本文通過(guò)一個(gè)真實(shí)的嵌入式項(xiàng)目進(jìn)行說(shuō)明。文中的嵌入式系統(tǒng)用的是arm處理器+WinCE平臺(tái)，項(xiàng)目的目的是要把WinCE平臺(tái)從舊版本移植到WinCE6.0平臺(tái)上。但結(jié)果是這個(gè)WinCE系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)失敗，而且每次失敗的原因都莫明其妙和不盡相同。這使到我們開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)每個(gè)人在啟動(dòng)WinCE系統(tǒng)時(shí)都心驚肉跳，非常擔(dān)心系統(tǒng)又再一次出現(xiàn)讓人意想不到的失敗。這種頻繁的啟動(dòng)失敗對(duì)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)顯然是一種讓人難以忍受的折磨。
為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？經(jīng)過(guò)幾個(gè)晚上通宵達(dá)旦的加班分析和研究，原來(lái)主因是系統(tǒng)的引導(dǎo)過(guò)程、內(nèi)核加載過(guò)程、OAL啟動(dòng)過(guò)程和硬件驅(qū)動(dòng)加載過(guò)程時(shí)都存在可能導(dǎo)致的失敗的隱憂。本文通過(guò)對(duì)以上因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決辦法。但由于WinCE啟動(dòng)失敗會(huì)非常取決于硬件平臺(tái)，因此在具體應(yīng)用時(shí)需要綜合考慮和分析。
一．什么是WinCE啟動(dòng)過(guò)程？
WinCE系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)一般需要三個(gè)基本元素：引導(dǎo)初始化、內(nèi)核加載和OAL初始化等。它們的作用是要完成引導(dǎo)過(guò)程的初始化和操作系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的初始化。其中引導(dǎo)初始化是由引導(dǎo)工具BootLoader完成，主要是完成板級(jí)、片級(jí)的初始化。例如，通過(guò)設(shè)置寄存器來(lái)完成硬件的初始化，如設(shè)置時(shí)鐘、設(shè)置中斷控制寄存器、完成內(nèi)存映射和初始化MMU的工作方式等。內(nèi)核加載是指將操作系統(tǒng)內(nèi)核映像從只讀存儲(chǔ)器加載或者拷貝到系統(tǒng)的RAM中并執(zhí)行。OAL（OEM Adaption Layer，即原始設(shè)備制造商適配層）是位于操作系統(tǒng)的內(nèi)核與硬件之間的適配層，也是連接系統(tǒng)內(nèi)核與硬件的樞紐，它具有屏蔽硬件設(shè)備細(xì)節(jié)以及抽象硬件功能的作用。而OAL初始化則是指通過(guò)一組函數(shù)來(lái)體現(xiàn)出0AL屏蔽和抽象硬件設(shè)備的作用。
此外，如果要WinCE系統(tǒng)成為完整的操作系統(tǒng)，還得加上硬件驅(qū)動(dòng)程序、硬件接口程序和應(yīng)用程序組。因此，即使在一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)里，WinCE系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)是需要加載內(nèi)核和加載許多組件或驅(qū)動(dòng)程序。
現(xiàn)在讓我們來(lái)看看WinCE系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)調(diào)用函數(shù)的順序：①CPU執(zhí)行引導(dǎo)向量，跳轉(zhuǎn)到硬件初始化代碼，即Startup函數(shù)。②在start up函數(shù)完成最小硬件環(huán)境初始化后跳轉(zhuǎn)到KernelStart函數(shù)，來(lái)對(duì)內(nèi)核進(jìn)行初始化。③Kernelstart函數(shù)調(diào)用OEMInitDebugSerial完成對(duì)調(diào)試串口的初始化；同時(shí)調(diào)用0EMInit函數(shù)來(lái)完成硬件初始化工作以及設(shè)置時(shí)鐘、中斷；最后，調(diào)用OEMGetExtensionDRAM函數(shù)來(lái)判斷是否還有另外一塊DRAM。至此，內(nèi)核加載完畢。由此可見(jiàn)，WinCE系統(tǒng)啟動(dòng)的重中之重是Startup函數(shù)的正確加載，如果這個(gè)Startup函數(shù)調(diào)用失敗，則會(huì)使到系統(tǒng)在啟動(dòng)頻繁出錯(cuò)。WinCE啟動(dòng)時(shí)調(diào)用函數(shù)順序如下圖所示:
因此，WinCE啟動(dòng)失敗可能會(huì)存在于引導(dǎo)初始化失敗、內(nèi)核加載失敗、0AL函數(shù)初始化失敗、驅(qū)動(dòng)程序加載失敗、組件加載失敗和應(yīng)用程序加載失敗。也就是說(shuō)，WinCE啟動(dòng)失敗一方面可能是在Startup函數(shù)的處理上，例如引導(dǎo)初始化和OAL初始化。另一方面還存在于驅(qū)動(dòng)程序和組件自啟動(dòng)的失敗上，例如基本的驅(qū)動(dòng)程序、注冊(cè)表配置或自運(yùn)行的程序等。
就不能被使用。所以，當(dāng)注冊(cè)表在啟動(dòng)時(shí)加載錯(cuò)誤或者注冊(cè)表配置有錯(cuò)誤時(shí)，也是會(huì)導(dǎo)致WinCE系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的。
二．導(dǎo)致WinCE啟動(dòng)失敗的主因分析
Windows CE在啟動(dòng)時(shí)為什么會(huì)失敗呢？這個(gè)問(wèn)題也一直讓我頭痛。因?yàn)閃indows CE啟動(dòng)失敗既有軟件因素，也有硬件因素。例如，可能是WinCE的啟動(dòng)引導(dǎo)過(guò)程有問(wèn)題、也許是內(nèi)核加載時(shí)有問(wèn)題、也許是OAL函數(shù)調(diào)用的隱性問(wèn)題或者硬件設(shè)備本身的問(wèn)題造成的。所以，解決起來(lái)比較麻煩和比較耗時(shí)間，也是最讓我們頭疼的事情。
一般來(lái)說(shuō)，解決和分析WinCE啟動(dòng)失敗有一個(gè)原則，就是"先軟后硬"的原則，也就是說(shuō)要先分析軟件因素再到硬件因素。本文主要是在arm微處理器和Windows CE 6.0平臺(tái)上進(jìn)行分析軟件因素造成的失敗。
（1）引導(dǎo)程序BootLoader導(dǎo)致的失敗
在Windows CE系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)由BootLoader來(lái)完成，BootLoader是在WinCE內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖和初始化MMU等。從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境。因此，只有在引導(dǎo)程序正確的完成自己的任務(wù)后，才會(huì)將控制權(quán)移交給內(nèi)核。
在WinCE平臺(tái)上，引導(dǎo)裝載程序是在硬件上執(zhí)行的第一段代碼，通常將引導(dǎo)程序放置在不易丟失的存儲(chǔ)器的開(kāi)始地址或者是系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)PC寄存器的初始值。如果這段小程序代碼編寫(xiě)錯(cuò)誤，則系統(tǒng)無(wú)法完成第一步的引導(dǎo)操作，這是導(dǎo)致啟動(dòng)系統(tǒng)失敗的第一個(gè)因素。
①BootLoader初始化硬件失敗
BootLoader第一個(gè)功能是要實(shí)現(xiàn)板級(jí)和片級(jí)初始化硬件，主要是把CPU初始化到一已知狀態(tài)。在BootLoader目錄下，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些.s文件，可能會(huì)是init.s或者是reset.s等，這樣的文件是CPU加電后最先執(zhí)行的代碼。StartUp 函數(shù)是BootLoader的入口函數(shù)。該函數(shù)一般是使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，與CPU關(guān)系非常緊密，能完成初始化CPU、內(nèi)存等核心硬件。然后，BootLoader在平臺(tái)初始化完畢后就可以在不用人工干預(yù)的情況下自動(dòng)加載WinCE內(nèi)核了。但如果BootLoader在初始化硬件時(shí)失敗，就會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)的啟動(dòng)失敗了。
②BootLoader加載內(nèi)核時(shí)失敗
一般在平臺(tái)調(diào)試完畢后，BootLoader就會(huì)加載WinCE內(nèi)核映像，這也是BootLoader的功能之一。WinCE內(nèi)核映像文件通常叫做nk.bin，它是Windows CE二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式文件，不僅包含了有效的程序代碼，還有按照一定規(guī)則加入的控制信息。
在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)BootLoader可以通過(guò)兩種不同的方式來(lái)加載WinCE內(nèi)核文件nk.bin。一種是下載模式，另一種是本地啟動(dòng)模式。本地啟動(dòng)模式也稱為自主模式，即 BootLoader 從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶的介入。而下載模式則是目標(biāo)機(jī)上的 BootLoader 將通過(guò)串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載文件。當(dāng)BootLoader正確的把nk.bin解壓到RAM后，就會(huì)把CPU控制權(quán)交給CE內(nèi)核。因此，如果Boot Loader處理不當(dāng)，就可能會(huì)造成加載和解壓nk.bin文件的失敗，這樣自然也就會(huì)造成系統(tǒng)啟動(dòng)的失敗了。
（2）OAL導(dǎo)致的啟動(dòng)失敗
OAL（OEM Adaptation Layer）是指OEM 適配層，它是位于Windows CE內(nèi)核和硬件之間的一層適配層，是OAL各個(gè)模塊代碼被編譯后（.lib）和其它內(nèi)核庫(kù)鏈接到一起形成Windows CE的內(nèi)核可執(zhí)行文檔NK.EXE。OAL包括了和系統(tǒng)硬件通訊的最底層代碼，內(nèi)核是通過(guò)OAL跟硬件進(jìn)行交互。邏輯上，OAL是介于CE內(nèi)核和設(shè)備硬件之間的一個(gè)代碼層，是一個(gè)抽象的概念。物理上，OAL和其它一些庫(kù)一起鏈接成可執(zhí)行文件。
與以前的Win CE舊版本不同的是，在Win CE 6.0中內(nèi)核（Kenerl）和OEM代碼被分成oal.exe、kernel.dll和kitl.dll三個(gè)部分，其中啟動(dòng)代碼（startup）和 OAL層的實(shí)現(xiàn)部分不再與內(nèi)核鏈接生成NK.exe，取而代之的是啟動(dòng)代碼（startup）和硬件相關(guān)且獨(dú)立于內(nèi)核的OAL層的實(shí)現(xiàn)部分編譯成 oal.exe；而與內(nèi)核相關(guān)且獨(dú)立于硬件的OAL層代碼包含在kernel.dll中，內(nèi)核無(wú)關(guān)傳輸層（KITL）的支持代碼從OAL層分離出來(lái)編譯成 kitl.dll。因此，WinCE6.0的啟動(dòng)只與oal.exe和kernel.dll有關(guān)。至于kitl.dll，只有將操作系統(tǒng)編譯成具有 KITL功能時(shí)才用到。這樣做的好處是可以單獨(dú)升級(jí)OAL，但整體的OAL結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變。
①OAL初始化硬件時(shí)失敗
oal.exe是通過(guò)Startup函數(shù)來(lái)完成硬件的初始化。一般來(lái)說(shuō)，OAL的啟動(dòng)代碼（Startup.s）與該硬件平臺(tái)的Bootloader的啟動(dòng)代碼（Startup.s）是可以共享的。例如，其中PreInit 函數(shù)主要完成將arm處理器工作模式切換到管理員模式，同時(shí)關(guān)閉MMU，并檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)原因。如果是熱啟動(dòng)，即在該函數(shù)調(diào)用之前已經(jīng)啟動(dòng)過(guò) Bootloader的啟動(dòng)代碼（Startup.s），相當(dāng)基本硬件初始化已經(jīng)完成，則可直接跳轉(zhuǎn)到OALStartUp函數(shù)中；否則需要進(jìn)行硬件中斷屏蔽、內(nèi)存、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、電源管理等硬件的基本初始化過(guò)程。
在StartUp 函數(shù)初始化CPU等核心硬件并跳轉(zhuǎn)到Main函數(shù)后，系統(tǒng)就會(huì)轉(zhuǎn)入C語(yǔ)言代碼執(zhí)行環(huán)境。這時(shí)Main函數(shù)分為3個(gè)模塊：BLCOMMON、Download Function、FLASH Function。其中BLCOMMON模塊是由微軟提供的，執(zhí)行一些邏輯上的功能。而Download Function、FLASH Function中的函數(shù)與硬件平臺(tái)息息相關(guān)。因此，對(duì)于每種硬件平臺(tái)都要將函數(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行適當(dāng)修改，這種修改是需要對(duì)硬件非常熟悉的。當(dāng)修改出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)失敗了。
在硬件平臺(tái)初始化完成后，oal.exe的啟動(dòng)任務(wù)基本完成，余下的啟動(dòng)工作由內(nèi)核相關(guān)且獨(dú)立于內(nèi)核的OAL層實(shí)現(xiàn)體kernel.dll接管。也就是說(shuō)，這時(shí)Startup會(huì)調(diào)用OALStartUp函數(shù)，OALStartUp函數(shù)主要完成將OEMAddressTable表傳遞給內(nèi)核，然后調(diào)用KernelStart函數(shù)跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核。因此，如果此時(shí)OAL的啟動(dòng)Startup函數(shù)調(diào)用失敗的話，就也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的啟動(dòng)失敗了。
這里需要特別注意的是，Bootloader和OAL中均包含啟動(dòng)Startup函數(shù)。它的功能大致相同，都是要初始化最小硬件環(huán)境。Bootloader的啟動(dòng)Startup函數(shù)是在為自己的執(zhí)行準(zhǔn)備硬件環(huán)境，OAL的啟動(dòng)Startup函數(shù)則是為kernel的執(zhí)行準(zhǔn)備硬件環(huán)境。由于這兩種硬件環(huán)境要求基本相同，所以它們的代碼也有很大部分可以相互借鑒。但應(yīng)該明白Bootloader與OAL在物理上是獨(dú)立的，它們并不是同一段代碼。當(dāng)然，如果可以確定這一部分在Bootloader已經(jīng)初始化過(guò)如熱啟動(dòng)，則在OAL中不必重復(fù)執(zhí)行。
②OAL入口位置定位失誤導(dǎo)致的失敗
從上述WinCE啟動(dòng)流程可知，在OAL初始化硬件后而在內(nèi)核啟動(dòng)前，系統(tǒng)是需要調(diào)用KernelStart函數(shù)來(lái)跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核。因此，這里有一個(gè)要點(diǎn)，就是WinCE需要找到OAL的入口位置，然后才能調(diào)用入口函數(shù)與全局塊進(jìn)行指針交換，這樣內(nèi)核才能使用OAL層中的信息，同樣OAL層也才能訪問(wèn)內(nèi)核（kernel）導(dǎo)出的函數(shù)。
OAL入口位置函數(shù)的調(diào)用實(shí)際上是通過(guò)OEMGLOBAL結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際調(diào)用位置為OEMInitDebugSerial和OEMInit。也就是說(shuō)，OEMGLOBAL結(jié)構(gòu)體構(gòu)建了內(nèi)核和OAL層之間進(jìn)行通信的橋梁。OEMGLOBAL結(jié)構(gòu)體定義了OAL層所有必須的函數(shù)，該結(jié)構(gòu)體在oemglobal.c文件中被初始化，并會(huì)被編譯在OEMMain.lib和 OEMMain_StaticKITL.lib兩個(gè)庫(kù)中。如果OAL鏈接這兩個(gè)庫(kù)，則必須要有正確的該結(jié)構(gòu)體的函數(shù)實(shí)現(xiàn)體，同時(shí)還需要調(diào)用ARMSetup來(lái)設(shè)置物理地址和非緩沖的虛擬內(nèi)存地址的映像、arm中斷向量以及內(nèi)核模式所需要的堆棧、調(diào)用OEMInitDebugSerial函數(shù)初始化調(diào)試串口、調(diào)用OEMInit進(jìn)行平臺(tái)初始化等。否則，如果OAL入口位置函數(shù)有誤，則內(nèi)核和OAL層之間的訪問(wèn)就會(huì)失敗，也就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)出錯(cuò)和失敗。
三．導(dǎo)致的WinCE啟動(dòng)失敗的其它相關(guān)因素
（1）驅(qū)動(dòng)程序加載錯(cuò)誤導(dǎo)致的失敗
在調(diào)試中，我們還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行到OEMInit時(shí)也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)調(diào)用OEMInit運(yùn)行完成之后，就會(huì)跳回Private或Public下的代碼繼續(xù)運(yùn)行，然后再啟動(dòng)device.exe加載各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。由于這一段代碼是微軟提供的default代碼，基本上不會(huì)有問(wèn)題。所以，我們就有理由懷疑如果加載的驅(qū)動(dòng)程序出了問(wèn)題，是也會(huì)造成系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的。一般來(lái)說(shuō)，這些加載的驅(qū)動(dòng)程序主要是 BSP中的Audio、Display、SDMMC、Serial、USB等。
（2）啟動(dòng)時(shí)加載配置有誤的注冊(cè)表導(dǎo)致的失敗
在WinCE中注冊(cè)表在啟動(dòng)過(guò)程中也扮演著非常重要的角色。與桌面Windows一樣，WinCE注冊(cè)表（Registry）也是一個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),用來(lái)保存應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序、用戶的設(shè)定以及其它一些系統(tǒng)的配置信息，通常還存儲(chǔ)著操作系統(tǒng)運(yùn)作和調(diào)用程序的狀態(tài)信息。例如，每個(gè)用戶的配置文件、安裝的應(yīng)用程序以及每個(gè)應(yīng)用程序可以創(chuàng)建的文檔類型、文件夾和應(yīng)用程序圖標(biāo)的屬性表設(shè)置、系統(tǒng)上存在哪些硬件以及正在使用哪些端口等。
因此，對(duì)于硬件外設(shè)來(lái)說(shuō)注冊(cè)表是一個(gè)記錄驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置和位置的數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)WinCE系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)需要啟動(dòng)某些必要的硬件設(shè)備時(shí)，就會(huì)需要使用外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序。但如果在WinCE中這個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)是獨(dú)立于操作系統(tǒng)的，WinCE系統(tǒng)就需要知道從哪里找到它們，例如文件名、版本號(hào)、其它設(shè)置和信息。因此，注冊(cè)表上沒(méi)有此設(shè)備的記錄時(shí)，它們就不能被使用。所以，當(dāng)注冊(cè)表在啟動(dòng)時(shí)加載錯(cuò)誤或者注冊(cè)表配置有錯(cuò)誤時(shí)，也是會(huì)導(dǎo)致WinCE系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的。