基于Linux的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )引導程序的設計

　　對等網(wǎng)絡(luò )（Peer-to-Peer,P2P） 和自組織網(wǎng)絡(luò )（SelforganizationNetwork） 是目前國際計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有別于傳統通信網(wǎng)絡(luò )的Client/Server 機制，對等網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間不僅可以直接通信，而且每個(gè)節點(diǎn)都可作為中間節點(diǎn)為其他節點(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 )節點(diǎn)之間實(shí)現通信與數據傳輸。

　　無(wú)線(xiàn)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，節點(diǎn)芯片是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎，網(wǎng)絡(luò )及其關(guān)鍵技術(shù)的研究應首先搭建網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)的承載平臺，可移動(dòng)終端則成為驗證節點(diǎn)芯片移動(dòng)性、數據傳輸、覆蓋范圍等性能的平臺。在實(shí)際應用中，基于A(yíng)RM 處理器和嵌入式技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統在環(huán)境監測、醫療監護等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

　　適用于終端的嵌入式操作系統主要包括Symbian,Windows Mobile,PALM OS48 和Linux.由于Linux 具有源代碼的開(kāi)放性和內核的可配置性等特點(diǎn)，因此本設計選擇內核版本2.4 的Linux 作為終端的操作系統。所設計的移動(dòng)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(pán)輸入和電源管理等單元構成，并內置以太網(wǎng)和USB 接口。其中，存儲體部分包含CPU 片內FLASH、片內SRAM、外置大頁(yè)面NandFLASH 以及高速低功耗PSRAM（Pseudo SRAM）。

　　BootLoader 是終端上電或復位之后先于操作系統內核運行的引導程序。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?；谠撍悸?，本文重點(diǎn)闡述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)終端引導程序（BootLoader） 的設計實(shí)現。

　　1 引導程序設計流程

　　引導程序設計流程包括系統配置、初始化與參數配置、裝載映像文件、內核的引導及系統初始化、Linux 內核啟動(dòng)。

　　程序設計采用匯編語(yǔ)言與C 語(yǔ)言混合方式：其中，匯編部分實(shí)現CPU 的初始化、存儲空間初始化等；C 語(yǔ)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(dòng)加載為默認模式。

　　1.1 系統配置

　　系統配置包括終端硬件平臺設計、節點(diǎn)芯片驅動(dòng)程序、大頁(yè)面Flash 的驅動(dòng)程序設計、系統啟動(dòng)方式選擇、Linux 內核和文件系統映像文件的編譯、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(xiě)至外部Nand Flash.重新上電后，根據配置管腳的狀態(tài)，處理器自動(dòng)將引導程序的啟動(dòng)代碼從Nand Flash 前4 KB 空間拷貝到處理器Nand Flash 控制器內置SRAM（Steppingstone） 中運行，同時(shí)引導完成系統的初始化和鏡像文件的加載。

　1.2 硬件系統初始化與參數配置階段

　　該階段工作是完成系統硬件部分的初始化，包括屏蔽所有的中斷、設置CPU 速度和時(shí)鐘頻率、存儲體初始化、NandFlash 初始化、GPIO 端口和UART 初始化、關(guān)閉CPU 內部指令/ 數據Cache（ 如CPU 不具備內部的數據/ 指令Cache,其相關(guān)的函數返回值為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，作為可讀寫(xiě)數據段，建立一個(gè)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 系統直接運行內核。同時(shí)需要將該單元保護起來(lái)，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、文件系統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 文件中的數據段（data + bss） 復制到系統內存中，代碼段（text） 在Romdisk 中直接運行；后一種則是引導程序把Image 完全復制到系統內存中執行，包括Image 中的代碼段（text） 和數據段（data+bss）。

　　1.4 內核的引導及系統初始化上述步驟完成之后，程序計數器指針（PC） 跳轉到內核起始地址處，完成內核解壓、安裝及其環(huán)境參數配置。設置體系結構環(huán)境，進(jìn)行命令參數的解析，設置中斷和異常向量表，進(jìn)行進(jìn)程調度器、定時(shí)器、控制臺的配置，Cache 初始化、內存頁(yè)面初始化、設備初始化等。操作系統的初始化還包含文件系統的安裝，如Ext2 文件系統、管理Nand Flash 的JFFS2文件系統。

　　1.5 Linux 內核的啟動(dòng)

　　引導程序引導完成后釋放對硬件系統的控制權，轉交給Linux 操作系統，并釋放清除使用過(guò)的臨時(shí)內存，然后跳轉到操作系統內核（kernel） 的第1 條指令地址，啟動(dòng)Linux 操作系統，執行/etc 目錄下的用戶(hù)系統配置信息，準備系統應用程序的使用環(huán)境。

　　2 引導程序設計實(shí)現

　　引導程序的實(shí)現包括4 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節的配置：內存規劃，堆棧分配，中斷向量配置及Nand Flash 讀寫(xiě)操作。

　　2.1 內存規劃

　　內存規劃包括兩個(gè)方面：第一是內核映像所占用的內存范圍；第二是根文件系統所占用的內存范圍以及應用程序和程序申請的緩沖區所占用的內存。對于內核文件，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據結構，如啟動(dòng)參數和內核頁(yè)表等信息。根文件系統映像文件則將其拷貝到以MEM_START+0×100000 為基址的內存中（ 采用Ramdisk 作為根文件的系統映像，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(gè)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(jìn)入異常模式時(shí)，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(shí)，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)，根據系統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、系統調試模式、未定義指令模式、系統模式和用戶(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。系統所有的堆棧均位于系統運行空間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容幫助診斷系統運行狀態(tài)。

　　3 結語(yǔ)

　　本文提出無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可移動(dòng)終端引導程序的設計方法，從實(shí)際調試看，Linux 版本號、CPU 識別信息、時(shí)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(wú)線(xiàn)移動(dòng)終端硬件平臺上，完成了映像文件的加載、解壓，操作系統能夠開(kāi)始正常運行。