基于Linux的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)

　　對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（Peer-to-Peer,P2P） 和自組織網(wǎng)絡(luò)（SelforganizationNetwork） 是目前國(guó)際計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有別于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的Client/Server 機(jī)制，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間不僅可以直接通信，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為中間節(jié)點(diǎn)為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，使本不能相互覆蓋的2 個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)傳輸。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，充分借鑒了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)。終端作為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體和業(yè)務(wù)的承載體，節(jié)點(diǎn)芯片是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)首先搭建網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的承載平臺(tái)，可移動(dòng)終端則成為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)芯片移動(dòng)性、數(shù)據(jù)傳輸、覆蓋范圍等性能的平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，基于ARM 處理器和嵌入式技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　適用于終端的嵌入式操作系統(tǒng)主要包括Symbian,Windows Mobile,PALM OS48 和Linux.由于Linux 具有源代碼的開(kāi)放性和內(nèi)核的可配置性等特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選擇內(nèi)核版本2.4 的Linux 作為終端的操作系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的移動(dòng)終端硬件平臺(tái)主要由ARM9 嵌入式處理器、射頻單元（RF）、存儲(chǔ)體、音頻處理、觸摸式液晶屏控制、鍵盤(pán)輸入和電源管理等單元構(gòu)成，并內(nèi)置以太網(wǎng)和USB 接口。其中，存儲(chǔ)體部分包含CPU 片內(nèi)FLASH、片內(nèi)SRAM、外置大頁(yè)面NandFLASH 以及高速低功耗PSRAM（Pseudo SRAM）。

　　BootLoader 是終端上電或復(fù)位之后先于操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行的引導(dǎo)程序。BootLoader 與硬件息息相關(guān)，硬件環(huán)境不同，BootLoader 也不同，要建立一個(gè)通用的BootLoader 幾乎是不可能的。基于該思路，本文重點(diǎn)闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)終端引導(dǎo)程序（BootLoader） 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　1 引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)流程

　　引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)流程包括系統(tǒng)配置、初始化與參數(shù)配置、裝載映像文件、內(nèi)核的引導(dǎo)及系統(tǒng)初始化、Linux 內(nèi)核啟動(dòng)。

　　程序設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言與C 語(yǔ)言混合方式：其中，匯編部分實(shí)現(xiàn)CPU 的初始化、存儲(chǔ)空間初始化等；C 語(yǔ)言部分則完成加載模式的判決、內(nèi)核映像文件裝載等，圖1 所示是其工作流程圖。引導(dǎo)程序支持加載模式和下載模式兩種工作模式，其中，啟動(dòng)加載為默認(rèn)模式。

　　1.1 系統(tǒng)配置

　　系統(tǒng)配置包括終端硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)芯片驅(qū)動(dòng)程序、大頁(yè)面Flash 的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)啟動(dòng)方式選擇、Linux 內(nèi)核和文件系統(tǒng)映像文件的編譯、內(nèi)核加載方式配置、存儲(chǔ)空間配置等工作。編譯完成的引導(dǎo)程序和映像文件可燒寫(xiě)至外部Nand Flash.重新上電后，根據(jù)配置管腳的狀態(tài)，處理器自動(dòng)將引導(dǎo)程序的啟動(dòng)代碼從Nand Flash 前4 KB 空間拷貝到處理器Nand Flash 控制器內(nèi)置SRAM（Steppingstone） 中運(yùn)行，同時(shí)引導(dǎo)完成系統(tǒng)的初始化和鏡像文件的加載。

　1.2 硬件系統(tǒng)初始化與參數(shù)配置階段

　　該階段工作是完成系統(tǒng)硬件部分的初始化，包括屏蔽所有的中斷、設(shè)置CPU 速度和時(shí)鐘頻率、存儲(chǔ)體初始化、NandFlash 初始化、GPIO 端口和UART 初始化、關(guān)閉CPU 內(nèi)部指令/ 數(shù)據(jù)Cache（ 如CPU 不具備內(nèi)部的數(shù)據(jù)/ 指令Cache,其相關(guān)的函數(shù)返回值為0）、定義程序的入口地址等。

　　1.3 裝載映像文件

　　在PSRAM 中分配128 KB 的單元作為Ramdisk 系統(tǒng)，作為可讀寫(xiě)數(shù)據(jù)段，建立一個(gè)內(nèi)核的運(yùn)行環(huán)境。然后將Flash中的映像文件裝載到內(nèi)存中，該內(nèi)存單元作為Romdisk 系統(tǒng)直接運(yùn)行內(nèi)核。同時(shí)需要將該單元保護(hù)起來(lái)，避免誤操作或其他非法指令和地址修改內(nèi)核部分的代碼。

　　操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序構(gòu)成的映像文件有兩種裝載模式：Flash-resident Image 和Flash-based Image.前一種是引導(dǎo)程序，僅僅把Image 文件中的數(shù)據(jù)段（data + bss） 復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)存中，代碼段（text） 在Romdisk 中直接運(yùn)行；后一種則是引導(dǎo)程序把Image 完全復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)存中執(zhí)行，包括Image 中的代碼段（text） 和數(shù)據(jù)段（data+bss）。

　　1.4 內(nèi)核的引導(dǎo)及系統(tǒng)初始化上述步驟完成之后，程序計(jì)數(shù)器指針（PC） 跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核起始地址處，完成內(nèi)核解壓、安裝及其環(huán)境參數(shù)配置。設(shè)置體系結(jié)構(gòu)環(huán)境，進(jìn)行命令參數(shù)的解析，設(shè)置中斷和異常向量表，進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度器、定時(shí)器、控制臺(tái)的配置，Cache 初始化、內(nèi)存頁(yè)面初始化、設(shè)備初始化等。操作系統(tǒng)的初始化還包含文件系統(tǒng)的安裝，如Ext2 文件系統(tǒng)、管理Nand Flash 的JFFS2文件系統(tǒng)。

　　1.5 Linux 內(nèi)核的啟動(dòng)

　　引導(dǎo)程序引導(dǎo)完成后釋放對(duì)硬件系統(tǒng)的控制權(quán)，轉(zhuǎn)交給Linux 操作系統(tǒng)，并釋放清除使用過(guò)的臨時(shí)內(nèi)存，然后跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核（kernel） 的第1 條指令地址，啟動(dòng)Linux 操作系統(tǒng)，執(zhí)行/etc 目錄下的用戶(hù)系統(tǒng)配置信息，準(zhǔn)備系統(tǒng)應(yīng)用程序的使用環(huán)境。

　　2 引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　引導(dǎo)程序的實(shí)現(xiàn)包括4 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的配置：內(nèi)存規(guī)劃，堆棧分配，中斷向量配置及Nand Flash 讀寫(xiě)操作。

　　2.1 內(nèi)存規(guī)劃

　　內(nèi)存規(guī)劃包括兩個(gè)方面：第一是內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍；第二是根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍以及應(yīng)用程序和程序申請(qǐng)的緩沖區(qū)所占用的內(nèi)存。對(duì)于內(nèi)核文件，將其拷貝到從RAM_BASE（MEM_START+0×8000） 這個(gè)基地址開(kāi)始的大約1 MB 的內(nèi)存范圍內(nèi)，以MEM_START 為基址的前32 KB 內(nèi)存需要空出，讓Linux 內(nèi)核放置一些全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如啟動(dòng)參數(shù)和內(nèi)核頁(yè)表等信息。根文件系統(tǒng)映像文件則將其拷貝到以MEM_START+0×100000 為基址的內(nèi)存中（ 采用Ramdisk 作為根文件的系統(tǒng)映像，其解壓后的大小一般為1 MB）。

　　2.2 堆棧分配

　　ARM 有7 種工作執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧配置都是獨(dú)立的，所以，對(duì)程序中需要用到的每一種模式都要為堆棧指針SP（Stack Pointer） 定義一個(gè)堆棧地址，使其指向該運(yùn)行模式的?？臻g。這樣，當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要保護(hù)的寄存器放入SP 所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時(shí)，則從對(duì)應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。改變程序狀態(tài)寄存器（CPSR） 內(nèi)的狀態(tài)位（ 低5 位） 可使處理器切換到不同的工作狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)使用中斷和異常的情況，可能需要初始化部分或全部堆棧指針寄存器。本文的堆棧配置包括外部中斷模式、快速中斷模式、系統(tǒng)調(diào)試模式、未定義指令模式、系統(tǒng)模式和用戶(hù)模式。其中，外部中斷模式棧配置程序如下：

　　InitStack

　　MOV R0,LR

　　MSR CPSR_c,#0xd2// 設(shè)置外部中斷模式堆棧

　　LDR SP,StackIrq

　　MOV PC,R0

　　…

　　St a ckSvc DCD SvcSt a ckSpa c e+（SVC_ STACK_

　　LEGTH-1）*4

　　St a c k I r q DCD I r qSt a c k Sp a c e + （ IRQ _

　　STACK_LEGTH-1）*4

　　…

　　SvcStackSpace SPACE SVC_STACK_LEGTH*4// 管理模式堆?？臻g

　　IrqStackSpace SPACE IRQ_STACK_LEGTH*4// 中斷模式堆?？臻g

　　…

　　對(duì)管理模式堆棧而言，SP 的值由SvcStackSpace 的地址加上SVC_STACK_LEGTH 的大小而定。系統(tǒng)所有的堆棧均位于系統(tǒng)運(yùn)行空間PSRAM中?？赏ㄟ^(guò)外部輸入命令的方式切換工作模式，并通過(guò)查看特殊寄存器的內(nèi)容幫助診斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本文提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可移動(dòng)終端引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)方法，從實(shí)際調(diào)試看，Linux 版本號(hào)、CPU 識(shí)別信息、時(shí)鐘配置、內(nèi)存空間配置以及外設(shè)初始化信息等顯示全部正確，表明了采用該方法設(shè)計(jì)的引導(dǎo)程序能夠成功地運(yùn)行于自主設(shè)計(jì)的無(wú)線移動(dòng)終端硬件平臺(tái)上，完成了映像文件的加載、解壓，操作系統(tǒng)能夠開(kāi)始正常運(yùn)行。