0 引言
    微軟的Windows CE系統(tǒng)是被廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)之一。在產(chǎn)品的研究開發(fā)中，一些嵌入式操作系統(tǒng)的啟動(dòng)速度所花時(shí)間比較長(zhǎng)，Wind-ows CE也不例外。由于各種因素的影響，有些情況下啟動(dòng)甚至超過1 min。而在實(shí)際的嵌入式電子產(chǎn)品中客戶需要體驗(yàn)一個(gè)極速爽快而又穩(wěn)定的系統(tǒng)，避免長(zhǎng)時(shí)間等待。因此，如何快速啟動(dòng)Windows CE系統(tǒng)是一個(gè)很重要的內(nèi)容。本文將基于三星公司的S3C2440A處理器和Windows CE
系統(tǒng)，分析Windows CE的啟動(dòng)原理和影響其啟動(dòng)速度的原因，給出加快啟動(dòng)的方案。

1 Windows CE的啟動(dòng)過程
    一般嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)過程如圖1所示。其中引導(dǎo)加載程序(BootLoader)是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼，主要是通過設(shè)置寄存器初始化硬件的工作方式，如設(shè)置時(shí)鐘、中斷控制寄存器等，完成內(nèi)存映射、初始化MMU等。其次是系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的初始化，將系統(tǒng)內(nèi)核(Kernel)和應(yīng)用程序的映像從只讀存儲(chǔ)器加載或拷貝到系統(tǒng)的RAM中執(zhí)行，完成系統(tǒng)內(nèi)核的加載以及應(yīng)用程序的啟動(dòng)等。

1．1 BootLoader的啟動(dòng)
     BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，它可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境。引導(dǎo)程序完成自己的任務(wù)后，就將控制權(quán)移交給內(nèi)核。通常引導(dǎo)程序是放置在不易丟失的快閑存儲(chǔ)器的開始地址或者是系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)PC寄存器的初始值。
1．2 內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)加載過程
    BootLoader按照Windows CE啟動(dòng)方式的不同可分為2大類：下載模式和啟動(dòng)加載模式。當(dāng)BootLoader把nk．bin解壓到RAM后就把CPU控制權(quán)交給Windows CE內(nèi)核。
    啟動(dòng)加載模式是BootLoader的正常加載模式，BootLoader從存儲(chǔ)介質(zhì)將操作系統(tǒng)加載到RAM中，并從RAM中啟動(dòng)運(yùn)行操作系統(tǒng)。該過程并沒有用戶的介入。
    下載模式則是BootLoader從開發(fā)工作站下載操作系統(tǒng)映像文件到目標(biāo)設(shè)備的RAM，然后再將它寫到目標(biāo)設(shè)備的FLASH等存儲(chǔ)介質(zhì)中。該過程要通過串口線或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)(Host)下載文件。因此，不同的加載模式會(huì)直接影響內(nèi)核啟動(dòng)加載時(shí)間。

2 影響Windows CE啟動(dòng)速度的主要因素
    影響系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的因素可以從系統(tǒng)本身和硬件2個(gè)方面考慮。
2．1 系統(tǒng)加載
    系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)涉及到BootLoader、內(nèi)核加載、初始化進(jìn)程、硬件的驅(qū)動(dòng)程序和接口程序以及應(yīng)用程序組等。因此Windows CE啟動(dòng)速度要與引導(dǎo)程序初始化時(shí)間、內(nèi)核加載時(shí)間、硬件驅(qū)動(dòng)的加載時(shí)間、應(yīng)用程序的加載時(shí)間等有著直接的關(guān)系。
2．2 硬件
    顯然，CPU的頻率及效率、內(nèi)存的大小及類型等直接影響著系統(tǒng)的啟動(dòng)速度。例如ARM7和ARM9對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)的速度是明顯不一樣的，另外，內(nèi)存方面選擇NoR FLASH還是NAND FLASH其也會(huì)對(duì)啟動(dòng)速度有一定的影響。

3 Windows CE快速啟動(dòng)的方案
    快速啟動(dòng)Windows CE的方案大致有下面幾種。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文主要討論內(nèi)核體積、使用Multi-bin技術(shù)、串口打印輸出、不同注冊(cè)表形式對(duì)啟動(dòng)速度的影響。
3．1 使用合理的閃存和選擇適當(dāng)?shù)腤indows CE內(nèi)核的運(yùn)行方式
    當(dāng)前應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的FLASH從制作工藝角度講主要分為2種：NOR FLASH與NANDFLASH。NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(Execute In Place，XIP)，這樣應(yīng)用程序可以直接在NOR FLASH中直接運(yùn)行，而無(wú)需再把代碼讀到系統(tǒng)的RAM中，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快，但在使用時(shí)必須先寫入驅(qū)動(dòng)程序，而且，由于不能向壞塊寫入，這就需要在NAND FLASH上自始自終都必須進(jìn)行虛擬映射，可能會(huì)產(chǎn)生額外的時(shí)間花費(fèi)。因此，選擇不同閃存對(duì)啟動(dòng)速度有一定的影響。
    也正因?yàn)樯厦?種閃存的特點(diǎn)不同，Windows CE的運(yùn)行方式直接與它們有關(guān)，可以分為2類，一是在NOR FLASH上直接運(yùn)行，二是用NAND FLASH來存儲(chǔ)，再加載到內(nèi)存中運(yùn)行。前者把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到FLASH上，可以實(shí)現(xiàn)XIP；而后者是先把內(nèi)核的壓縮文件放在FLASH上，啟動(dòng)時(shí)先解壓，再執(zhí)行。因此，在NOR FLASH上直接運(yùn)行會(huì)速度更快。
3．2 精簡(jiǎn)Windows CE內(nèi)核體積和加載內(nèi)容
    在Windows CE啟動(dòng)過程中，加載內(nèi)核過程和加載內(nèi)核之后所占時(shí)間是不一樣的，前者是從NANDFLASH加載內(nèi)核到內(nèi)存，占了絕大多數(shù)時(shí)間，后者其實(shí)只占很小的一小部分時(shí)間。因此，可以通過縮短加載內(nèi)核過程中的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)縮短啟動(dòng)時(shí)間。要做到這一點(diǎn)，可以通過縮小內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)。也就是組件全部根據(jù)所需要的來定制，刪除掉所有不必要的組件。其中，最有效的辦法之一是縮減字體，去除不需要的其他國(guó)家的字庫(kù)。
    另一方面，內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有很多靜態(tài)和延遲加載依賴項(xiàng)，尤其是各種安全性DLL，這肯定增加啟動(dòng)時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)加載的驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備和自啟動(dòng)程序也會(huì)占用一定的時(shí)間。因此，在設(shè)備能正常啟動(dòng)和應(yīng)用的情況下，應(yīng)以精簡(jiǎn)的原則，以最小化來加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)和啟動(dòng)程序，以最少數(shù)量的組件和驅(qū)動(dòng)來啟動(dòng)系統(tǒng)，減少不必要的時(shí)間延遲。例如可以精簡(jiǎn)設(shè)備上的外殼程序和啟動(dòng)界面等。
3．3 使用Multi-bin技術(shù)
    Windows CE中提供了Multi-bin的功能。字面上Multi-bin是多個(gè)bin的意思，它將整個(gè)內(nèi)核映像分成幾部分，在Windows CE啟動(dòng)時(shí)可只加載核心部分，這樣就能有效提高Windows CE的啟動(dòng)速度。方法如下：
    首先，修改Eboot，使其支持BinFN(Binary Rom Image File System)文件系統(tǒng)，支持Multi-bin的下載和燒寫，同時(shí)在注冊(cè)表platfor-m．reg中增加BinFN分區(qū)。
    其次，修改配置文件config．bib，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各分區(qū)空間和類型；并對(duì)XIPKERNEL進(jìn)行規(guī)劃，將最小化系統(tǒng)內(nèi)核打包到其中，即在project．bib中的modules和Files中添加必須的內(nèi)核文件，例如系統(tǒng)必須加載組件有nk．exe，coredll．dll，filesys．exe，fatfsd．
dll，diskcaehe．dll，F(xiàn)atutil．dll，binfs．dll，fsdmgr．dll，mspart．dll，smFLASH．dll，boot．hv等。
    最后，在用Platform Builder定制內(nèi)核時(shí)系統(tǒng)選用的RAM and ROM File System文件系統(tǒng)，注冊(cè)表格式選用Hive-based Registry，它支持永久保存。
    這樣經(jīng)過編譯后，將生產(chǎn)的xip．bin和XIPKERNEL．bin文件在EBoot．nb0的引導(dǎo)下進(jìn)行燒寫，完成Windows CE的燒寫工作并可以使用Wi-ndows CE系統(tǒng)。
3．4 關(guān)閉串口輸出
    Windows CE在啟動(dòng)時(shí)把很多啟動(dòng)信息狀態(tài)輸出，因?yàn)榇赗ETAILMSG等輸出打印信息要花一定的時(shí)間，故在編譯沒有出錯(cuò)的情況下把串口輸出信息關(guān)閉，也可以提高啟動(dòng)速度。做到這點(diǎn)可以在Debug．c文件中去除OEMWriteDebugByte()，OEMReadDebugByte()函數(shù)的輸出內(nèi)容。
3．5 選擇適當(dāng)?shù)淖?cè)表方式
    注冊(cè)表分為基于RAM的注冊(cè)表(RAM-Based Registry)和基于Hive的注冊(cè)表(Hive-Based Registry)兩種方式，一般都用于記錄著所有應(yīng)用程序和硬件外設(shè)的驅(qū)動(dòng)信息。
    基于RAM的注冊(cè)表把整個(gè)注冊(cè)表作為一個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)堆存放在系統(tǒng)的內(nèi)存中，如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冷啟動(dòng)或者系統(tǒng)斷電，對(duì)注冊(cè)表的所有改動(dòng)都會(huì)使存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)丟失，所以基于對(duì)象存儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)的注冊(cè)表一般用于較少斷電的系統(tǒng)，或一般不需要冷啟動(dòng)的系統(tǒng)。但如果使用基于RAM的注冊(cè)表，它會(huì)使系統(tǒng)速度更快，占用空間更小，對(duì)注冊(cè)表的讀寫訪問操作會(huì)變得非常高效，系統(tǒng)開發(fā)者應(yīng)提供一種使系統(tǒng)能夠在斷電前后備份和恢復(fù)注冊(cè)表的方法，通常這種備份和恢復(fù)注冊(cè)表的方法的缺點(diǎn)是需要兩次啟動(dòng)，在啟動(dòng)過程中必須多一次熱啟動(dòng)才能使恢復(fù)的注冊(cè)表有效，因此效率相對(duì)比較低。
    基于HIVE結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的注冊(cè)表使用文件存儲(chǔ)注冊(cè)表數(shù)據(jù)，它與系統(tǒng)使用的文件系統(tǒng)的類型無(wú)關(guān)。這種方式使系統(tǒng)斷電前后無(wú)須備份和恢復(fù)注冊(cè)表數(shù)據(jù)，這使系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)速度更快。
    總之，基于RAM的注冊(cè)表在經(jīng)常熱啟動(dòng)的設(shè)備上是非常高效的，在經(jīng)常冷啟動(dòng)的設(shè)備中性能卻讓人失望；而基于Hive的注冊(cè)表在經(jīng)常冷啟動(dòng)或不常熱啟動(dòng)的設(shè)備中非常高效。因此，采用不同的類型也會(huì)影響Windows CE的啟動(dòng)效率，用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

4 實(shí)驗(yàn)與分析
4．1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
    (1)硬件平臺(tái)。ARM處理器為三星公司的S3C2440A，標(biāo)稱工作頻率為400 MHz；存儲(chǔ)器包括2片32 MB SDRAM，1片64 MB的NAND FLASH；設(shè)備模塊包括USB，LCD，UART。
    (2)軟件平臺(tái)。Bootloader：bootloader VER-5．0；操作系統(tǒng)：Windows CE5．O；開發(fā)工具：Platform Builder 5．0。
4．2 實(shí)驗(yàn)條件
    在建立PB工程時(shí)選擇移動(dòng)手持設(shè)備(Mobile Handheld)模板，其他組件選擇如表1所示，就可以實(shí)現(xiàn)支持MFC編程、文字表格編輯、MP3播放的手持設(shè)備系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下得到表1數(shù)據(jù)。

    表2為實(shí)現(xiàn)MP3播放功能精簡(jiǎn)系統(tǒng)前后的比較。精簡(jiǎn)前的方法是選擇移動(dòng)手持設(shè)備(MobileHandheld)模板，加入MP3支持；精簡(jiǎn)后的方法是選擇CustomDevice模板，只選擇MP3 Codec，wMA and MP3Streaming和Windows Media Player就可以實(shí)現(xiàn)MP3播放，不加入其他所有不必要的組件，從而減小內(nèi)核體積。表3、表4的數(shù)據(jù)都是基于MobileHandheld模板下不同注冊(cè)表RAM和Hive下得到的數(shù)據(jù)。

4．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    表2至表4中對(duì)比了相應(yīng)優(yōu)化帶來啟動(dòng)時(shí)間的比較，時(shí)間的計(jì)算使從開始啟動(dòng)到進(jìn)入windows CE界面為止。從表2可以看出，使用Multi-bin技術(shù)可以很大提升啟動(dòng)速度，縮短了啟動(dòng)時(shí)間；而串口輸出信息也有一定的影響，特別是在輸出信息很多的情況下，所占用的時(shí)間是不可忽視的。
    另外，表3則表明，內(nèi)核、組件等的構(gòu)成系統(tǒng)大小也直接影響著啟動(dòng)的速度，故應(yīng)當(dāng)盡量減少系統(tǒng)不必要的內(nèi)核和組件。

    由表4、表5可以看出，在沒有修改注冊(cè)表的時(shí)候，使用基于RAM的注冊(cè)表速度比基于Hive的注冊(cè)表的略快一些，但在修改注冊(cè)表之后，由于前者通常需要啟動(dòng)2次，故速度要慢于后者。

5 結(jié)語(yǔ)
    在嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE的開發(fā)和使用中，系統(tǒng)的啟動(dòng)速度不僅體現(xiàn)設(shè)備的性能，而且也直接影響到使用者的感受和體驗(yàn)。本文先介紹Windows CE的啟動(dòng)流程，分析影響Windows CE啟動(dòng)速度的因素，再提出一些加快啟動(dòng)速度的方案。雖然系統(tǒng)啟動(dòng)還與具體的硬件有關(guān)，在具體應(yīng)用時(shí)還需要綜合考慮。但本文提出的方法對(duì)對(duì)基于其他硬件結(jié)構(gòu)下使用WindowsCE系統(tǒng)時(shí)優(yōu)化其啟動(dòng)速度同樣有重要的指導(dǎo)意義。