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适用于Windows CE 6.0操作系统的Multi-bin技术解析
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2017-10-30
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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“B000FF\x0A”，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。
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“B000FF\x0A”，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。
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