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[導讀]摘 要:針對無線傳感器網絡的結構特點及對無線可移動終端的需求,分析了Linux操作系統(tǒng)的啟動過程,提出了無線傳 感器網絡可移動終端引導程序的設計方法,并對引導程序實現(xiàn)的4個關鍵環(huán)節(jié)的配置和設計進行了說明。實際調試結果表明: 引導程序可成功地運行在自主設計的無線終端硬件平臺上。

引言

對等網絡(Peer-to-Peer, P2P)和自組織網絡(Selforganization Network)是目前國際計算機網絡技術領域的研究 熱點,有別于傳統(tǒng)通信網絡的Client/Server機制,對等網絡 節(jié)點之間不僅可以直接通信,而且每個節(jié)點都可作為中間節(jié)點 為其他節(jié)點提供服務,使本不能相互覆蓋的2個或多個網絡節(jié) 點之間實現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)傳輸。

無線傳感器網絡作為新一代的傳感器網絡,充分借鑒了 對等網絡技術和自組織網絡技術的特點。終端作為網絡的實體 和業(yè)務的承載體,節(jié)點芯片是整個無線傳感器網絡的基礎,網 絡及其關鍵技術的研究應首先搭建網絡和業(yè)務的承載平臺,可 移動終端則成為驗證節(jié)點芯片移動性、數(shù)據(jù)傳輸、覆蓋范圍 等性能的平臺。在實際應用中,基于ARM處理器和嵌入式技 術的無線傳感器網絡系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護等領域得到 了廣泛的應用。

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 具有源代碼的開放性和內核的可配置性等特點,因此本設計選擇 內核版本2.4的Linux作為終端的操作系統(tǒng)。所設計的移動 終端硬件平臺主要由ARM9嵌入式處理器、射頻單元(RF)、存儲體、音頻處理、觸摸式液晶屏控制、鍵盤輸入和電源管 理等單元構成,并內置以太網和USB接口。其中,存儲體部 分包含CPU片內FLASH、片內SRAM、外置大頁面Nand FLASH 以及高速低功耗 PSRAM(Pseudo SRAM)。

BootLoader是終端上電或復位之后先于操作系統(tǒng)內核運 行的引導程序。BootLoader與硬件息息相關,硬件環(huán)境不同,BootLoader也不同,要建立一個通用的BootLoader幾乎是不 可能的?;谠撍悸?,本文重點闡述了無線傳感器網絡移動終 端引導程序(BootLoader)的設計實現(xiàn)。

1引導程序設計流程

引導程序設計流程包括系統(tǒng)配置、初始化與參數(shù)配置、裝載映像文件、內核的引導及系統(tǒng)初始化、Linux內核啟動。程序設計采用匯編語言與C語言混合方式:其中,匯編部分 實現(xiàn)CPU的初始化、存儲空間初始化等;C語言部分則完成 加載模式的判決、內核映像文件裝載等,圖1所示是其工作流 程圖。引導程序支持加載模式和下載模式兩種工作模式,其中,啟動加載為默認模式。

基于Linux的無線傳感器網絡引導程序的設計

1.1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置包括終端硬件平臺設計、節(jié)點芯片驅動程序、大頁面Flash的驅動程序設計、系統(tǒng)啟動方式選擇、Linux內 核和文件系統(tǒng)映像文件的編譯、內核加載方式配置、存儲空 間配置等工作。編譯完成的引導程序和映像文件可燒寫至外 部Nand Flash。重新上電后,根據(jù)配置管腳的狀態(tài),處理器 自動將引導程序的啟動代碼從Nand Flash前4 KB空間拷貝到 處理器Nand Flash控制器內置SRAM(Steppingstone)中運行, 同時引導完成系統(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、設置CPU速度和時鐘頻率、存儲體初始化、Nand Flash初始化、GPIO端口和UART初始化、關閉CPU內部指 令/數(shù)據(jù)Cache(如CPU不具備內部的數(shù)據(jù)/指令Cache,其 相關的函數(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),作為可讀寫數(shù)據(jù)段,建立一個內核的運行環(huán)境。然后將Flash 中的映像文件裝載到內存中,該內存單元作為Romdisk系統(tǒng) 直接運行內核。同時需要將該單元保護起來,避免誤操作或 其他非法指令和地址修改內核部分的代碼。

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

1.4內核的引導及系統(tǒng)初始化

上述步驟完成之后,程序計數(shù)器指針(PC)跳轉到內核起 始地址處,完成內核解壓、安裝及其環(huán)境參數(shù)配置。設置體 系結構環(huán)境,進行命令參數(shù)的解析,設置中斷和異常向量表, 進行進程調度器、定時器、控制臺的配置,Cache初始化、內 存頁面初始化、設備初始化等。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內核的啟動

引導程序引導完成后釋放對硬件系統(tǒng)的控制權,轉交給 Linux操作系統(tǒng),并釋放清除使用過的臨時內存,然后跳轉到 操作系統(tǒng)內核(kernel)的第1條指令地址,啟動Linux操作系 統(tǒng),執(zhí)行/etc目錄下的用戶系統(tǒng)配置信息,準備系統(tǒng)應用程序 的使用環(huán)境。

2引導程序設計實現(xiàn)

引導程序的實現(xiàn)包括4個關鍵環(huán)節(jié)的配置:內存規(guī)劃, 堆棧分配,中斷向量配置及Nand Flash讀寫操作。

2.1內存規(guī)劃

內存規(guī)劃包括兩個方面:第一是內核映像所占用的內存 范圍;第二是根文件系統(tǒng)所占用的內存范圍以及應用程序和程 序申請的緩沖區(qū)所占用的內存。對于內核文件,將其拷貝到從 RAM_BASE(MEM_START+0x8000)這個基地址開始的大約 1 MB的內存范圍內,以MEM_START為基址的前32 KB內 存需要空出,讓Linux內核放置一些全局數(shù)據(jù)結構,如啟動 參數(shù)和內核頁表等信息。根文件系統(tǒng)映像文件則將其拷貝到以 MEM_START+0x100000為基址的內存中(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 是獨立的,所以,對程序中需要用到的每一種模式都要為堆 棧指針SP(Stack Pointer)定義一個堆棧地址,使其指向該運行 模式的棧空間。這樣,當程序的運行進入異常模式時,可以 將需要保護的寄存器放入SP所指向的堆棧,而當程序從異常 模式返回時,則從對應的堆棧中恢復,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 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)調試模式、未定義指令模式、系統(tǒng)模式和用戶 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//設置外部中斷模式堆棧

LDR SP,StackIrq

MOV PC,R0

StackSvc DCD SvcStackSpace+(SVC_STACK_ LEGTH-1)*4

StackIrq DCD IrqStackSpace+(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)運行空間PSRAM中。可通過外部輸入命令的方式 切換工作模式,并通過查看特殊寄存器的內容幫助診斷系統(tǒng) 運行狀態(tài)。

3結語

本文提出無線傳感器網絡可移動終端引導程序的設計方 法,從實際調試看,Linux版本號、CPU識別信息、時鐘配置、內存空間配置以及外設初始化信息等顯示全部正確,表明了采 用該方法設計的引導程序能夠成功地運行于自主設計的無線 移動終端硬件平臺上,完成了映像文件的加載、解壓,操作系 統(tǒng)能夠開始正常運行。

20211021_61703da9ca7c6__基于Linux的無線傳感器網絡引導程序的設計

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