基于S3C2440A處理器的Windows CE系統(tǒng)快速啟動方案

　　0 引言

　　微軟的Windows CE系統(tǒng)是被廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)之一。在產(chǎn)品的研究開發(fā)中，一些嵌入式操作系統(tǒng)的啟動速度所花時間比較長，Wind-ows CE也不例外。由于各種因素的影響，有些情況下啟動甚至超過1 min。而在實際的嵌入式電子產(chǎn)品中客戶需要體驗一個極速爽快而又穩(wěn)定的系統(tǒng)，避免長時間等待。因此，如何快速啟動Windows CE系統(tǒng)是一個很重要的內(nèi)容。本文將基于三星公司的S3C2440A處理器和Windows CE系統(tǒng)，分析Windows CE的啟動原理和影響其啟動速度的原因，給出加快啟動的方案。

　　1 Windows CE的啟動過程

　　一般嵌入式系統(tǒng)的引導過程如圖1所示。其中引導加載程序(BootLoader)是系統(tǒng)加電后運行的第一段代碼，主要是通過設(shè)置寄存器初始化硬件的工作方式，如設(shè)置時鐘、中斷控制寄存器等，完成內(nèi)存映射、初始化MMU等。其次是系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的初始化，將系統(tǒng)內(nèi)核(Kernel)和應用程序的映像從只讀存儲器加載或拷貝到系統(tǒng)的RAM中執(zhí)行，完成系統(tǒng)內(nèi)核的加載以及應用程序的啟動等。

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　　1.1 BootLoader的啟動

　　BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序，它可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好環(huán)境。引導程序完成自己的任務后，就將控制權(quán)移交給內(nèi)核。通常引導程序是放置在不易丟失的快閑存儲器的開始地址或者是系統(tǒng)冷啟動時PC寄存器的初始值。

　　1.2 內(nèi)核啟動時加載過程

　　BootLoader按照Windows CE啟動方式的不同可分為2大類：下載模式和啟動加載模式。當BootLoader把nk.bin解壓到RAM后就把CPU控制權(quán)交給Windows CE內(nèi)核。

　　啟動加載模式是BootLoader的正常加載模式，BootLoader從存儲介質(zhì)將操作系統(tǒng)加載到RAM中，并從RAM中啟動運行操作系統(tǒng)。該過程并沒有用戶的介入。

　　下載模式則是BootLoader從開發(fā)工作站下載操作系統(tǒng)映像文件到目標設(shè)備的RAM，然后再將它寫到目標設(shè)備的FLASH等存儲介質(zhì)中。該過程要通過串口線或網(wǎng)絡連接等通信手段從主機(Host)下載文件。因此，不同的加載模式會直接影響內(nèi)核啟動加載時間。

　　2 影響Windows CE啟動速度的主要因素

　　影響系統(tǒng)啟動時間的因素可以從系統(tǒng)本身和硬件2個方面考慮。

　　2.1 系統(tǒng)加載

　　系統(tǒng)在啟動時涉及到BootLoader、內(nèi)核加載、初始化進程、硬件的驅(qū)動程序和接口程序以及應用程序組等。因此Windows CE啟動速度要與引導程序初始化時間、內(nèi)核加載時間、硬件驅(qū)動的加載時間、應用程序的加載時間等有著直接的關(guān)系。

　　2.2 硬件

　　顯然，CPU的頻率及效率、內(nèi)存的大小及類型等直接影響著系統(tǒng)的啟動速度。例如ARM7和ARM9對運行系統(tǒng)的速度是明顯不一樣的，另外，內(nèi)存方面選擇NoR FLASH還是NAND FLASH其也會對啟動速度有一定的影響。

　　3 Windows CE快速啟動的方案

　　快速啟動Windows CE的方案大致有下面幾種。由于實驗條件的限制，本文主要討論內(nèi)核體積、使用Multi-bin技術(shù)、串口打印輸出、不同注冊表形式對啟動速度的影響。

　　3.1 使用合理的閃存和選擇適當?shù)腤indows CE內(nèi)核的運行方式

　　當前應用于嵌入式系統(tǒng)的FLASH從制作工藝角度講主要分為2種：NOR FLASH與NANDFLASH。NOR的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行(Execute In Place，XIP)，這樣應用程序可以直接在NOR FLASH中直接運行，而無需再把代碼讀到系統(tǒng)的RAM中，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快，但在使用時必須先寫入驅(qū)動程序，而且，由于不能向壞塊寫入，這就需要在NAND FLASH上自始自終都必須進行虛擬映射，可能會產(chǎn)生額外的時間花費。因此，選擇不同閃存對啟動速度有一定的影響。

　　也正因為上面2種閃存的特點不同，Windows CE的運行方式直接與它們有關(guān)，可以分為2類，一是在NOR FLASH上直接運行，二是用NAND FLASH來存儲，再加載到內(nèi)存中運行。前者把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到FLASH上，可以實現(xiàn)XIP;而后者是先把內(nèi)核的壓縮文件放在FLASH上，啟動時先解壓，再執(zhí)行。因此，在NOR FLASH上直接運行會速度更快。

　　3.2 精簡Windows CE內(nèi)核體積和加載內(nèi)容

　　在Windows CE啟動過程中，加載內(nèi)核過程和加載內(nèi)核之后所占時間是不一樣的，前者是從NANDFLASH加載內(nèi)核到內(nèi)存，占了絕大多數(shù)時間，后者其實只占很小的一小部分時間。因此，可以通過縮短加載內(nèi)核過程中的時間來實現(xiàn)縮短啟動時間。要做到這一點，可以通過縮小內(nèi)核來實現(xiàn)。也就是組件全部根據(jù)所需要的來定制，刪除掉所有不必要的組件。其中，最有效的辦法之一是縮減字體，去除不需要的其他國家的字庫。

　　另一方面，內(nèi)核在啟動時會有很多靜態(tài)和延遲加載依賴項，尤其是各種安全性DLL，這肯定增加啟動時間。啟動時加載的驅(qū)動程序、設(shè)備和自啟動程序也會占用一定的時間。因此，在設(shè)備能正常啟動和應用的情況下，應以精簡的原則，以最小化來加載設(shè)備驅(qū)動和啟動程序，以最少數(shù)量的組件和驅(qū)動來啟動系統(tǒng)，減少不必要的時間延遲。例如可以精簡設(shè)備上的外殼程序和啟動界面等。

　　3.3 使用Multi-bin技術(shù)

　　Windows CE中提供了Multi-bin的功能。字面上Multi-bin是多個bin的意思，它將整個內(nèi)核映像分成幾部分，在Windows CE啟動時可只加載核心部分，這樣就能有效提高Windows CE的啟動速度。方法如下：

　　首先，修改Eboot，使其支持BinFN(Binary Rom Image File System)文件系統(tǒng)，支持Multi-bin的下載和燒寫，同時在注冊表platfor-m.reg中增加BinFN分區(qū)。

　　其次，修改配置文件config.bib，根據(jù)實際情況設(shè)置各分區(qū)空間和類型;并對XIPKERNEL進行規(guī)劃，將最小化系統(tǒng)內(nèi)核打包到其中，即在project.bib中的modules和Files中添加必須的內(nèi)核文件，例如系統(tǒng)必須加載組件有nk.exe，coredll.dll，filesys.exe，fatfsd.dll，diskcaehe.dll，F(xiàn)atutil.dll，binfs.dll，fsdmgr.dll，mspart.dll，smFLASH.dll，boot.hv等。

　　最后，在用Platform Builder定制內(nèi)核時系統(tǒng)選用的RAM and ROM File System文件系統(tǒng)，注冊表格式選用Hive-based Registry，它支持永久保存。

　　這樣經(jīng)過編譯后，將生產(chǎn)的xip.bin和XIPKERNEL.bin文件在EBoot.nb0的引導下進行燒寫，完成Windows CE的燒寫工作并可以使用Wi-ndows CE系統(tǒng)。

　　3.4 關(guān)閉串口輸出

　　Windows CE在啟動時把很多啟動信息狀態(tài)輸出，因為串口RETAILMSG等輸出打印信息要花一定的時間，故在編譯沒有出錯的情況下把串口輸出信息關(guān)閉，也可以提高啟動速度。做到這點可以在Debug.c文件中去除OEMWriteDebugByte()，OEMReadDebugByte()函數(shù)的輸出內(nèi)容。