Windows CE 6.0 Multi-bin的设计与实现

Windows CE是微软推出的一款32位的嵌入式操作系统。它具有良好的多媒体功能和友好的人机交互界面,支持PowerPC、X86、ARM和MIPS等多个系列处理器的体系结构,并为所支持的处理器提供完善的系统库[1]。它还提供了完善的设备驱动程序和软件开发包，大大缩短了开发周期，节约了电子智能产品的上市时间。在这些产品开发过程中，系统启动时间的时延是影响客户体验（QoE）的重要因素。启动速度受很多因素的影响，包括定制系统镜像文件的大小、系统内核加载驱动的多少、内存占用的大小等。为了减少系统启动时延，目前比较流行的做法是在Bootloader中添加LOGO启动画面，从而在视觉上降低客户的时延感受[2]。从本质上讲，这种方法并没有从根本上减少系统的启动时延，仅仅是从视觉的角度转移了客户的注意力。
本文在分析Windows CE 6.0系统启动过程的基础上，设计了一种在Bootloader中实现BinFS文件系统进而完成Multi-bin加载的方法，从而真正达到缩短启动时间的效果，同时还为用户节省了大量的内存空间。实验结果表明，该方法性能稳定，可移植性强，并已经应用到一款基于Samsung 2440处理器的IPTV手持式测试仪系统上。
1 Windows CE系统启动过程
Windows CE系统启动过程如图1所示。

在Windows CE操作系统中，当基于Windows CE的目标设备上电启动或者复位时，系统首先加载并运行Bootloader程序，Bootloader程序进行必要的硬件初始化，然后通过Bootloader再加载并启动操作系统内核映像。启动操作系统内核的过程实际上就是加载并运行OAL(OEM Adaptation Layer)程序的过程。OAL是Windows CE操作系统内核的重要组成部分，OAL并不能被单独加载并运行，它最终被编译进操作系统内核，从而通过操作系统内核存在并发挥作用，操作系统的启动过程就是一个加载并运行OAL程序的过程[3]。
系统从启动加载内核映像文件到最后的显示桌面会有一段时间，这个时间段就是通常所说的启动时延。通常情况下为10 s~13 s。为了缩短这段时延，可以将系统映像分为多块，将系统核心启动部分的内容放到内存中，其他部分放到固态存储器（如Nand Flash）中，使用BINFS文件系统读出。即在系统启动过程中，先加载操作系统内核映像的核心部分，而操作系统内核映像的其他部分仍然驻留在Nand Flash中，需要时再从Nand Flash中进行加载，从而大大减少开机读取系统的时间。同时，也不再需要为操作系统预留全尺寸的内存空间，而只需预留最小开机核心部分的内存空间，剩下的作为通用内存空间。这样就使得操作系统内存的使用有了很大灵活性，同时可用系统内存大大增加。从而，在根本上达到了按需加载系统模块到内存的要求。这就是所谓的Multi-bin技术。
2 Windows CE .bin镜像文件解析与下载
由Windows CE的开发工具Platform Build编译生成的Windows CE操作系统及Bootloader的镜像文件主要有两种格式类型：以.bin为文件名后缀的记录型镜像文件和以.nb0为后缀的原始型（raw）镜像文件。前者以记录（Record）为单位组织镜像的数据，后者则是镜像在嵌入式系统中运行时的二进制数据快照。其中，.bin文件是一个描述性质的镜像文件，它由文件头(Head)、镜像数据目的起始地址(ImageStart)、镜像数据长度(ImageLength)和多条相对独立的记录（Record）构成。本文以实现Multi-bin的操作系统xip.bin为例进行分析，使用UltraEdit将其打开，如图2所示。

从图2可以看出，文件头(head)由7个字节组成，内容是：42 30 30 30 46 46 0A，即“B000FFx0A”，这是判断镜像文件是.bin类型的依据。镜像数据目的起始地址（ImageStart，00 00 07 80）由4个字节组成，它定义了镜像文件解析后装载在内存中的起始地址是0x80070000。镜像数据长度(ImageLength，68 07 13 02)也由4个字节组成，它表示.bin镜像文件解析后在内存中占用的总的存储空间大小为（0x02130768）。每条记录（Record）由4字节的起始存储地址(RecordStart)、4字节的数据长度(RecordLength)、4字节的校验码(RecordCheckSum)和RecordLength个字节的记录数据（RecordData）组成。以第一条记录(阴影部分)为例，分别为0x80070040、0x00000008、0x000001E3和0X8007004C434543454。
由以上.bin的文件格式可知，.bin文件不是内存程序空间的一个简单的拷贝，所以它不能直接用串口烧写进内存或FLASH空间来直接运行，必须通过EBOOT按照.bin文件的格式解析出来具体的内容重新装载后才能运行[4]。对于xip.bin的下载流程如图3所示。

3 BinFS的实现
3.1 BinFS简介
二进制ROM映像文件系统（BinFS）是一个读取由romimage.exe产生的二进制映像（.bin）文件格式的文件系统。BinFS可以分析每个区域（Region）中的.bin文件记录，这些.bin文件记录，最终用户是无法看见的。.bin文件以特定的片段（Section）组织数据，每个片段包含一个片段头，片段头定义了这个片段的起始地址、片段长度及校验和。Romimage.exe将以逻辑片段组织的数据写到.bin文件中。
本文所采用的硬件平台使用Samsung K9F1208U0B 64 MB的DDR SDRAM作为程序运行的内存，使用K9F-
1208UOM的64 MB Nand Flash作为保存Windows CE操作系统映像的存储器。由于使用的是64 MB的Nand Flash存储器，而最终的Release(发布版)Windows CE操作系统映像的大小在32 MB左右[5]，因此，如果将整个Flash存储器只用来存储操作系统映像文件，将无疑是一种巨大的浪费。一种经济、合理的做法是将整个Flash分为两部分，一部分是BinFS文件系统，用于保存Windows CE操作系统的多个映像文件(支持Multi-bin)；另一部分为FAT文件系统，用于保存其他用户文件。采用这种方法，操作系统裁剪的越小，留给用户的存储空间就越大[6]。这一方案的实现需要BinFS文件系统的支撑。
3.2 BinFS的实现
Bootloader管理着目标设备初始化、下载运行时映像和引导运行时映像的启动过程。在操作系统开发过程中，使用Bootloader可以快速地将一个运行时映像下载到目标设备，节约开发时间。如果Bootloader支持BinFS，则这个Bootloader是可以分区和格式化的，并且它可以把数据写进存储设备。
为了实现这个分区，Bootloader使用bootpart.lib静态库函数产生一个BinFS分区和一个外部扩展分区。Bootpart支持库将FMD的代码从Bootloader中抽象出来，在进行分区时，完成对Flash的低级格式化。也可以通过指定字节的偏移完成对分区指定长度的读或写。
4 Multi-bin的实现
Multi-bin是把内核映像分为“最小内核”（xipkernel.bin）与“系统其他文件”（本文中的nk.bin）。在系统启动时加载的是BinFS分区上的xipkernel部分，它位于xip.bin的起始位置。
4.1 修改Config.bib file的内存段
添加XIPKERNEL区域并且将它的存储属性设置为RAMIMAGE。XIPKERNEL是一个并不存储NK的文件，这里可以将其看成最小系统。设置NK区域的存储属性为NANDIMAGE，这将会阻止NK地址空间被分配为RAM地址。CHAIN是实现Multi-bin的必须部分，其作用是通知系统各bin文件的位置。
当加载带有BinFS的映像时，Nand Flash设备上的Windows CE kernel（内核）重定位到RAM区域，当系统访问该区域时，BinFS负责访问Nand Flash设备上相对应的位置，并返回数据给系统。实际就是在Nand Flash设备上面实现了XIP（execute In place）的功能。

XIPKERNEL文件至少要包括下面的模块：
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）
将上述模块添加进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，同时标识出CHAIN区域起始地址XIPSCHAIN的值。这个值要和MEMORY 段指定的值相匹配。
4.3 在注册表设置中添加相应的注册表键值
在本文中，XIP.bin映像文件被存放到Nand Flash存储设备上，为了让其支持BinFS文件系统，需要在注册表中的；HIVE BOOT SECTION和；END HIVE BOOT SECTION两条语句之间加入键值。
下面给出Nand Flash存储设备在注册表中的键值，其作用是将BinFS设定为默认的文件系统。
[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 生成与调试
生成系统映像文件，如图4所示。

选择xip.bin文件并用EBOOT将其下载到硬件平台中，启动系统。经过测试，系统的启动时延缩短到8 s左右。打开“我的设备”，双击控制面板中的系统属性，可以看见系统的可用内存增大为61 020 KB。
本文提出一种普遍适用于Windows CE 6.0操作系统的Multi-bin技术。该技术的实现具有一定的通用性，不仅在Windows CE 6.0操作系统下实现了减少开机启动时延，而且节省了可观的内存空间，提高了用户质量体验（QoS）。基于本文提出的原理和方法对使用Windows CE操作系统的同类硬件平台(如ARM9、ARM11)的开发也具有一定的参考价值。
参考文献
[1] 姜波.Windows Embedded CE 6.0程序设计实战[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] 李昊华，郑文曦.Windows CE中BootLoader启动画面的设计与实现[J].自动化与仪表，2008(11).
[3] 张冬泉，谭南林.Windows CE开发实例精粹[M].北京：电子工业出版社，2008.
[4] 李大为.Windows CE工程实践完全解析[M].北京：中国电力出版社，2008.
[5] 友善之臂公司.ARM9 MINI2440用户手册[EB/OL]．2010， 04，29.http：//www.arm123.com.cn/mini2440/mini2440-um-20100204.rar.
[6] 张冬泉，谭南林，苏树强.WINDOWS CE实用开发技术（第二版）[M].北京：电子工业出版社.2008.