Windows CE是微軟推出的一款32位的嵌入式操作系統(tǒng)。它具有良好的多媒體功能和友好的人機交互界面,支持PowerPC,、X86,、ARM和MIPS等多個系列處理器的體系結構,并為所支持的處理器提供完善的系統(tǒng)庫[1]。它還提供了完善的設備驅動程序和軟件開發(fā)包,，大大縮短了開發(fā)周期,，節(jié)約了電子智能產品的上市時間。在這些產品開發(fā)過程中,，系統(tǒng)啟動時間的時延是影響客戶體驗（QoE）的重要因素,。啟動速度受很多因素的影響，包括定制系統(tǒng)鏡像文件的大小,、系統(tǒng)內核加載驅動的多少,、內存占用的大小等。為了減少系統(tǒng)啟動時延,，目前比較流行的做法是在Bootloader中添加LOGO啟動畫面,，從而在視覺上降低客戶的時延感受[2]。從本質上講,，這種方法并沒有從根本上減少系統(tǒng)的啟動時延,，僅僅是從視覺的角度轉移了客戶的注意力。
    本文在分析Windows CE 6.0系統(tǒng)啟動過程的基礎上,，設計了一種在Bootloader中實現(xiàn)BinFS文件系統(tǒng)進而完成Multi-bin加載的方法,，從而真正達到縮短啟動時間的效果，同時還為用戶節(jié)省了大量的內存空間,。實驗結果表明,，該方法性能穩(wěn)定，可移植性強,，并已經應用到一款基于Samsung 2440處理器的IPTV手持式測試儀系統(tǒng)上,。
1 Windows CE系統(tǒng)啟動過程
    Windows CE系統(tǒng)啟動過程如圖1所示。

    在Windows CE操作系統(tǒng)中,，當基于Windows CE的目標設備上電啟動或者復位時,，系統(tǒng)首先加載并運行Bootloader程序,，Bootloader程序進行必要的硬件初始化，然后通過Bootloader再加載并啟動操作系統(tǒng)內核映像,。啟動操作系統(tǒng)內核的過程實際上就是加載并運行OAL(OEM Adaptation Layer)程序的過程,。OAL是Windows CE操作系統(tǒng)內核的重要組成部分，OAL并不能被單獨加載并運行,，它最終被編譯進操作系統(tǒng)內核,，從而通過操作系統(tǒng)內核存在并發(fā)揮作用，操作系統(tǒng)的啟動過程就是一個加載并運行OAL程序的過程[3],。
    系統(tǒng)從啟動加載內核映像文件到最后的顯示桌面會有一段時間,，這個時間段就是通常所說的啟動時延。通常情況下為10 s~13 s,。為了縮短這段時延,，可以將系統(tǒng)映像分為多塊，將系統(tǒng)核心啟動部分的內容放到內存中,，其他部分放到固態(tài)存儲器（如Nand Flash）中,，使用BINFS文件系統(tǒng)讀出。即在系統(tǒng)啟動過程中,，先加載操作系統(tǒng)內核映像的核心部分,，而操作系統(tǒng)內核映像的其他部分仍然駐留在Nand Flash中，需要時再從Nand Flash中進行加載,，從而大大減少開機讀取系統(tǒng)的時間,。同時，也不再需要為操作系統(tǒng)預留全尺寸的內存空間,，而只需預留最小開機核心部分的內存空間,，剩下的作為通用內存空間。這樣就使得操作系統(tǒng)內存的使用有了很大靈活性,，同時可用系統(tǒng)內存大大增加,。從而，在根本上達到了按需加載系統(tǒng)模塊到內存的要求,。這就是所謂的Multi-bin技術。
2 Windows CE .bin鏡像文件解析與下載
    由Windows CE的開發(fā)工具Platform Build編譯生成的Windows CE操作系統(tǒng)及Bootloader的鏡像文件主要有兩種格式類型：以.bin為文件名后綴的記錄型鏡像文件和以.nb0為后綴的原始型（raw）鏡像文件,。前者以記錄（Record）為單位組織鏡像的數(shù)據(jù),，后者則是鏡像在嵌入式系統(tǒng)中運行時的二進制數(shù)據(jù)快照。其中,，.bin文件是一個描述性質的鏡像文件,，它由文件頭(Head)、鏡像數(shù)據(jù)目的起始地址(ImageStart),、鏡像數(shù)據(jù)長度(ImageLength)和多條相對獨立的記錄（Record）構成,。本文以實現(xiàn)Multi-bin的操作系統(tǒng)xip.bin為例進行分析,，使用UltraEdit將其打開，如圖2所示,。

    從圖2可以看出,，文件頭(head)由7個字節(jié)組成，內容是：42 30 30 30 46 46 0A,，即“B000FF\x0A”,，這是判斷鏡像文件是.bin類型的依據(jù)。鏡像數(shù)據(jù)目的起始地址（ImageStart,，00 00 07 80）由4個字節(jié)組成,，它定義了鏡像文件解析后裝載在內存中的起始地址是0x80070000。鏡像數(shù)據(jù)長度(ImageLength,，68 07 13 02)也由4個字節(jié)組成,，它表示.bin鏡像文件解析后在內存中占用的總的存儲空間大小為（0x02130768）。每條記錄（Record）由4字節(jié)的起始存儲地址(RecordStart),、4字節(jié)的數(shù)據(jù)長度(RecordLength),、4字節(jié)的校驗碼(RecordCheckSum)和RecordLength個字節(jié)的記錄數(shù)據(jù)（RecordData）組成。以第一條記錄(陰影部分)為例,，分別為0x80070040,、0x00000008、0x000001E3和0X8007004C434543454,。
    由以上.bin的文件格式可知,，.bin文件不是內存程序空間的一個簡單的拷貝，所以它不能直接用串口燒寫進內存或FLASH空間來直接運行,，必須通過EBOOT按照.bin文件的格式解析出來具體的內容重新裝載后才能運行[4],。對于xip.bin的下載流程如圖3所示。

3 BinFS的實現(xiàn)
3.1 BinFS簡介
    二進制ROM映像文件系統(tǒng)（BinFS）是一個讀取由romimage.exe產生的二進制映像（.bin）文件格式的文件系統(tǒng),。BinFS可以分析每個區(qū)域（Region）中的.bin文件記錄,，這些.bin文件記錄，最終用戶是無法看見的,。.bin文件以特定的片段（Section）組織數(shù)據(jù),，每個片段包含一個片段頭，片段頭定義了這個片段的起始地址,、片段長度及校驗和,。Romimage.exe將以邏輯片段組織的數(shù)據(jù)寫到.bin文件中。
    本文所采用的硬件平臺使用Samsung K9F1208U0B 64 MB的DDR SDRAM作為程序運行的內存,，使用K9F-
1208UOM的64 MB Nand Flash作為保存Windows CE操作系統(tǒng)映像的存儲器,。由于使用的是64 MB的Nand Flash存儲器，而最終的Release(發(fā)布版)Windows CE操作系統(tǒng)映像的大小在32 MB左右[5]，因此,，如果將整個Flash存儲器只用來存儲操作系統(tǒng)映像文件,，將無疑是一種巨大的浪費。一種經濟,、合理的做法是將整個Flash分為兩部分,，一部分是BinFS文件系統(tǒng)，用于保存Windows CE操作系統(tǒng)的多個映像文件(支持Multi-bin),；另一部分為FAT文件系統(tǒng),，用于保存其他用戶文件。采用這種方法,，操作系統(tǒng)裁剪的越小,，留給用戶的存儲空間就越大[6]。這一方案的實現(xiàn)需要BinFS文件系統(tǒng)的支撐,。
3.2 BinFS的實現(xiàn)
    Bootloader管理著目標設備初始化,、下載運行時映像和引導運行時映像的啟動過程。在操作系統(tǒng)開發(fā)過程中,，使用Bootloader可以快速地將一個運行時映像下載到目標設備,，節(jié)約開發(fā)時間。如果Bootloader支持BinFS,，則這個Bootloader是可以分區(qū)和格式化的,，并且它可以把數(shù)據(jù)寫進存儲設備。
    為了實現(xiàn)這個分區(qū),，Bootloader使用bootpart.lib靜態(tài)庫函數(shù)產生一個BinFS分區(qū)和一個外部擴展分區(qū),。Bootpart支持庫將FMD的代碼從Bootloader中抽象出來，在進行分區(qū)時,，完成對Flash的低級格式化,。也可以通過指定字節(jié)的偏移完成對分區(qū)指定長度的讀或寫。
4 Multi-bin的實現(xiàn)
    Multi-bin是把內核映像分為“最小內核”（xipkernel.bin）與“系統(tǒng)其他文件”（本文中的nk.bin）,。在系統(tǒng)啟動時加載的是BinFS分區(qū)上的xipkernel部分,，它位于xip.bin的起始位置。
4.1 修改Config.bib file的內存段
    添加XIPKERNEL區(qū)域并且將它的存儲屬性設置為RAMIMAGE,。XIPKERNEL是一個并不存儲NK的文件,，這里可以將其看成最小系統(tǒng)。設置NK區(qū)域的存儲屬性為NANDIMAGE,，這將會阻止NK地址空間被分配為RAM地址,。CHAIN是實現(xiàn)Multi-bin的必須部分，其作用是通知系統(tǒng)各bin文件的位置,。
    當加載帶有BinFS的映像時，Nand Flash設備上的Windows CE kernel（內核）重定位到RAM區(qū)域,，當系統(tǒng)訪問該區(qū)域時,，BinFS負責訪問Nand Flash設備上相對應的位置,，并返回數(shù)據(jù)給系統(tǒng)。實際就是在Nand Flash設備上面實現(xiàn)了XIP（execute In place）的功能,。
    XIPKERNEL文件至少要包括下面的模塊：
    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）
    將上述模塊添加進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，同時標識出CHAIN區(qū)域起始地址XIPSCHAIN的值,。這個值要和MEMORY 段指定的值相匹配,。
4.3 在注冊表設置中添加相應的注冊表鍵值
    在本文中，XIP.bin映像文件被存放到Nand Flash存儲設備上,，為了讓其支持BinFS文件系統(tǒng),，需要在注冊表中的；HIVE BOOT SECTION和,；END HIVE BOOT SECTION兩條語句之間加入鍵值,。
    下面給出Nand Flash存儲設備在注冊表中的鍵值，其作用是將BinFS設定為默認的文件系統(tǒng),。
    [HKEY_LOCAL_MACHINE\System\StorageManager\Profiles\
NANDFLASH]
        "DefaultFileSystem"="BINFS"
        "PartitionDriver"="mspart.dll"
        "MountHidden"=dword:1
        "MountAsROM"=dword:1
        "Folder"="NandFlash"
        "Name"= "FLASH Disk Block Device"
    [HKEY_LOCAL_MACHINE\System\StorageManager\BinFS]
        "FriendlyName"="BIN Filesystem"
        "Dll"="binfs.dll"
        "Paging"=dword:1
4.4 生成與調試
    生成系統(tǒng)映像文件,，如圖4所示。

    選擇xip.bin文件并用EBOOT將其下載到硬件平臺中,，啟動系統(tǒng),。經過測試，系統(tǒng)的啟動時延縮短到8 s左右,。打開“我的設備”,，雙擊控制面板中的系統(tǒng)屬性，可以看見系統(tǒng)的可用內存增大為61 020 KB,。
    本文提出一種普遍適用于Windows CE 6.0操作系統(tǒng)的Multi-bin技術,。該技術的實現(xiàn)具有一定的通用性，不僅在Windows CE 6.0操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了減少開機啟動時延，而且節(jié)省了可觀的內存空間,，提高了用戶質量體驗（QoS）,。基于本文提出的原理和方法對使用Windows CE操作系統(tǒng)的同類硬件平臺(如ARM9,、ARM11)的開發(fā)也具有一定的參考價值,。
參考文獻
[1] 姜波.Windows Embedded CE 6.0程序設計實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.
[2] 李昊華,，鄭文曦.Windows CE中BootLoader啟動畫面的設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表,，2008(11).
[3] 張冬泉，譚南林.Windows CE開發(fā)實例精粹[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2008.
[4] 李大為.Windows CE工程實踐完全解析[M].北京：中國電力出版社,，2008.
[5] 友善之臂公司.ARM9 MINI2440用戶手冊[EB/OL]．2010， 04,，29.http：//www.arm123.com.cn/mini2440/mini2440-um-20100204.rar.
[6] 張冬泉,，譚南林，蘇樹強.WINDOWS CE實用開發(fā)技術（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社.2008.