針對無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(diào)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。

　　0 引言

　　對等網(wǎng)絡（Peer-to-Peer,P2P） 和自組織網(wǎng)絡（SelforganizationNetwork） 是目前國際計算機網(wǎng)絡技術領域的研究熱點，有別于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的Client/Server 機制，對等網(wǎng)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(wǎng)絡節(jié)點之間實現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)傳輸。

　　無線傳感器網(wǎng)絡作為新一代的傳感器網(wǎng)絡，充分借鑒了對等網(wǎng)絡技術和自組織網(wǎng)絡技術的特點。終端作為網(wǎng)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(wǎng)絡的基礎，網(wǎng)絡及其關鍵技術的研究應首先搭建網(wǎng)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(wǎng)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(nèi)核的可配置性等特點，因此本設計選擇內(nèi)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(nèi)置以太網(wǎng)和USB 接口。其中，存儲體部分包含CPU 片內(nèi)FLASH、片內(nèi)SRAM、外置大頁面NandFLASH 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(nèi)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。基于該思路，本文重點闡述了無線傳感器網(wǎng)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(nèi)核的引導及系統(tǒng)初始化、Linux 內(nèi)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(nèi)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。

　　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(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(nèi)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、NandFlash 初始化、GPIO 端口和UART 初始化、關閉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(nèi)核的運行環(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)直接運行內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(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(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(diào)度器、定時器、控制臺的配置，Cache 初始化、內(nèi)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(nèi)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(nèi)存，然后跳轉到操作系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)存規(guī)劃，堆棧分配，中斷向量配置及Nand Flash 讀寫操作。

　　2.1 內(nèi)存規(guī)劃

　　內(nèi)存規(guī)劃包括兩個方面：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)存范圍以及應用程序和程序申請的緩沖區(qū)所占用的內(nèi)存。對于內(nèi)核文件，將其拷貝到從RAM_BASE（MEM_START+0×8000） 這個基地址開始的大約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)核放置一些全局數(shù)據(jù)結構，如啟動參數(shù)和內(nèi)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+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?？臻g。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(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

　　…

　　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// 管理模式堆棧空間

　　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?？赏ㄟ^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(nèi)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(wǎng)絡可移動終端引導程序的設計方法，從實際調(diào)試看，Linux 版本號、CPU 識別信息、時鐘配置、內(nèi)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。