深入浅出讲解单片机的BootLoader

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STM32 OTA BOOTLOAD
OTA原理及实现
发布日期:   2023-07-02
阅读时长:   13 分
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对于一个复杂的单片机项目来说，有一个 BootLoader（以下简称BL）是非常重要的。它可以使得你的应用程序代码维护和升级更加便捷。
之前分享过一些软件升级的文章：
嵌入式设备实现OTA升级的原理
嵌入式设备差分升级原理和实现(附代码)
专为32位单片机开发的轻量级OTA组件(开源)
单片机通过 UART 实现 OTA 升级的详细流程

本篇文章，带你了解为什么要设计 Bootloader，以及如何设计 Bootloader。争取做到知其然、知其所以然。
通过对 BL 进行详细的讲解，希望让大家可以体会到它的重要性。

烧录方式的更新迭代

古老的烧录方式

单片机诞生于20世纪80年代，以 51 为代表开始广泛应用于工业控制、家电等很多行业中。起初对于单片机的烧录，也就是将可执行的程序写入到其内部的ROM中，不是一件容易的事情，而且成本不低，因为需要依赖于专门的烧录设备。由于受到半导体技术与工艺的限制，对于ROM的烧写大多需要高压。这种境况一直持续到2000年左右，如图所示。

ISP与ICP烧录方式

随着低压电可擦写ROM的成熟，单片机开始集成可通过数字电平直接读写的存储介质。
其最大的优势在于可实现在系统或在电路直接烧录程序，而无需像以前一样把单片机芯片从电路中拿出来，放到编程器上，这种烧录方式就是 ISP(In System Programming) 或 ICP(In Circuit Programming)，如图所示。

有人问过这样一个问题：“ISP和ICP我都听说过，都说是可以在电路板上直接烧录程序，而无需拿下芯片，那ISP和ICP有什么区别？”
从广义上来说，两者没有区别，平时我们把其意义混淆也毫无问题。非要刨根问底的话，那可以这样来理解：
ISP要求单片机中驻留有专门的程序，用以与上位机进行通信，接收固件数据并烧录到自身的ROM中，很显然ISP的单片机是需要可运行的，即要具备基本的最小系统电路(时钟和复位)。
而 ICP 可以理解为 MCU 就是一块可供外部读写的存储电路，它不需要预置任何程序，也不需要单片机芯片处于可运行的状态。
支持 ISP 或 ICP 的芯片，以AT89S51最为经典，当时从 AT89C51 换成 S51，多少人因此不再依赖烧录器而大呼爽哉。这种并口下载线非常流行，如图3.3，网上还有各种ISP小软件，可以说它降低了很多人入门单片机的门槛，让单片机变得喜闻乐见。一台电脑、一个S51最小系统板、一条并口ISP下载线，齐了！

更方便的ISP烧录方式

串口ISP

后来我们发现带有并口的电脑越来越少。那是在2005年前后，STC单片机开始大量出现，在功能上其实与S51相差无几，甚至比同期的一些高端51单片机还要逊色。但是它凭借一个优势让人们对它爱不释手，进一步降低了单片机的学习门槛。
这个优势就是–串口ISP，这是真正意义上的 ISP，如图所示。

再后来，9针串口都很少见了，只有USB。这促使一个烧录和调试神器炙手可热 – USB TTL串口。这下232转换芯片省掉了，直接通过USB进行烧录。这种方式造福了无数的单片机学习者和工程师。
多年来，在串口与单片机的交互上，我动了很多脑筋，这也是我乐于开发 Bootloader 的一个原因。我希望“USB串口在手，一切全有！”
STC 并不是第一个使用串口 ISP 烧录程序的，但它是最成功和最深入人心的。与之同期的很多单片机，包括时至今日仍然应用最广泛的 STM32 全系列也都支持了串口 ISP，它成为了一种标配的、非常普遍的程序烧录手段。

各种USB ISP

串口ISP固然方便，但是下载速度是它的硬伤，当固件体积比较大的时候，比如一些大型嵌入式项目的固件动辄几百K，甚至几M，再用串口ISP就未免太慢了。所以一些单片机配有专门的USB ISP下载器。以下列举几种比较主流单片机及其USB ISP下载器。

  1. AVR
    AVR 单片机曾经盛极一时，但经历了 2016 年的缺芯风波之后，加之 STM32 的冲击，开始变得一蹶不振，鲜有人用了。与之配套的USB ISP下载器非常多样，有些是官方发布的，更多的是爱好者开源项目的成果，如图所示。

  2. C8051F

  3. MSP430

我们会发现，一个具体良好生态的主流单片机，一定有配套的高效便捷的烧录下载工具。可见一种好的烧录方式，对单片机开发是多么重要。
不论是串口 ISP 还是各种专用的 ISP 下载器，都有一些共同的弊端。

  1. 依赖于专门的上位机或下载器硬件，不能作到统型；
  2. 下载器价格仍然比较高，尤其是原厂的，这也是为什么有些单片机催生出很多第三方的下载器，比如 AVR；
  3. 下载的时候通常需要附加额外的操作，比如STC要重新上电、STM32需要设置BOOT引脚电平等等。这些额外的操作都增加了烧录的复杂性。尤其是在产品形态下要去重新烧录程序，比如嵌入式升级，就要打开外壳，或将附加信号引出到壳外。这都是非常不高效，不友好的作法。

如果有一种烧录方法，对于任何一种单片机：

  1. 通信方式统一（比如一律都用串口)）；
  2. 提供一个友好的操作界面（比如命令行方式）；
  3. 高效快速，没有附加操作，最好一键自动化烧录；
  4. 另外再增加一些嵌入式固件管理的功能（比如固件版本管理）。

这一定会让我们事半功倍。Bootloader 就能实现上述的这一切！

关于Bootloader

Bootloader的基本形态

直接看图

可以看到BL就是一段存储在ROM中的程序，它主要实现4个功能：

  1. 通过某种途径获取要烧录的固件数据；
  2. 将固件数据写入到ROM的APP区中；
  3. 跳转到APP区运行，将烧录进去的用户程序引导起来；
  4. 在此过程中，提供必要而友好的人机交互界面。

这么说可能不好理解，我们还是通过实例来进行讲解。

Bootloader的两个设计实例

下面的两个实例，用于说明BL的实际应用形态，不涉及具体的实现细节，旨在让大家了解 BL 实际是如何运行的。
带Shell命令行的串口BL
基本的操作逻辑如下：

  1. 通过超级终端、SecureCRT 或 Xshell 之类的串口终端输入命令 program；
  2. BL 接收到命令后，开始等待接收固件文件数据；
  3. 串口终端通过某种文件数据传输协议（例如 X/Y/Zmodem协议）将固件数据传给BL；
  4. BL 将固件数据写入到 ROM 的 APP 区中；
  5. BL 将 APP 区中的程序引导运行起来。

更具体的示意如图所示。

这里把操作逻辑说得很简单，实际实现起来却并不容易，我们放在后面去细究其具体实现。

插SD卡即烧录的BL

基本的操作逻辑如下：

  1. 将待烧录的固件拷贝到SD卡中；
  2. 将SD卡插入到卡槽中；
  3. BL 检测到 SD 卡插入，搜索卡中 BIN 文件；
  4. 将 BIN 文件数据读出写入到 ROM 的 APP 区中；
  5. BL 将 APP 区中的程序引导运行起来。

如图所示。

通过这两个设计实例，大家应该已经了解BL是什么了吧。有没有感受到 BL 是比 ISP 烧录器更通用、更灵活、更友好、功能更强大的固件烧录和管理手段呢？
有人可能知道 Linux 下的 Uboot，它就是一个强大的 BL，它提供非常强大的刷机（烧录操作系统镜像）的功能以及完备而灵活的Shell界面，如图所示。其实我们电脑的BIOS也是一种广义的BL。

那如何实现一个BL呢？别急，要实现BL是需要满足一些基本要求的。

BL实现的要点

首先要说，并不是任何一个单片机都可以实现BL的，要满足几个要点。
芯片体系架构要支持
来看图

我们知道单片机程序的最开头是中断向量表，包含了程序栈顶地址以及Reset程序入口，通过它才能把程序运行起来。很显然在从BL向APP跳转的时候，APP程序必须有自己的中断向量，并且而且单片机体系架构上要允许中断向量表的重定向。
传统51单片机的中断向量表只允许放到ROM开头，而不能有偏移量，所以传统51单片机是不能支持BL的。
有人要问“你这不是自相矛盾吗？你前面说STC的51单片机是支持串口ISP的，那它应该内置有ISP程序，我理解它应该和BL是一个道理。”
没错，它内置的 ISP 程序就是一种 BL。STC 之所以可以实现 BL 功能，是因为宏晶半导体公司对它的硬件架构进行了改进，请看图

可以看到，STC51 单片机多出了一块专门存放 BL 的 ROM，称为 BOOTROM。
网上有一位叫 shaoziyang 的网友为 AVR 单片机写了一个 BL，还配套开发了一款叫 AVRUBD 的上位机，如图。（AVRUBD是很有用的，它可以让我们实现隔空烧录），实现了AVR单片机的串口烧录，让很多人摆脱了对USBISP之类ISP下载器的依赖（虽然ISP下载器已经很方便了，但它毕竟还需要银子嘛）。

AVR 在硬件架构上与 STC51 是一个套路，如图所示。

通过配置AVR的熔丝位可以控制复位入口地址以及BOOT区的大小和开始地址，如图所示。

讲到这里，有人会说：“那有没有一种单片机，程序放在ROM的任何位置都可以运行起来，也就是中断向量表可以重定位？”
当然有，这种单片机还很多，其中最典型的就是 STM32。它的程序之所以可以放之各地皆可运行，是因为在它的 NVIC 控制器中提供了中断向量表偏移量的相关配置，这个后面我们再详细说。
ROM 要支持 IAP
这也是需要单片机硬件支持的。很好理解，在 BL 获取到固件数据之后，需要将它写入到 ROM 的 APP 区中，所以说单片机需要支持 IAP 操作，所谓 IAP 就是 In Application Programming，即在应用烧录。也就是在程序运行过程中，可以对自身ROM进行擦除和编程操作。
大家仔细想想是不是这样？似乎支持串口ISP的单片机都支持IAP功能。STC还把这一功能包装成了它的一大特色，可以用内部ROM来充当EEPROM的功能，可以在运行时记录一些掉电不丢失的参数信息。
STM32 的 ROM 擦写在配套的固件库(标准库或HAL库)中已经有实现，大家可以参考或直接使用。
APP程序的配套修改
为了让BL可以顺利的将APP程序引导运行起来，APP 程序在开发的时候需要配合BL作出相应的修改。最重要的就是 APP 程序的开始地址（即中断向量表的开始地址）以及对中断控制器的相应配置。
对于51、AVR这类单片机APP程序不用修改，具体原因大家应该明白。这里主要对 STM32 APP程序如何修改进行详细讲解。
我们依然是结合实例，请看图所示。

假设我们所使用的 STM32 的 ROM 总大小为 128KB，BL程序的体积是16K，APP程序紧邻BL，那么APP区的开始地址为0X08004000，也就是APP程序的中断向量表偏移地址为0X4000。
如果我们使用MDK作为开发环境的话，需要修改这里，如图所示。

而如果我们使用的是 gcc 的话，则需要对 link.ld 链接文件进行修改，如图3.18。

然后我们还需要对NVIC的中断向量表相关参数进行配置，主要是中断向量表的偏移量，如下代码。
#define VECT_TAB_OFFSET 0x4000

OK，经过修改后的程序，我们把它放到 ROM 的 0X08004000 开始地址上，然后再让BL跳转到这个地址，我们的程序就能运行起来了。
有人又会问：“BL中的跳转代码怎么写？”别急，这是我们要讲的下一个要点。
BL中的跳转代码
跳转代码是 BL 要点中的关键，直接关系到 APP 程序能否正常运行，如图

我直接给出 STM32 的 jump_app 函数代码。

typedef void (*iapfun)(void);
iapfun jump2app;

void MSR_MSP(u32 addr)
{
  __ASM volatile("MSR MSP, r0");   //set Main Stack value*
  __ASM volatile("BX r14");*
}

void load_app(u32 appxaddr)
{
  if(((*(vu32*)appxaddr)&0x2FFE0000)==0x20000000)//**检查栈顶地址合法*
  {

    //**用户代码区第二个字为程序开始地址(**复位地址)
    jump2app=(iapfun)\*(vu32\*)(appxaddr+4);

    //**初始化APP**堆栈指针(**用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)
    MSR_MSP(*(vu32*)appxaddr);  

    jump2app();   //**跳转到APP.
  }
}

这段代码大家自行研究，如果展开讲就属于赘述了。
到这里BL相关的要点就介绍完了，大家应该有能力去完成一个简单的BL了。基于 STM32 设计的一个小实验，大家有兴趣可以小试牛刀一下，如图

我们将 BL 程序用 Jlink 烧录到 0X08000000 位置，而把 APP 程序烧录到 0X08002000 开始位置，然后复位，如果串口打印了 hello world 或流水灯亮起来了，就说明我们的 BL 成功了。

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原文：https://mp.weixin.qq.com/s/rOjvERrcyfs4E9hfco5-pw

文章作者: 改变世界
文章链接: https://axbx.gitee.io/20230702/learn_ota/%E6%B7%B1%E5%85%A5%E6%B5%85%E5%87%BA%E8%AE%B2%E8%A7%A3%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA%E7%9A%84BootLoader.html
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