一种基于BIOS的WINCE启动方法

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 Windows CE.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,同时又赋予了许多新特性,以适应嵌入式领域的实际要求。无论是商业应用还是多媒体消费需求,都能被采用CE操作系统的设备轻松满足。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,并广泛地被平板电脑、数码相机、彩屏手机、PDA等多种高性能产品所采用,同时工业控制中的用户也在不断增多。

1 WINCE启动方法

WINCE并不是一个通用的安装版操作系统,在各种嵌入式硬件设备中,一款CE系统通常只会针对某一种硬件平台生成。Boot Loader是定制Windows CE操作系统过程中一个重要的开发环节。在整个系统正常启动后,Boot Loader通过不同的方式加载CE的内核文件nk.bin。当Boot Loader把nk.bin解压到RAM后就把CPU控制权交给CE内核。在X86平台下,有三种Boot Loader:x86 ROM Boot Loader,x86 BIOS Boot Loader和MSDOS+Loadcepc。其中,x86 ROM Boot Loader因为要代替BIOS完成平台的初始化工作,需要CE开发者读懂它的源码并根据不同的平台修改,难度比较大。对于MSDOS+Loadcepc,首先启动到MSDOS,再执行loadcepc.exe,让loadcepc加载nk.bin到内存,再把CPU控制权交给CE内核程序。这种方法需要DOS系统的支持。

1.1 BIOS Boot Loader启动过程

  这里着重介绍BIOS Boot Loader。它的引导顺序是:系统上电后BIOS执行完硬件初始化和配置,然后检查引导设备的启动顺序。如果引导设备是硬盘、CF卡、DOC(Disk-On-Chip)一类的存储设备,则就加载这些存储器上的主引导扇区(Master Boot Sector)中的实模式代码到内存,并执行这些代码。这里提到的代码被称为主引导记录(MBR)。MBR首先在分区表(同样位于主引导扇区)中寻找活动分区,如果存在活动分区,则加载位于这个活动分区的第一个扇区上的代码到内存,然后执行这些代码。这里提到的活动分区的第一个扇区被称为引导扇区(Boot Sector)。引导扇区上的代码的功能是找到并且加载BIOS Boot Loader,BIOS Boot Loader再加载nk.bin。使用BIOS Boot Loader方式,需要制作启动盘,Bsect.img和BLDR.BIN分别为引导扇区文件和WINCE的加载文件。执行“mkdisk C:”批处理命令将这两个文件写到磁盘上。mkdisk会设置Boot Loader的隐藏属性,这样在列出根目录下所有文件时不会显示Boot Loader的文件。这种方法的优点是不需要DOS系统就可以直接启动系统,这是一种常用的启动WINCE的方法;缺点是需要通过专门的工具制作启动盘,操作相对复杂,如果要更换不同的存储设备,则都要进行这一系列的操作才能完成。具体引导过程如图1所示。

 

 

 

1.2 BIOS Boot Loader启动代码分析

  通过上面的分析,BIOS Boot Loader的工作的过程已经清楚,下面分析启动过程中需要的文件。

  首先分析引导扇区(BootSector)文件Bsect.img。其主要包括一个引导程序和一个称作BPB(Bios Parameter Block)的本分区参数记录表。BPB表记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数、分配单元的大小等重要参数。引导程序是Bsect.img的关键部分,通过“mkdisk C:”替换原有引导扇区的主要目的是改变引导程序。

  下面是Bsect.img的BPB和引导程序的部分代码,包括参数的传递以及控制权移交给BLDR,这也是加载NK.BIN的最后一步。

;BIOS parameter block(BPB)

VerId db ′ ′ ;7C03

BytePerSect dw 0000 ;7C0B

SectPerClust db 00 ;7C0D

RsvdSects dw 0000 ;7C0E

NumFATs db 00 ;7C10

NumRootEntrys dw 0000 ;7C11

SectPerPart dw 0000 ;7C13

MediaDesc db 00 ;7C15

SectPerFAT dw 0000 ;7C16

SectPerTrack dw 0000 ;7C18

NumHeads dw 0000 ;7C1A

NumHiddenSectL dw 0000 ;7C1C

NumHiddenSectH dw 0000 ;7C1E

TotalSectorsL dw 0000 ;7C20

TotalSectorsH dw 0000 ;7C22

DriveId db 00 ;7C24

TempVal db 00 ;7C25

ExtRecordSig db 00 ;7C26

VolSerNumL dw 0000 ;7C27

VolSerNumH dw 0000 ;7C29

VolLabel db ′ ′ ;7C2B

TypeFAT db ′ ′ ;7C36

从磁盘中查找BLDR.BIN文件并装入内存

;Put the media type, drive number, and data start LBA into registers that are passed to the bootloader.

MOV CH,[MediaDesc]

MOV DL,[DriveId]

MOV BX,WORD PTR [_7C3E+0BH] ;根据BPB表计算得出

MOV AX,WORD PTR [_7C3E+0DH] ;根据BPB表计算得出

;jump to bootloader image

DB 00EAH

DW LOAD_ADDRESS ;BLDR.BIN 在内存中的地址0000:1000

DW 0000H

2 WINCE启动新方法

  本文中介绍的方法是在BIOS Boot Loader基础上改进而来,通过修改BIOS,为使用X86平台的WINCE用户提供方便。此方法不需要使用“mkdisk”制作启动盘,只需要把磁盘(如硬盘、CF卡等)格式化为FAT16,把NK.BIN文件存放到磁盘活动分区的根目录即可。

2.1 实现步骤

  下面介绍这种方法的实现。BIOS的修改主要包括以下三个部分:

  (1)把WINCE的加载程序BLDR.BIN存放到BIOS中。首先分配一个ID号,然后作为一个模块添加到BIOS中,由于存放BIOS的Flash空间有限,所以需要对其进行压缩。在BIOS编译完成以后,通过BIOS工具可以看到这一模块,并且和其他模块一样可以更新,也就是说可以升级BLDR.BIN。

  (2)在BIOS启动选项里增加WINCE启动项。启动过程中判断用户的设置,如果从WINCE启动,则把BLDR模块解压后存放到某个内存空间中等待调用。

  (3)修改BIOS INT19调用的过程。在INT19的服务程序中,当BIOS把磁盘的MBR读入到内存0000:7C00之后取得控制权,把前面解压后的BLDR转移到内存0000:1000,通过读取MBR的分区表信息(位置如图2所示)查找当前磁盘活动分区。第一个字节为80H的是活动分区,然后读取活动分区引导扇区的BPB表,参照Bsect.img中的方法把BLDR所需的四个参数准备好,最后移交控制权到BLDR。

 

 

 

2.2 启动过程及结果

  经过这样修改以后,WINCE的启动过程如图3所示。由此可以看出,启动过程主要在BIOS中完成。经过不同的平台测试可知,这种方法与原有BIOS Boot Loader的启动速度差不多。表1是两种方法启动速度的对比,记录时间为系统上电到BLDR开始加载NK.BIN。


 

 

 

 

3 实际应用

  目前研祥的多款主板的BIOS都支持此种功能,在BIOS的设置中有一个选项来选择是否从WINCE启动。在使用其他系统时选择“disable”,便可以从其他系统正常启动;使用WINCE时选择“enable”,便从WINCE启动。把编译好的nk.bin文件拷贝到磁盘的活动分区根目录,系统上电后可以直接启动到WINCE,不需要制作专用的启动盘,为用户使用WINCE系统带来了方便。此种启动方法同样适合于其他的嵌入式操作系统,如Linux等。

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