1、【Word版本下載可任意編輯】 Linux的無線傳感器網絡引導程序的設計 摘 要：針對無線傳感器網絡的構造特點及對無線可移動終端的需求，分析了Linux操作系統的啟動過程，提出了無線傳感器網絡可移動終端引導程序的設計方法，并對引導程序實現的4個關鍵環節的配置和設計開展了說明。實際調試結果說明： 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 對等網絡（Peer-to-Peer,P2P） 和自組織網絡（SelforganizationNetwork） 是目前國際計算機網絡技術領域的研究熱點，有別于傳統通信網絡的Client/Server 機制，對等網絡節點之間不僅可以直接通信，而

2、且每個節點都可作為中間節點為其他節點提供服務，使本不能相互覆蓋的2 個或多個網絡節點之間實現通信與數據傳輸。 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務的承載體，節點芯片是整個無線傳感器網絡的根底，網絡及其關鍵技術的研究應首先搭建網絡和業務的承載平臺，可移動終端則成為驗證節點芯片移動性、數據傳輸、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在環境監測、醫療監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主要包括Symbian,Windows Mobile,PALM OS48 和L

3、inux.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。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，硬件環境不同，BootLoader 也不同，要建

4、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絡移動終端引導程序（BootLoader） 的設計實現。 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。 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模式兩種工作模式，其中，啟動加載為默認模式。 1.1 系統配置 系統配置包括終端硬件平臺設計、節點芯片驅動程序、大頁面Flas

5、h 的驅動程序設計、系統啟動方式選擇、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至外部Nand Flash.重新上電后，根據配置管腳的狀態，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 速度和時鐘頻率、存儲體初始化、NandFlash 初始化、GPIO 端口和

6、UART 初始化、關閉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，作為可讀寫數據段，建立一個內核的運行環境。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。同時需要將該單元保護起來，防止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

7、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、安裝及其環境參數配置。設置體系構造環境，開展命令參數的解析，設置中斷和異常向量表，開展進程調度器、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。操作系統的初始化還包含文件系統的安裝，如Ext2 文件系

8、統、管理Nand Flash 的JFFS2文件系統。 1.5 Linux 內核的啟動 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，并釋放去除使用過的臨時內存，然后跳轉到操作系統內核（kernel） 的第1 條指令地址，啟動Linux 操作系統，執行/etc 目錄下的用戶系統配置信息，準備系統應用程序的使用環境。 2 引導程序設計實現 引導程序的實現包括4 個關鍵環節的配置：內存規劃，堆棧分配，中斷向量配置及Nand Flash 讀寫操作。 2.1 內存規劃 內存規劃包括兩個方面：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

9、所占用的內存。對于內核文件，將其拷貝到從RAM_BASE（MEM_START+08000） 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據構造，如啟動參數和內核頁表等信息。根文件系統映像文件則將其拷貝到以MEM_START+0100000 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，每一種狀態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

10、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，可以將需要保護的存放器放入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生后程序的正常執行。改變程序狀態存放器（CPSR） 內的狀態位（ 低5 位） 可使處理器切換到不同的工作狀態，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存放器。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、系統模式和用戶模式。其中，外部中斷模式棧配置程序如下： InitStack MOV R0,LR MSR CPSR_c,#0 xd2/ 設置外部中斷模式堆棧

11、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/ 中斷模式堆棧空間 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。可通過外部輸入命令的方式切換工作模式，并