BootLoader是什么？ 怎样去编写BootLoader源程序？

　　引言
　　WindowsCE.NET是微软公司向嵌入式领域推出的一款操作系统。它最大程度继承了桌面版Windows操作系统的丰富功能，同时又副入了许多新特性，以适应嵌入式领域的实际情况和要求。无论是商业应用需求，还是人们的多媒体消费需求，都能被采用CE操作系统的设备很轻松的满足。最新的.NET版本较之3.0版本，在实时性和稳定性上有大幅度提高，开始广泛地被平板电脑、数码相机、彩屏手机、PDA等多种高性能产品所采用。
　　但是，CE并不是一个通用的安装版操作系统，在形形色色的嵌入式硬件设备世界里， 一款CE系统通常只会针对某一种硬件平台生成。所以，作为原始设备生产商，必须根据自己的硬件平台和应用场合定制CE，最主要的工作就是编写适合于自己的板级支持包（BSP）。在BSP中，包含了一个重要的组成部分——BootLoader。创建一未功能完善的 BootLoader，是开发WinCE系统的第一步，也是极为关键的一步。本文将结合开发实例，介绍如何开发适合于自己硬件的BootLoader。
　　1 定制CE操作系统的基本知识
　　定制CE操作系统是采用微软的工具软件：Platform Builder（PB）。该工具能够根据用户的需求，选择构建具有不同内核功能的CE系统。同时，它也是一个集成的编译环境，可以为所有CE支持的CPU目标代码编译C/C++程序。前面所说的BSP和BootLoader程序就是在该环境下编译，并整合到CE系统中去的。一旦成功地编译了一个CE系统，就会得到一个名为nk.bin的映像文件。只要将该文件下载到目标平台（device端），就能够运行CE了。
　　2 BootLoader
　　BootLoader 是一段单独的程序代码，它存放于目标平台的非易失存储介质中，如ROM或Flash。在开发CE的过程中，它主要用于启动硬件和下载nk.bin到目标板上，并有一定的监控作用。
　　图1描述了WinCE的BSP基本结构以及BootLoader所处的位置。
　　
　　一般来说，对于BootLoader的功能要求并不是严格定义的，不同的场合区别很大。比如，在PC的硬件平台上，由于硬件启动根本就不是通过 BootLoader（而是通过BIOS），所以BootLoader就不需要对CPU加电后的初始化做任何工作；而在笔者的开发平台（MIPS32）上，BootLoader是最先被执行的程序，所以就必须包括加电初始化程序。通常，BootLoader必须包含下载CE映像文件的功能。另外，管理监控硬件设备通常也是必须的，因为这可以极大地方便工程开发。由于BootLoader涉及到基本的硬件操作，如CPU的结构、指令等，同时又涉及到以太网下载协议（TFTP，当然也可能通过串口）和策软设定的映像文件格式。因此从零实现的话，会需要相当长的过程。好在微软为每种类型的CPU都提供了某种标准开发板的BootLoader例程，因此通常的做法是：从这些例程中寻找与硬件平台最接近的作为标本程序，然后再从自己的硬件平台上入手做相应的改动。一些新的评估板可能会由第三方的厂商来提供Bootloader。如果硬件平台是从这样的基板设计而来的话，那么最好去寻求这些厂商获取 Bootloader来移植，以减少工作量。
　　笔者使用的硬件平台基于MIPS32架构，下载端口采用的是以太网口，同时还具备一个串口，主机相连，通过超级终端对该平台加以控制。该平台是参考AMD的一款标准估计板设计的，BootLoader以该板的BootLoader为参考进行了移植。
　　3 编写BootLoader源程序
　　前面已经提到，由于硬件的不同，BootLoader的功能可能有多有少，此处笔者以自己开发BootLoader的过程进行叙述。
　　图2是笔者BootLoader的工程流程。
　　
　　3.1 启动部分
　　首先要实现初台化硬件的功能。在参考板的BootLoader目录下，会发现一些.s文件，可能会是init.s或者是reset.s等，这样的文件是CPU加电后最先执行的代码。由于此处是用汇编语言编写的，所以与CPU关系紧密。一般参考板的 CPU与开发平台的CPU会是相同或者是同一个架构的。笔者使用的是属于同一种CPU的情况，所以对寄存器的定义和初始化流程都可以不加改动。接着就是对于平台配置的分析，包括平台存储空间的分配、外围设备的工作设定等。一般这里的区别是非常大的。所以必须要对CPU寄存器的值作相应设定。这部分工作可能需要CPU提供商方面的帮助。
　　应该说，这部分工作是BootLoader的一大重点，但由于和实际的硬件非常大，所以不可能做进一步的详细叙述。
　　3.2 主控部分
　　从这一部分开始，均用C语言编写。
　　为了增加BootLoader 对平台的控制，一般BootLoader都会设计成支持命令输入的方式，通过串口来接收用户的命令。这种机制中，如果参考板有Loader支持的话，那么可以自己添加有实用价值的命令，完成一些需要的功能。
　　从图2中可以看出，一般在平台调试完毕后，可以在不用人工干预的情况下自动加载CE（这也是 BootLoader必需的功能之一）；而在调试阶段，基本上是通过Loader所支持的命令来进行操作的。提供足够丰富的命令，能极大简化和全面测试开发平台。如表1所列，是笔者Loader所提供的命令。
　　表1
　　命令 说明
　　Help_______ 列出所有支持的命令并加以说明
　　Eboot _____从开发台下载CE映像并加载
　　Write______向某一内存地址写入数据
　　Read______ 显示某一内存地址的数据
　　Jump______跳转到某一地址执行程序
　　Xmodem___从计算机的超级终端接收以Xmodem协议传送的文件
　　Toy_______测试平台CPU的计数器是否运转
　　Flash______擦除或者更新Flash中的数据
　　Tlbread____显示CPU的所有TLB表
　　Tlbwrit____ 设置CPU的TLB
　　Macaddr___设置CPU的MAC地址
　　Seti_______设置平台的IP地址
　　这些命令涉及到平台调试的各个方面，像内存检测、Flash操作、文件下载等。借助于这些命令，不仅可以完成硬件平台的部分测试，还完成了作为CE的 BootLoader程序最为重要的一个功能——下载CE映像。
　　3.3 下载部分
　　在用Platform Builder编译生成CE的映像文件后，接下来就需要将该文件下载到目标板上。如果说硬件调试功能可以由其它的程序代替而不放入BootLoader 中，但是下载映像文件却是BootLoader必需的功能。
　　CE映像文件通常叫做nk.bin，它是Windows CE二进制数据格式文件，不仅包含了有效的程序代码，还有按照一定规则加入的控制信息。当然，也可以选择生成.sre格式的代码文件，但是相于对前一种格式，它的代码要长很多，所需要的下载时间也更长。在这里，我们以下载.bin格式的文件来说明下载的实现。
　　首先看一下图3所示的BootLoader下载部分的流程图。
　　
　　通常，在Platform Builder自带的代码中，会包含完成TFTP连接的了基本的函数。
　　*初始化TFTP连接：用函数EbootInitTFtp（）和EbootInitTFtpd（）完成。
　　*登记解析.bin格式数据的回调函数：用EbootTFtpdServerRegister（）完成。
　　*发出连接请求：用EbootSendBootme（）完成。
　　*接收主机端发出的数据包：用EbootTFtpReceiver（）完成。
　　在这里，需要重点说明的有两点。
　　①对于接收数据包的函数EbootTFtpReceiver（），它只能处理已经存入内存的以太网包，也就是说，从以太网控制器接收数据的功能必须要用户去完成。由于这一功能与硬件密切相关，所以不能使用PB自带的函数来完成。
　　②函数EbootTFtpdServerRegister（）会登记一个回调函数，一般用户可以自己定义这个函数，该函数用于完成，bin格式数据的解析和保存，有效数据至目的地RAM。PB有自带的例程函数可作参考。一般来说，如果目的地就是RAM的话，直接参考例程函数即可。但是如果目的地就是Flash，不要直接存入Flash（字为单位），应先存入内存中待下载完毕以后再导入Flash。当然，这种方法必须要有足够的内存。如果没有足够的内存，也可以缓存部分数据后，分段写入Flash。
　　3.4 支持DOC
　　对于 WinCE操作系统而言，丰富的多媒体功能是其一大特点，使其成为当前消费类电子产品操作系统中的一个不错选择。但是随之而来的问题是，系统的容易已经大大超过出了传统嵌入式系统上百KB的数量级。一般来说，如果选择了图形界面和汉语支持，容量一般会超过16MB。DOC（Disk On Chip）则提供了一种相对廉价的大存储容量的解决方案。
　　DOC本质上是一种加以软件控制的NAND格式的Flash，通过TFFS这一软件层提供对WinCE的支持。
　　由于DOC不能像内存一样被直接访问，所以其加载WinCE的过程有些特殊，必须要在BootLoader中加入专门的代码，才能使用DOC来存放WinCE映像文件。
　　为了说明怎样在Loader文件中提供对DOC的支持，先看一下如何采用DOC系统启动CE，如图4所示。
　　
　　从图4可以看出，当采用DOC作为存储体的时候，实际上是在启动的时候把映像文件拷贝到内存中执行。为了实现这一启动过程，就必须涉及到DOC的读写操作。首先要从M-SYSTEM的网站上获取DOC的BOOT软件开发包。在这个开发包里，提供了一系列DOC的操作函数。将此开发包嵌入到CE的BootLoader中去，然后按照图4的步骤，调用相应的读写函数完成这一过程。对于开发包中相关函数的说明，笔者就不具体介绍了，可以参考开发包的说明文档。
　　4 BootLoader的编译、链接和下载
　　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，下面是一个简单的BootLoader的.bib文件。
　　MEMORY
　　CLI 9fc00000 00050000 RAMIMAGE
　　RAM 80080000 00070000 RAM
　　CONFIG
　　COMPRESSION=ON
　　SRE=ON
　　ROMSTART=9fc00000
　　ROMSIZE=00020000
　　ROMWIDTH=32
　　ROMOFFET=000000
　　MODULES
　　Nk.exe $（_FLATRELEASEDIR）.exe CLI
　　MEMORY部分定义了生成的映像文件的目标地址，以及程序运行可以使用的内存空间。
　　CONFIG部分COMPRESSION是否对目标代码进行压缩；SRE是否生成格式为sre的目标代码；ROMSTART与ROMSIZE、ROMWIDTH、ROMOFFSET共同定义了开发平台上存放BootLoader物理介质的起始地址、大小、宽度和偏移量。
　　MODULES部分定义了BootLoader所包含的文件，一般就只有一个文件：cli.exe。
　　编译过程中，首先用命令build-c编译生成文件cli.exe，然后用 romimage cli.bib命令产生最后的映像文件cli.sre。
　　对于BootLoader文件的下载；有很多种方法：可以通过仿真器下载；也可以通过其它调试程序下载；还可以直接烧写到Flash中。需要说明的一点是，这些方法可能会要求不同的映像格式。在PB环境下，可以生成的有.sre格式、纯二进制格式（用于直接烧写Flash）以及和CE映像一样的.bin格式。
　　结语
　　从CE的 BootLoader开发流程可以看出，BootLoader在完成下载CE映像和加载映像的主要功能外，还具有一些调试硬件的功能。当然，这些功能不是必需的，随不同的用户可能有自己的定义。但是不管Loader的功能设计得多么简单或者是多么复杂，都是在开发CE系统中不可跳过的一环。实际上，由于 Loader有和CE系统交互数据的区域，所以还有对CE启动过程的控制作用，也是PB控制目标板CE启动的一个窗口。可以说，一个功能齐全的 Loader，不论是对调试硬件，还是控制和检测CE系统，甚至是成为产品之后的维护工作，都是大有帮助的。
　　编写 BootLoader是开发WinCE系统第一步，也是关键的一步。只有得到一个稳定工作的Loader程序，才能够更进一步开发WinCE的BSP，直至最后整个系统的成功。