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。

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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。