和VIVI進(jìn)行通信。

1.2 WinCE 6.0Bootloader分析

一個典型的WinCE 6.0系統(tǒng)的啟動流程如圖1所示。

圖1 WinCE 6.0系統(tǒng)啟動流程

采用分級Bootloader（NBoot和EBoot）設(shè)計，可以方便代碼維護(hù)和修改，并且將核心硬件和外圍硬件初始化分開完成，提高了代碼執(zhí)行效率和復(fù)用率，同時使得代碼便于移植［7］。所以本文中的第二代居民身份證閱讀器就是采用 NBoot（Nand Flash Bootloader） 和 EBoot（Ethernet Bootloader）的兩級Bootloader模式。

1.2.1 NBoot分析

NBoot位于 Nand Flash的block 0（每block大小為1MB）上，通過Platform Builder編譯為block0.nb0映像文件［8］。該文件固定大小為72KB。系統(tǒng)上電時首先即自動加載 Nand Flash的block 0上的前4KB代碼［9］，它是 NBoot的匯編初始化代碼。匯編代碼完成最基本的硬件初始化之后，就跳轉(zhuǎn)到C語言入口開始執(zhí)行后續(xù)代碼［10］，后續(xù)代碼所完成的主要工作就是將EBoot從Nand Flash的block 3上拷貝到RAM（內(nèi)存）并加載運(yùn)行。整個NBoot的主要執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 NBoot執(zhí)行流程

1.2.2 EBoot分析

EBoot位于 Nand Flash的block 3上。大小控制在512KB以內(nèi)（本設(shè)備為391KB）。EBoot主要由Blcommon、OEM代碼和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動等組成［11］。它有兩種工作模式：燒寫模式完成將Bootloader自身和內(nèi)核映像（NK.bin）固化到Nand Flash的指定block上；下載模式完成將內(nèi)核映像從Nand Flash下載到RAM指定地址處加載運(yùn)行。

本設(shè)計主要利用EBoot的main（）函數(shù)中包含的BootloaderMain（）函數(shù)實現(xiàn)。在BootloaderMain（）中調(diào)用了OEMPlatformInit（）函數(shù)來完成硬件平臺的初始化過程，包括LCD的初始化。本文中實現(xiàn)開機(jī)Logo的功能即是在這兩個函數(shù)中添加C語言代碼實現(xiàn)的。首先通過EBoot的燒寫模式將Logo下載到Nand Flash的指定block中，然后開機(jī)時再通過EBoot的下載模式將Logo從Nand Flash讀到RAM中的LCD緩沖區(qū)顯示。EBoot簡化后的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 EBoot執(zhí)行流程

2 LCD簡介

由于Bootloader執(zhí)行效率和硬件關(guān)聯(lián)度高，并且開機(jī)Logo的顯示相對于普通的視頻輸出從實現(xiàn)方式和顯示內(nèi)容并不完全一樣［12］。所以在Bootloader中添加的實現(xiàn)開機(jī)Logo的代碼要相對簡單且執(zhí)行效率高，同時必須和底層的硬件以及LCD密切相關(guān)。

本文中的設(shè)備上使用的LCD是信利（truly）半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的型號為 TFT800480－30－E 4.8英寸 TFT LCD，分辨率為800×480，32位色彩顯示［13］。硬件核心采用的是三星電子（samsung electronics）的 ARM11架構(gòu)的S3C6410嵌入式處理器，主頻為667MHz。S3C6410的顯示控制器時序如圖4所示［14］。

3 開機(jī)Logo的實現(xiàn)

圖4 LCD RGB接口時序

在 WinCE 6.0自帶的 Bootloader中并沒有初始化S3C6410的LCD控制器的代碼，LCD的初始化發(fā)生在內(nèi)核的加載啟動之后。所以在Bootloader運(yùn)行的這段時間內(nèi)，LCD上沒有任何視頻輸出。因此為了產(chǎn)品的美觀性和交互性，本設(shè)備在Bootloader中添加了實現(xiàn)開機(jī)Logo的代碼，使得系統(tǒng)一啟動就有視頻圖像輸出并顯示系統(tǒng)開機(jī)進(jìn)度條，Logo包含有公司的信息和圖標(biāo)等。其中Logo是BMP（位圖）格式的圖片，分辨率為800×480，其顏色位值為24，大小固定為1152054字節(jié)。通過Bootloader燒寫到Nand Flash的block 5和block 6上，并在系統(tǒng)啟動后由Bootloader讀取位圖數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)直接拷貝到RAM的LCD輸出緩沖區(qū)中，LCD就會原樣顯示出Logo。Logo在Nand Flash上的存儲位置如圖5所示。

圖5 Logo存儲分布

實現(xiàn)開機(jī)顯示Logo的具體過程如下：

（1）從SD卡中讀取Logo數(shù)據(jù)到RAM：在Bootloader的燒寫工作模式下，添加從SD卡讀取Logo的C語言代碼，在BootloaderMain（）函數(shù)中添加如下函數(shù)：

LogoReadFromSD（）；從SD卡中讀取Logo信息，包括Logo存放的起始地址和長度等。其主要代碼如下：

這兩段代碼分別指明了Logo將要讀取到RAM中的地址值和對Logo數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，為讀取SD卡中的Logo到RAM做準(zhǔn)備。

DownloadImage（DWORD dwImageStart， DWORD dwImageLength，DWORD dwLaunchAddr）；這3個入口參數(shù)分別是映像存儲起始地址，映像長度和映像加載地址。主要功能是從SD卡下載Logo數(shù)據(jù)到RAM。它會調(diào)用它所 包 含 的 OEMReadData（DWORD dwData，PUCHAR pData）函數(shù)來完成具體的Logo數(shù)據(jù)下載工作，其中2個入口參數(shù)分別指：映像數(shù)據(jù)長度和映像存儲緩沖區(qū)。

（2）將RAM中的Logo燒寫到 Nand Flash：這是在Bootloader燒寫工作模式下實現(xiàn)整個開機(jī)Logo設(shè)計與顯示過程中最關(guān)鍵的一部分，主要由 WinCE 6.0自帶的底層Flash訪問函數(shù)完成。該函數(shù)具有便于移植，代碼復(fù)用率高和執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且可以不加修改直接運(yùn)用于其它基于 WinCE 6.0的嵌入式設(shè)備上。

OEMLaunch（DWORD dwImageStart，DWORD dwImage－Length，DWORD dwLaunchAddr，const ROMHDR ＊pRomHdr）；這4個入口參數(shù)分別是映像存儲起始地址，映像長度，映像加載地址和TOC分區(qū)標(biāo)識符。主要功能是將下載到RAM中的Logo燒寫到Nand Flash的指定block上。

OEMLaunch（）調(diào)用 WriteRawImageToBootMedia

（DWORD dwImageStart，DWORD dwImageLength，DWORD dwLaunchAddr）函數(shù)完成具體燒寫過程。其入口參數(shù)分別指：映像存儲起始地址，映像長度和映像加載地址。其主要功能就是執(zhí)行下面的底層Flash訪問函數(shù)代碼：

dwBlock＝LOGO＿BLOCK；指定了Logo將要燒寫到的Nand Flash起始block數(shù)。

pLowFuncTbl＝FIL＿GetFuncTbl（）；直接訪問底層Nand Flash的函數(shù)，可以直接對Nand Flash進(jìn)行訪問和修改等操作，其中最重要3個底層操作如下：

pLowFuncTbl－＞ Read（UINT32nBank， UINT32 nPpn， UINT32nSctBitmap， UINT32nPlaneBitmap，UINT8 ＊pDBuf，UINT8 ＊pSBuf，BOOL32bECCIn，BOOL32bCleanCheck）；直接讀Nand Flash數(shù)據(jù)。其參數(shù)分別指：block數(shù)，Nand Flash頁數(shù)，扇區(qū)映射位，Nand Flash平面映射位，目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，ECC校驗碼標(biāo)識位和Nand Flash數(shù)據(jù)清除標(biāo)識位。

pLowFuncTbl－＞W(wǎng)rite（UINT32nBank，UINT32nPpn，UINT32nSctBitmap，UINT32nPlaneBitmap，UINT8＊pDBuf，UINT8＊pSBuf）；直接寫Nand Flash數(shù)據(jù)。其參數(shù)分別指：block數(shù)，Nand Flash頁數(shù)，扇區(qū)映射位，Nand Flash平面映射位，目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

pLowFuncTbl－＞ Erase（UINT32nBank， UINT32 nPbn，UINT32nPlaneBitmap）；直接擦除Nand Flash數(shù)據(jù)。其參數(shù)分別指：block數(shù)，Nand Flash頁數(shù)和Nand Flash平面映射位。

（3）設(shè)置 LCD寄存器［15］：

設(shè)置LCD主要在Bootloader的下載模式中完成。首先在OEMPlatformInit（）函數(shù)中調(diào)用LCD初始化函數(shù)InitializeDisplay（）來設(shè)置CPU的控制LCD輸出的GPIO口：

然后在InitializeDisplay（）中實現(xiàn)重要函數(shù)：LDI＿fill＿output＿device＿information（void＊pDevInfo）；其參數(shù)指針指向一個系統(tǒng)定義的視頻設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體。該函數(shù)功能為：初始化LCD設(shè)備基本信息，像素時鐘采樣頻率33.33MHz，位數(shù)模式24BPP，輸出圖像格式8：8：8，像素點(diǎn)時鐘下降沿采樣，幀率為60，水平、垂直同步信號低電平有效。在該函數(shù)中還要設(shè)置如下重要參數(shù)：

以上代碼分別指：幀后、幀前等待計數(shù)分別為31、1個行時鐘，垂直脈沖寬度為2個行時鐘，行后、行前等待計數(shù)分別為86、1個像素點(diǎn)時鐘，水平同步時鐘寬度為128個像素點(diǎn)時鐘。

（4）將Logo數(shù)據(jù)拷貝到RAM的LCD輸出緩沖區(qū)：

將Logo從Nand Flash拷貝到RAM中，主要是靠在下載模式下通過OEMPlatformInit（）中添加的如下3個函數(shù)完成的：

ShadowLogo（）函數(shù)主要將Logo數(shù)據(jù)從Nand Flash對應(yīng)block讀取到RAM指定地址中。其中包含如下重要代碼：

pBuffer＝（UINT8＊）EBOOT＿BINFS＿BUFFER＿UA＿START；指向Logo在RAM中的儲存起始地址，這是一個通過 MMU（Memory Management Unit）映射后的虛擬地址。

dwStartBlock＝LOGO＿START＿BLOCK；指向Logo在Nand Flash存儲的起始block。

dwNumBlock＝LOGO＿BLOCK＿SIZE；指向Logo在Nand Flash上所占據(jù)的block數(shù)。

CopyLogoPicSeg（S32xPos，S32yPos，S32nWidth，S32nHight，PU08pBuf）；其各個參數(shù)分別指：Logo在LCD屏幕上開始顯示的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，二維圖像數(shù)組寬和高，以及Logo在RAM的起始地址值。其中包含如下重要參數(shù)設(shè)置：

U32＊tmp＝EBOOT＿FRAMEBUFFER＿UA＿START；指向RAM中的LCD輸出緩沖區(qū)，這也是一個經(jīng)過MMU映射的虛擬地址，Logo數(shù)據(jù)信息將被拷貝至此地址處，然后在LCD上完整的顯示出來。

顯示內(nèi)核加載進(jìn)度的進(jìn)度條也是顯示Logo的一部分，該功能主要由函數(shù)progress＿draw＿v（int＿top＿left，int＿top＿right，int ＿width，int ＿h(yuǎn)eigth，int ＿color）完成，其入口參數(shù)分別指：進(jìn)度條位于LCD的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，LCD屏幕寬度和高度，以及進(jìn)度條的顏色。

（5）顯示示例Logo：

打開Platform Builder編譯生成本項目下的BSP（board support package）包，會得到EBoot.bin和EBoot.nb0兩個Bootloader映像文件。將EBoot.bin燒寫到本設(shè)備的Nand Flash的block 3上，啟動設(shè)備，即可看到如圖6所示示例Logo及位于LCD下方的開機(jī)進(jìn)度條。

圖6 開機(jī)Logo

4 結(jié)束語

本文通過對WinCE 6.0的Bootloader啟動流程進(jìn)行分析，針對實際的硬件平臺，完成了基于 WinCE 6.0系統(tǒng)和三星S3C6410硬件平臺的開機(jī)Logo的設(shè)計與實現(xiàn)。對比其它類似設(shè)計與實現(xiàn)不能快速準(zhǔn)確顯示彩色圖片，不易于移植以及不能隨意且方便的更換Logo的局限性，本文中的設(shè)計與實現(xiàn)代碼簡潔高效，方便移植，Logo可以隨意更換，而且代碼可以不加修改而直接運(yùn)用于其它基于 WinCE 6.0系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備上。經(jīng)過反復(fù)測試，該設(shè)計與實現(xiàn)可以準(zhǔn)確快速的將Logo原樣顯示在LCD上。本文中的第二代居民身份證閱讀器正是采用了上述設(shè)計實現(xiàn)了開機(jī)顯示Logo的功能，該設(shè)備已進(jìn)入量產(chǎn)和實際應(yīng)用階段。

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