WINCE60启动过程.doc

Windows CE 6.0 启动过程分析在Windows CE 6.0中，内核（Kenerl）和OEM代码被分成oal.exe、kernel.dll和kitl.dll三个部分，其中启动代码（startup）和 OAL层的实现部分不再与内核链接生成NK.exe，取而代之的是启动代码（startup）和硬件相关且独立于内核的OAL层的实现部分编译成 oal.exe，而与内核相关且独立于硬件的OAL层代码包含在kernel.dll中；内核无关传输层（KITL）的支持代码从OAL层分离出来编译成 kitl.dll。 从表面上看，好像只是代码重新组合了一下，从帮助文档中BSP的移植过程看好像也是这么一回事，实际上，整个Windows CE 6.0内核布局发生了很大的改变。Windows CE 6.0的启动过程也是如此，如果你想按照Windows CE 5.0的启动顺序去分析Windows CE 6.0的启动顺序，可能会走到一个死胡同。主要是因为Windows CE 6.0在启动过程中调用了kernel.dll和kitl.dll两个动态链接库的原因，而且Windows CE6.0不再编译生成KernKitlProf.exe内核文件。 从Windows CE 6.0的帮助文档可以看出，WinCE6.0的启动只与oal.exe和kernel.dll有关，至于kitl.dll，只有将操作系统编译成具有 KITL功能时才用到。分析Windows CE 6.0的启动过程实际上找到编译oal.exe和kernel.dll的源码位置。 首先看一下将WinCE6.0编译成诸如WinCE5.0所说的基本内核情况，即kern.exe。对于oal.exe源码位置比较容易找到，因为 oal.exe是启动代码与硬件相关的OAL层实现文件编译而成，所以只需在BSP的OAL目录中便能找到。而对于kernel.dll，在BSP目录结构中，基本上无法找到kernel.dll的编译文件，所以必须从其他方面着手。 下面为WinCE 6.0的编译日志输出文件：makeimg.out在文件复制过程的一部分：Copying E:WINCE600OSDesignsxsbase270xsbase270RelDirXSBase270_ARMV4I_Releaseoal.exe toE:WINCE600OSDesignsxsbase270xsbase270RelDirXSBase270_ARMV4I_Releasenk.exe for debugger Copying E:WINCE600OSDesignsxsbase270xsbase270RelDirXSBase270_ARMV4I_Releasekern.dll toE:WINCE600OSDesignsxsbase270xsbase270RelDirXSBase270_ARMV4I_Releasekernel.dll for debugger 从日志输出文件可以看出，在文件复制过程中，WinCE6.0编译器将oal.exe更名为nk.exe，而将kern.dll文件更名为 kernel.dll，也就是说，kern.dll文件的实现部分就是kernel.dll的实现体。根据前面的分析，oal.exe是与硬件相关独立于内核的OAL层的实现部分，而kernel.dll为内核相关独立于硬件的OAL层的实现部分。同样可以从最后整合后的二进制配置文件ce.bib文件中看出端倪。; CESYSGEN IF CE_MODULES_NKnk.exe E:WINCE600OSDesignsxsbase270xsbase270RelDirXSBase270_ARMV4I_Releaseoal.exe NK SHZkitl.dll E:WINCE600OSDesignsxsbase270xsbase270RelDirXSBase270_ARMV4I_Releasekitl.dll NK SHZkernel.dll E:WINCE600OSDesignsxsbase270xsbase270RelDirXSBase270_ARMV4I_Releasekern.dll NK SHZ; CESYSGEN ENDIF 而kern.dll动态库在整个Windows CE6.0中没有显式编译过程，即没有一个sources文件有kern.dll的编译过程，所以只能从操作系统的编译文件Makefile中寻找其编译过程。下面看一下$(_PUBLICROOT)commonCESYSGENmakefile中的部分内容：nk:$(NK_COMPONENTS) $(NK_REPLACE_COMPONENTS)copy $(SG_INPUT_LIB)oemstub.pdb $(SG_OUTPUT_OAKLIB)copy $(SG_INPUT_LIB)oemstub.lib $(SG_OUTPUT_OAKLIB)set TARGETTYPE=DYNLINKset TARGETNAME=kernset RELEASETYPE=OAKset DLLENTRY=NKStartupset DEFFILE=NO_DEF_FILEset TARGETLIBS=set SOURCELIBS=%NKLIBS% $(SG_INPUT_LIB)nkmain.lib $(SG_INPUT_LIB)fulllibc.lib$(MAKECMD) /NOLOGO NOLIBC=1 kern.dll 从上述代码中可以发现，原来kern.dll动态库是从oemstub.lib编译而来，而且与nkmain.lib有关。 在理顺了上述文件的相互之间的关系之后，再来分析Windows CE 6.0的启动过程可能就比较容易啦。 在理清了上述文件的关系之后，便可以分析任意一款基于ARM微处理器的Windows CE 6.0的启动过程，现在以深圳亿道电子技术有限公司开发的基于PXA270 ARM开发平台为例，分析Windows CE 6.0操作系统启动过程。1、Startup函数： 从Windows CE 6.0的帮助文档可以看出，WinCE6.0的启动只与oal.exe和kernel.dll有关，至于kitl.dll，只有将操作系统编译成具有 KITL功能时才用到。分析Windows CE 6.0的启动过程实际上找到编译oal.exe和kernel.dll的源码位置。oal.exe 的通过Startup函数完成硬件的初始化。Startup.s代码与该硬件平台的Bootloader启动代码共用，其中PreInit 函数主要完成将ARM处理器工作模式切换到管理员模式、同时关闭MMU，并检测系统启动原因,如果是热启动、即在该函数调用之前已经启动了 Bootloader程序，相当基本硬件初始化已经完成，则直接跳转到OALStartUp函数中；否则需要进行硬件中断屏蔽、内存、系统时钟频率、电源管理等硬件的基本初始化过程。（具体过程见代码的分析）$(_PLATFORMROOT)xsbase270srccommonStartupStartup.sLEAF_ENTRY StartUp bl PreInit tst r10, #RCSR_HARD_RESET beq OALStartUp tst r10, #RCSR_GPIO_RESET bne Continue_StartUp bl xlli_mem_init ;初始化内存控制器 ldr r0, =xlli_PMRCREGS_PHYSICAL_BASE; ldr r0, r0, #xlli_PSPR_offset; mov r1, r10; bl XllpPmValidateResumeFromSleep; cmp r0, #0; bne Failed_Sleep_Resume; Sleep_Reset ldr r0, =xlli_PMRCREGS_PHYSICAL_BASE; ldr r0, r0, #xlli_PSPR_offset; mov r1, r10; b XllpPmGoToContextRestoration; Failed_Sleep_Resume ldr r1, =xlli_RCSR_SMR bic r10, r10, r1 Continue_StartUp bl xlli_intr_init; ;初始化中断控制器 bl EnableClks; ;使能内核时钟(内存/OS定时器/FFART时钟之需) bl OALXScaleSetFrequencies ;设置系统频率 bl xlli_mem_Topt bl xlli_mem_restart ;复位内存，使其处于工作模式 bl xlli_ost_init ;初始化操作系统定时器 bl xlli_pwrmgr_init ;初始化电源管理 bl xlli_IMpwr_init ;初始化内部存储器 bENTRY_END2、OALStartUp函数： 在系统硬件初始化完毕之后，Startup调用OALStartUp函数，OALStartUp函数主要完成将OEMAddressTable表传递给内核；然后调用KernelStart函数跳转到内核OEMAddressTable表的主要作用表的每一个入口都定义了一个内存中的物理位置、内存的大小以及映射这物理地址的静态虚拟地址；静态虚拟内存地址被定义在缓冲存储器的范围之内；内核可以创建非缓冲的内存地址指向到相同的物理地址；对于同一物理地址，既有一个缓冲的虚拟内存地址，也有一个非缓冲的虚拟内存地址；OEMAddressTable最后必须以0结尾；对于MIPS和SHx类型的CPU，物理地址与虚拟地址的映射由CPU完成，无需创建OEMAddressTable$(_PLATFORMROOT)xsbase270srcInc Oemaddrtab_cfg.inc)：ALIGN g_oalAddressTable DCD 0x80000000, 0xA0000000,64; XSBASE270: SDRAM (64MB). DCD 0x84000000, 0x5C000000,1; BULVERDE: Internal SRAM (64KB bank 0). DCD 0x84100000, 0x58000000,1; BULVERDE: Internal memory PM registers. DCD 0x84200000, 0x4C000000,1; BULVERDE: USB host controller. DCD 0x84300000, 0x48000000,1; BULVERDE: Memory controller. DCD 0x84400000, 0x44000000,1; BULVERDE: LCD controller. DCD 0x84500000, 0x40000000,32; BULVERDE: Memory-mapped registers DCD 0x86500000, 0x00000000,64; XSBASE270: nCS0: Boot Flash (64MB). DCD 0x96600000, 0x3C000000,64; BULVERDE: PCMCIA S1 common memory space. DCD 0x8A600000, 0x38000000,32; BULVERDE: PCMCIA S1 attribute memory space. DCD 0x8C600000, 0x30000000,32; BULVERDE: PCMCIA S1 I/O space. DCD 0x8E500000, 0x2C000000,64; BULVERDE: PCMCIA S0 common memory space. DCD 0x92500000, 0x28000000,32; BULVERDE: PCMCIA S0 attribute memory space. DCD 0x94500000, 0x20000000,32; BULVERDE: PCMCIA S0 I/O space. DCD 0x96500000, 0xE0000000,1; XSBASE270: Zero-bank . DCD 0x96600000, 0x14000000,1; XSBASE270: nCS5: eXpansion board header. DCD 0x96600000, 0x10000000,64; XSBASE270: nCS4: USB2.0/IDE controller. DCD 0x9A700000, 0x0C000000,1; XSBASE270: nCS3: SMSC 91C111 Ethernet controller. DCD 0x9A800000, 0x0A000000,1; XSBASE270: nCS2 : Board registers (CPLD). DCD 0x9A900000, 0x04000000,32; XSBASE270: nCS1: Secondary flash (32MB). DCD 0x9F900000, 0x50000000,1; BULVERDE: Camera peripheral interface. DCD 0x9FA00000, 0x14700000,1 DCD 0x00000000, 0x00000000,0;end of tableEND$(_PLATFORMROOT)xsbase270srcoalOalLibStartup.sALIGNLEAF_ENTRY OALStartUp add r0, pc, #g_oalAddressTable - (. + 8) mov r11, r0 b KernelStart nop nop nop nop nop nop STALL b STALL ;Spin forever.3、KernelStart函数主要作用：完成OEMAddressTable表中的物理地址到虚拟地址和虚拟地址到物理地址之间的映射；对存储器页表和内核参数区存储空间（RAM或DRAM）进行清零处理。读出CPU的ID号，内核需要根据该ID决定ARM的MMU处理，因为ARMV6和ARMV6之前的ARM处理器的MMU处理过程有所区别；设置并开启MMU和Cache，因为在Startup函数关闭MMU和Cache； 设置ARM处理器工作模式的SP指针，ARM处理器共用7种不同的工作模式（USER、FIQ、IRQ、Supervisor、Abort、 Undefined、System），除用户模式(USER)和系统模式（System）之外，其他5种工作模式都有具有特定的SP指针寄存器（ARM处理器称其为影子寄存器）；读取内核启动所需要的KDataStruct结构体；调用ARMInit函数重新定位Windows CE内核参数pTOC和初始化OEMInitGlobals全局变量；利用mov pc, r12指令跳转到kernel.dll的入口位置，即NKStartup函数中。$(_PRIVATEROOT)WINCEOSCOREOSNKLDRARMarmstart.sLEAF_ENTRY KernelStart mov r11, r0 ;(r11) = &OEMAddressTable (save pointer) mov r1, r11 ;(r1) = &OEMAddressTable (2nd argument to VaFromPa) bl VaFromPa mov r6, r0 ;(r6) = VA of OEMAddressTable ; convert base of PTs to Physical address ldr r4, =PTs ;(r4) = virtual address of FirstPT mov r0, r4 ;(r0) = virtual address of FirstPT mov r1, r11 ;(r1) = &OEMAddressTable (2nd argument to PaFromVa) bl VaFromPa mov r10, r0 ;(r10) = ptr to FirstPT (physical) ; Zero out page tables & kernel data page mov r0, #0 ;(r0-r3) = 0s to store mov r1, #0 mov r2, #0 mov r3, #0 mov r4, r10 ; (r4) = first address to clear add r5, r10, #KDEnd-PTs ; (r5) = last address + 118 stmia r4!, r0-r3 stmia r4!, r0-r3 cmp r4, r5 blo %B18 ; read the architecture information bl GetCpuId mov r5, r0 LSR #16 ; r5 = 16 and r5, r5, #0x0000000f ; r5 &= 0x0000000f = architecture id add r4, r10, #HighPT-PTs ; (r4) = ptr to high page table cmp r5, #ARMv6 ; v6 or later? ; ARMV6_MMU orrge r0, r10, #PTL2_KRW + PTL2_SMALL_PAGE + ARMV6_MMU_PTL2_SMALL_XN ; (r0) = PTE for 4K, kr/w u-/- page, uncached unbuffered, nonexecutable ; PRE ARMV6_MMU; orrlt r0, r10, #PTL2_KRW + (PTL2_KRW 2) + (PTL2_KRW 4) + (PTL2_KRW 6) ;Need to replicate AP bits into all 4 fields orrlt r0, r0, #PTL2_SMALL_PAGE + PREARMV6_MMU_PTL2_SMALL_XN ;(r0) = PTE for 4K, kr/w u-/- page, uncached unbuffered, nonexecutable str r0,r4, #0xD0*4 ;store the entry into 4 slots to map 16K of primary page table add r0,r0, #0x1000 ;step on the physical address str r0,r4, #0xD1*4 add r0,r0, #0x1000 ;step on the physical address str r0,r4, #0xD2*4 add r0,r0, #0x1000 ;step on the physical address str r0,r4, #0xD3*4 add r8,r10, #ExceptionVectors-PTs ;(r8) = ptr to vector page orr r0,r8, #PTL2_SMALL_PAGE ;construct the PTE (C=B=0) cmp r5,#ARMv6 ;v6 or later? ; ARMV6_MMU orrge r0, r0, #PTL2_KRW ; PRE ARMV6_MMU orrlt r0, r0, #PTL2_KRW + (PTL2_KRW 2) + (PTL2_KRW 4) + (PTL2_KRW 6) ; Need to replicate AP bits into all 4 fields for pre-V6 MMU str r0,r4, #0xF0*4 ;store entry for exception stacks and vectors ;other 3 entries now unused add r9,r10,#KPage-PTs ;(r9) = ptr to kdata page orr r0,r9,#PTL2_SMALL_PAGE ;(r0)=PTE for 4K (C=B=0) ; ARMV6_MMU (condition codes still set) orrge r0, r0, #PTL2_KRW_URO ; No subpage access control, so we must set this all to kr/w+ur/o ; PRE ARMV6_MMU orrlt r0, r0, #(PTL2_KRW 0) + (PTL2_KRW 2) + (PTL2_KRW_URO 4) ;(r0) = set perms kr/w kr/w kr/w+ur/o r/o str r0, r4, #0xFC*4 ;store entry for kernel data page orr r0,r4, #PTL1_2Y_TABLE ;(r0) = 1st level PTE for high memory section add r1, r10, #0x4000 str r0, r1, #-4 ; store PTE in last slot of 1st level table add r10, r10, #0x2000 ; (r10) = ptr to 1st PTE for unmapped space mov r0, #PTL1_SECTION orr r0, r0, #PTL1_KRW ;(r0)=PTE for 0: 1MB (C=B=0, kernel r/w)20 mov r1, r11 ;(r1) = ptr to OEMAddressTable array (physical)25 ldr r2,r1,#4 ;(r2) = virtual address to map Bank at ldr r3,r1,#4 ;(r3) = physical address to map from ldr r4,r1,#4 ;(r4) = num MB to map cmp r4,#0 ;End of table? beq %F29 ldr r12, =0x1FF00000 and r2, r2, r12 ;VA needs 512MB, 1MB aligned. ldr r12, =0xFFF00000 and r3, r3, r12 ;PA needs 4GB, 1MB aligned. add r2, r10, r2, LSR #18 add r0, r0, r3 ;(r0) = PTE for next physical page28 str r0, r2,#4 add r0, r0, #0x00100000 ;(r0) = PTE for next physical page sub r4, r4, #1 ;Decrement number of MB left cmp r4, #0 bne %B28 ;Map next MB bic r0, r0,#0xF0000000 ;Clear Section Base Address Field bic r0, r0, #0x0FF00000 ;Clear Section Base Address Field b %B25 ;Get next element29 sub r10, r10, #0x2000 ;(r10) = restore address of 1st level page table ldr r12, =0xFFF00000 ;(r12) = mask for section bits and r1, pc, r12 ;physical address of where we are ;NOTE: we assume that the KernelStart function never spam across 1M boundary. orr r0, r1, #PTL1_SECTION orr r0, r0, #PTL1_KRW ;(r0) = PTE for 1M for current physical address, C=B=0, kernel r/w add r7, r10, r1, LSR #18 ;(r7) = 1st level PT entry for the identity map ldr r8, r7 ;(r8) = saved content of the 1st-level PT str r0, r7 ;create the identity map mov r1, #1 mtc15 r1, c3 ;Setup access to domain 0 and clear other mtc15 r10, c2 ;setup translation base (physical of 1st level PT) mov r0, #0 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 ;Flush the I&D TLBs mfc15 r1, c1 orr r1, r1, #0x007F ;changed to read-mod-write for ARM920 Enable: MMU, Align, DCache, WriteBuffer cmp r5, #ARMv6 ;r5 still set ; ARMV6_MMU orrge r1, r1, #0x3000 ;vector adjust, ICache orrge r1, r1, #1dwTOCAddr = (DWORD) pTOC; pKData-dwOEMInitGlobalsAddr = (DWORD) OEMInitGlobals; SetOsAxsDataBlockPointer(pKData); return FindKernelEntry (pTOC);5、NKStartup函数： 硬件平台初始化完成后，oal.exe的启动任务基本完成，余下的启动工作由内核相关且独立于内核的OAL层实现体kernel.dll接管。kernel.dll主要作用：从结构体参数KDataStruct * pKData提取内核启动时所必须的全局变量，同时初始化内核全局变量； 定位对Windows CE 6.0特有的OEMGLOBAL结构体的初始化函数OEMInitGlobals地址，该结构体构建了内核和OAL层之间进行通信的桥梁。在 OEMGLOBAL结构体定义了OAL层所必须的函数，该结构体在oemglobal.c文件中被初始化，并被编译在OEMMain.lib和 OEMMain_StaticKITL.lib两个库中，如果OAL链接这两个库，则必须要有该结构体中函数实现体；通过调用ARMSetup设置物理地址和非缓冲的虚拟内存地址的映射、ARM中断向量以及内核模式所需要的堆栈。调用OEMInitDebugSerial函数初始化调试串口；调用OEMInit进行平台初始化； 需要注意的时，NKStartup函数调用OEMInitDebugSerial和OEMInit函数的过程与Windows CE 6.0之前的版本完全不同，这是因为在Windows CE 6.0以前的版本中，由于内核（kernel）、OAL和KITL编译在一个可执行的文件中，它们之间的共享变量只需简单利用extern关键字申明便可相互之间进行访问，而在Windows CE 6.0中，由于内核（kernel）、OAL和KITL被编译成不同的可执行文件，变量之间的相互访问无法使用extern关键字实现共享，即内核无法使用extern DWORD varX方法访问OAL层的变量varX，当然OAL层的实现体同样无法通过同样的方式访问内核变量。为实现内核和OAL访问共享信息，Windows CE 6.0定义了OEMGLOBAL和GLOBAL两个结构体。 在 Windows CE 6.0的内核启动时，OS找到OAL的入口位置，然后调用入口函数与全局块进行指针交换，这样内核才能使用OAL层中的信息，同样OAL层才能访问内核（kernel）导出的函数。所以上述两个函数的调用实际上通过OEMGLOBAL结构体实现的。实际调用位置为$(_PRIVATEROOT)winceoscoreosnk oemstuboemstub.c中的OEMInitDebugSerial和OEMInit，这两个函数中通过OEMGLOBAL结构体指针访问 OAL层中的OEMInitDebugSerial和OEMInit。 调用KernelFindMemory()函数分割RAM区域，在Windows CE操作系统中，RAM空间主要分为存储内存和程序内存，存储内存主要为文件的存储空间，包括内核文件和复制到系统中所有目标文件，程序内存为运行程序时所需要的存储空间。KernelStart ()启动内核。$(_PRIVATEROOT)WINCEOSCOREOSNKKERNELARMmdarm.c void NKStartup (struct KDataStruct * pKData) PFN_OEMInitGlobals pfnInitGlob; PFN_DllMain pfnKitlEntry; DWORD dwCpuId = GetCpuId (); / (1) pickup arguments from the nk loader g_pKData = pKData; pTOC = (const ROMHDR *) pKData-dwTOCAddr; g_pOEMAddressTable = (PADDRMAP) pKData-pAddrMap; /* get architecture id and update page protection attributes */ pKData-dwArchitectureId = (dwCpuId 16) & 0xf; if (pKData-dwArchitectureId = ARMArchitectureV6) / v6 or later pKData-dwProtMask = PG_V6_PROTECTION; pKData-dwRead = PG_V6_PROT_READ; pKData-dwWrite = PG_V6_PROT_WRITE; pKData-dwKrwUro = PG_V6_PROT_URO_KRW; else / pre-v6 pKData-dwProtMask = PG_V4_PROTECTION; pKData-dwRead = PG_V4_PROT_READ; pKData-dwWrite = PG_V4_PROT_WRITE; pKData-dwKrwUro = PG_V4_PROT_URO_KRW; pKData-dwKrwUno = PG_V4_PROT_UNO_KRW;/ initialize nk globals FirstROM.pTOC = (ROMHDR *) pTOC; FirstROM.pNext = 0; ROMChain = &FirstROM; KInfoTableKINX_PTOC = (long)pTOC; KInfoTableKINX_PAGESIZE = VM_PAGE_SIZE; g_ppdirNK = (PPAGEDIRECTORY) &ArmHigh-firstPT0; pKData-pNk = g_pNKGlobal; / (2) find entry of oal pfnInitGlob = (PFN_OEMInitGlobals) pKData-dwOEMInitGlobalsAddr; / no checking here, if OAL entry point doesnt exist, we cant continue g_pOemGlobal = pfnInitGlob (g_pNKGlobal); g_pOemGlobal-dwMainMemoryEndAddress = pTOC-ulRAMEnd; pKData-pOem = g_pOemGlobal; / setup globals pVMProc = g_pprcNK; pActvProc = g_pprcNK; g_pNKGlobal-pfnWriteDebugString = g_pOemGlobal-pfnWriteDebugString; / (3) setup vectors, UC mappings, mode stacks, etc. ARMSetup (); / (4) common startup code. / try to load KITL if existif (pfnKitlEntry = (PFN_DllMain) g_pOemGlobal-pfnKITLGlobalInit) |(pfnKitlEntry = (PFN_DllMain) FindROMDllE