Windows CE 6.0 Multi-bin的設(shè)計與實現(xiàn)

Windows CE是微軟推出的一款32位的嵌入式操作系統(tǒng)。它具有良好的多媒體功能和友好的人機交互界面,支持PowerPC、X86、ARM和MIPS等多個系列處理器的體系結(jié)構(gòu),并為所支持的處理器提供完善的系統(tǒng)庫[1]。它還提供了完善的設(shè)備驅(qū)動程序和軟件開發(fā)包，大大縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了電子智能產(chǎn)品的上市時間。在這些產(chǎn)品開發(fā)過程中，系統(tǒng)啟動時間的時延是影響客戶體驗（QoE）的重要因素。啟動速度受很多因素的影響，包括定制系統(tǒng)鏡像文件的大小、系統(tǒng)內(nèi)核加載驅(qū)動的多少、內(nèi)存占用的大小等。為了減少系統(tǒng)啟動時延，目前比較流行的做法是在Bootloader中添加LOGO啟動畫面，從而在視覺上降低客戶的時延感受[2]。從本質(zhì)上講，這種方法并沒有從根本上減少系統(tǒng)的啟動時延，僅僅是從視覺的角度轉(zhuǎn)移了客戶的注意力。
本文在分析Windows CE 6.0系統(tǒng)啟動過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種在Bootloader中實現(xiàn)BinFS文件系統(tǒng)進而完成Multi-bin加載的方法，從而真正達到縮短啟動時間的效果，同時還為用戶節(jié)省了大量的內(nèi)存空間。實驗結(jié)果表明，該方法性能穩(wěn)定，可移植性強，并已經(jīng)應用到一款基于Samsung 2440處理器的IPTV手持式測試儀系統(tǒng)上。
1 Windows CE系統(tǒng)啟動過程
Windows CE系統(tǒng)啟動過程如圖1所示。

在Windows CE操作系統(tǒng)中，當基于Windows CE的目標設(shè)備上電啟動或者復位時，系統(tǒng)首先加載并運行Bootloader程序，Bootloader程序進行必要的硬件初始化，然后通過Bootloader再加載并啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核映像。啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核的過程實際上就是加載并運行OAL(OEM Adaptation Layer)程序的過程。OAL是Windows CE操作系統(tǒng)內(nèi)核的重要組成部分，OAL并不能被單獨加載并運行，它最終被編譯進操作系統(tǒng)內(nèi)核，從而通過操作系統(tǒng)內(nèi)核存在并發(fā)揮作用，操作系統(tǒng)的啟動過程就是一個加載并運行OAL程序的過程[3]。
系統(tǒng)從啟動加載內(nèi)核映像文件到最后的顯示桌面會有一段時間，這個時間段就是通常所說的啟動時延。通常情況下為10 s~13 s。為了縮短這段時延，可以將系統(tǒng)映像分為多塊，將系統(tǒng)核心啟動部分的內(nèi)容放到內(nèi)存中，其他部分放到固態(tài)存儲器（如Nand Flash）中，使用BINFS文件系統(tǒng)讀出。即在系統(tǒng)啟動過程中，先加載操作系統(tǒng)內(nèi)核映像的核心部分，而操作系統(tǒng)內(nèi)核映像的其他部分仍然駐留在Nand Flash中，需要時再從Nand Flash中進行加載，從而大大減少開機讀取系統(tǒng)的時間。同時，也不再需要為操作系統(tǒng)預留全尺寸的內(nèi)存空間，而只需預留最小開機核心部分的內(nèi)存空間，剩下的作為通用內(nèi)存空間。這樣就使得操作系統(tǒng)內(nèi)存的使用有了很大靈活性，同時可用系統(tǒng)內(nèi)存大大增加。從而，在根本上達到了按需加載系統(tǒng)模塊到內(nèi)存的要求。這就是所謂的Multi-bin技術(shù)。
2 Windows CE .bin鏡像文件解析與下載
由Windows CE的開發(fā)工具Platform Build編譯生成的Windows CE操作系統(tǒng)及Bootloader的鏡像文件主要有兩種格式類型：以.bin為文件名后綴的記錄型鏡像文件和以.nb0為后綴的原始型（raw）鏡像文件。前者以記錄（Record）為單位組織鏡像的數(shù)據(jù)，后者則是鏡像在嵌入式系統(tǒng)中運行時的二進制數(shù)據(jù)快照。其中，.bin文件是一個描述性質(zhì)的鏡像文件，它由文件頭(Head)、鏡像數(shù)據(jù)目的起始地址(ImageStart)、鏡像數(shù)據(jù)長度(ImageLength)和多條相對獨立的記錄（Record）構(gòu)成。本文以實現(xiàn)Multi-bin的操作系統(tǒng)xip.bin為例進行分析，使用UltraEdit將其打開，如圖2所示。

從圖2可以看出，文件頭(head)由7個字節(jié)組成，內(nèi)容是：42 30 30 30 46 46 0A，即“B000FFx0A”，這是判斷鏡像文件是.bin類型的依據(jù)。鏡像數(shù)據(jù)目的起始地址（ImageStart，00 00 07 80）由4個字節(jié)組成，它定義了鏡像文件解析后裝載在內(nèi)存中的起始地址是0x80070000。鏡像數(shù)據(jù)長度(ImageLength，68 07 13 02)也由4個字節(jié)組成，它表示.bin鏡像文件解析后在內(nèi)存中占用的總的存儲空間大小為（0x02130768）。每條記錄（Record）由4字節(jié)的起始存儲地址(RecordStart)、4字節(jié)的數(shù)據(jù)長度(RecordLength)、4字節(jié)的校驗碼(RecordCheckSum)和RecordLength個字節(jié)的記錄數(shù)據(jù)（RecordData）組成。以第一條記錄(陰影部分)為例，分別為0x80070040、0x00000008、0x000001E3和0X8007004C434543454。
由以上.bin的文件格式可知，.bin文件不是內(nèi)存程序空間的一個簡單的拷貝，所以它不能直接用串口燒寫進內(nèi)存或FLASH空間來直接運行，必須通過EBOOT按照.bin文件的格式解析出來具體的內(nèi)容重新裝載后才能運行[4]。對于xip.bin的下載流程如圖3所示。

3 BinFS的實現(xiàn)
3.1 BinFS簡介
二進制ROM映像文件系統(tǒng)（BinFS）是一個讀取由romimage.exe產(chǎn)生的二進制映像（.bin）文件格式的文件系統(tǒng)。BinFS可以分析每個區(qū)域（Region）中的.bin文件記錄，這些.bin文件記錄，最終用戶是無法看見的。.bin文件以特定的片段（Section）組織數(shù)據(jù)，每個片段包含一個片段頭，片段頭定義了這個片段的起始地址、片段長度及校驗和。Romimage.exe將以邏輯片段組織的數(shù)據(jù)寫到.bin文件中。
本文所采用的硬件平臺使用Samsung K9F1208U0B 64 MB的DDR SDRAM作為程序運行的內(nèi)存，使用K9F-
1208UOM的64 MB Nand Flash作為保存Windows CE操作系統(tǒng)映像的存儲器。由于使用的是64 MB的Nand Flash存儲器，而最終的Release(發(fā)布版)Windows CE操作系統(tǒng)映像的大小在32 MB左右[5]，因此，如果將整個Flash存儲器只用來存儲操作系統(tǒng)映像文件，將無疑是一種巨大的浪費。一種經(jīng)濟、合理的做法是將整個Flash分為兩部分，一部分是BinFS文件系統(tǒng)，用于保存Windows CE操作系統(tǒng)的多個映像文件(支持Multi-bin)；另一部分為FAT文件系統(tǒng)，用于保存其他用戶文件。采用這種方法，操作系統(tǒng)裁剪的越小，留給用戶的存儲空間就越大[6]。這一方案的實現(xiàn)需要BinFS文件系統(tǒng)的支撐。
3.2 BinFS的實現(xiàn)
Bootloader管理著目標設(shè)備初始化、下載運行時映像和引導運行時映像的啟動過程。在操作系統(tǒng)開發(fā)過程中，使用Bootloader可以快速地將一個運行時映像下載到目標設(shè)備，節(jié)約開發(fā)時間。如果Bootloader支持BinFS，則這個Bootloader是可以分區(qū)和格式化的，并且它可以把數(shù)據(jù)寫進存儲設(shè)備。
為了實現(xiàn)這個分區(qū)，Bootloader使用bootpart.lib靜態(tài)庫函數(shù)產(chǎn)生一個BinFS分區(qū)和一個外部擴展分區(qū)。Bootpart支持庫將FMD的代碼從Bootloader中抽象出來，在進行分區(qū)時，完成對Flash的低級格式化。也可以通過指定字節(jié)的偏移完成對分區(qū)指定長度的讀或?qū)憽?BR>4 Multi-bin的實現(xiàn)
Multi-bin是把內(nèi)核映像分為“最小內(nèi)核”（xipkernel.bin）與“系統(tǒng)其他文件”（本文中的nk.bin）。在系統(tǒng)啟動時加載的是BinFS分區(qū)上的xipkernel部分，它位于xip.bin的起始位置。
4.1 修改Config.bib file的內(nèi)存段
添加XIPKERNEL區(qū)域并且將它的存儲屬性設(shè)置為RAMIMAGE。XIPKERNEL是一個并不存儲NK的文件，這里可以將其看成最小系統(tǒng)。設(shè)置NK區(qū)域的存儲屬性為NANDIMAGE，這將會阻止NK地址空間被分配為RAM地址。CHAIN是實現(xiàn)Multi-bin的必須部分，其作用是通知系統(tǒng)各bin文件的位置。
當加載帶有BinFS的映像時，Nand Flash設(shè)備上的Windows CE kernel（內(nèi)核）重定位到RAM區(qū)域，當系統(tǒng)訪問該區(qū)域時，BinFS負責訪問Nand Flash設(shè)備上相對應的位置，并返回數(shù)據(jù)給系統(tǒng)。實際就是在Nand Flash設(shè)備上面實現(xiàn)了XIP（execute In place）的功能。

XIPKERNEL文件至少要包括下面的模塊：
Nk.exe；Kernel.dll；Coredll.dll；K.coredll.dll；Oalioctl.dll；
Filesys.dll；Fsdmgr.dll；Mspart.dll
Romfsd.dll；Binfs.dll；Default.fdf or boot.hv（here choose
boot.hv）；Fpcrt.dll (ARM-only)
Ceddk.dll (if required by your flash driver)；Smflash.dll
（your flash driver）
將上述模塊添加進Config.bib中的Moudle段，加入方法如下：
MODULES
nk.exe$(_FLATRELEASEDIR)oal.exe
XIPKERNEL SHZ
kernel.dll$(_FLATRELEASEDIR)kern.dll
XIPKERNEL SHZ
……
4.2 修改Config.bib file的配置段部分
在Config.bib文件中的CONFIG下指定RAM_AUTOSIZE=OFF，ROM_AUTOSIZE=OFF，同時標識出CHAIN區(qū)域起始地址XIPSCHAIN的值。這個值要和MEMORY 段指定的值相匹配。
4.3 在注冊表設(shè)置中添加相應的注冊表鍵值
在本文中，XIP.bin映像文件被存放到Nand Flash存儲設(shè)備上，為了讓其支持BinFS文件系統(tǒng)，需要在注冊表中的；HIVE BOOT SECTION和；END HIVE BOOT SECTION兩條語句之間加入鍵值。
下面給出Nand Flash存儲設(shè)備在注冊表中的鍵值，其作用是將BinFS設(shè)定為默認的文件系統(tǒng)。
[HKEY_LOCAL_MACHINESystemStorageManagerProfiles
NANDFLASH]
"DefaultFileSystem"="BINFS"
"PartitionDriver"="mspart.dll"
"MountHidden"=dword:1
"MountAsROM"=dword:1
"Folder"="NandFlash"
"Name"= "FLASH Disk Block Device"
[HKEY_LOCAL_MACHINESystemStorageManagerBinFS]
"FriendlyName"="BIN Filesystem"
"Dll"="binfs.dll"
"Paging"=dword:1
4.4 生成與調(diào)試
生成系統(tǒng)映像文件，如圖4所示。

選擇xip.bin文件并用EBOOT將其下載到硬件平臺中，啟動系統(tǒng)。經(jīng)過測試，系統(tǒng)的啟動時延縮短到8 s左右。打開“我的設(shè)備”，雙擊控制面板中的系統(tǒng)屬性，可以看見系統(tǒng)的可用內(nèi)存增大為61 020 KB。
本文提出一種普遍適用于Windows CE 6.0操作系統(tǒng)的Multi-bin技術(shù)。該技術(shù)的實現(xiàn)具有一定的通用性，不僅在Windows CE 6.0操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了減少開機啟動時延，而且節(jié)省了可觀的內(nèi)存空間，提高了用戶質(zhì)量體驗（QoS）。基于本文提出的原理和方法對使用Windows CE操作系統(tǒng)的同類硬件平臺(如ARM9、ARM11)的開發(fā)也具有一定的參考價值。
參考文獻
[1] 姜波.Windows Embedded CE 6.0程序設(shè)計實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.
[2] 李昊華，鄭文曦.Windows CE中BootLoader啟動畫面的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2008(11).
[3] 張冬泉，譚南林.Windows CE開發(fā)實例精粹[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.
[4] 李大為.Windows CE工程實踐完全解析[M].北京：中國電力出版社，2008.
[5] 友善之臂公司.ARM9 MINI2440用戶手冊[EB/OL]．2010， 04，29.http：//www.arm123.com.cn/mini2440/mini2440-um-20100204.rar.
[6] 張冬泉，譚南林，蘇樹強.WINDOWS CE實用開發(fā)技術(shù)（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社.2008.