STM32的bootloader探究

OTA

  • OTA(Over-The-Air Technology,空中下载技术)是一种通过无线网络对设备进行远程升级的技术。这种技术最初在PC电脑和移动手机行业中得到应用,近年来在汽车行业中也得到了广泛的应用。

  • IAP :In-Application Programming (IAP) 是一种使微控制器(MCU)能够在系统运行时更新自身固件的技术。这种技术允许设备在现场升级,而无需通过传统的编程器或调试器。IAP通常通过使用MCU的通信接口,如UART、USB或CAN等来实现。此外,还支持通过各种通信协议进行,如以太网、Wi-Fi或蜂窝网络,bootloader即是实现这种功能的代码。

    • 注意这里是在程序运行时编程
  • XIP:烧写到flash上,直接在flash上执行

  • Z-Modem :是一个高级的文件传输协议,主要用于计算机之间的文件传输,尤其是在拨号网络和早期互联网时代非常流行。相比于X-Modem和Y-Modem协议,Z-Modem提供了更高的传输速度、错误恢复能力以及自动文件名和文件大小的协商,极大地提高了文件传输的效率和可靠性。

    Z-Modem协议的几个关键特点包括:

    1. 自动握手与错误纠正:Z-Modem能够自动进行连接握手,无需用户干预,而且具备强大的错误检测和纠正机制,可以在嘈杂的通信线路中保证数据的完整性。

    2. 高速传输:通过使用更大块的数据包(可达32K字节),Z-Modem能够比X-Modem和Y-Modem更快地传输文件。

    3. 流控与中断恢复:Z-Modem支持双向的流控制,能够在传输过程中动态调整数据速率,以适应当前的线路条件。此外,它还支持断点续传,即使传输中断也能从中断处继续,无需重新开始。

    4. 自动文件名与方向检测:Z-Modem协议能够自动传输文件名和文件大小信息,接收方可以决定是否接受传输。同时,它能够自动检测文件传输的方向,无需用户指定发送或接收。

    5. 透明数据传输:支持二进制文件的无缝传输,无需对特殊字符进行转义,提高了文件传输的通用性。

    尽管随着网络技术的发展,如FTP、HTTP、SCP等协议在今天的网络文件传输中更为常见,Z-Modem因其高效和健壮性,在某些特定场景下(如复古计算、嵌入式系统或不可靠网络环境)仍有一定的应用价值。

bootloader功能总结

  • 简单的bootloader:跳转到app去执行
    • 复杂的bootloader:U-boot------初始化硬件,启动内核,调试作用

第一个bootloader

无异常向量

  • 分为两个程序,一个程序是bootloader,烧写在flash开始的地方;另一个为app,烧写到bootloader跳转的地方。

  • 实现的功能:bootloader程序在上电之后初始化串口,然后跳转到app的地址去运行打印,打印出信息。

  • 程序解析:

    • bootloader程序的启动程序

    • bootloader的main函数:

    • app的启动文件

    • app的main函数

      • 这里的main函数需设置为mymain,暂不得知,留待

有异常向量

  • bootloader的启动文件不变,main函数

  • app的启动文件

使用汇编跳转

  • 为什么要使用汇编代码来跳转?

    • cortex - m3 使用向量表机制,向量表记录了异常处理的入口。且异常发生时,会由硬件为我们从存储器的向量表中自动定位异常处理的入口。
    • 处理器上电复位时,硬件会从向量表头两个字取出赋给sp 和 pc。
    • 因为我们想要让我们的app程序仍然像往常一样写,则我们要软件上实现将app的向量表上的值赋值给sp,pc等寄存器
  • 程序解析:

    • bootloader的main函数
    • bootloader的汇编文件

重定位vector

  • 使用SCB的向量表偏移寄存器,将向量表的地址定位到app的地址。

  • 程序解析:

    • bootloader的main函数:

    • bootloader的汇编文件:

第二个bootloader

  • 有一种bootloader,硬件上电之后,bootloader跳转到app运行,app将自己从flash复制到RAM中去运行。

程序链接到任意处 使用绝对跳转会遇到问题

  • 程序解析:

    • 当我们把app程序链接到RAM中,且程序中使用绝对跳转的指令,直接使用例如指针赋值等指定的地址时,会导致程序从指针指向的地址运行,导致无法运行。

    • app的汇编文件:

    • app的main函数:

  • app的反汇编文件:

    • 联系上图查看

app将自身复制到运行的地方

  • 程序解析:

    • bootloader不变,仍然重定位向量表地址,将app中的向量表第一个放到sp,跳转到向量表第二个0x08040009进行执行
    • 这里app将自身的一份复制到RAM中,涉及到绝对跳转时,不会出错,但是跳转之后仍然会返回到FLASH中继续执行,也可以直接使用绝对跳转。
    • app的汇编文件:
    • app的main文件:

  • 遇到的问题:

    • 在MDK中,将链接地址设置到RAM中,无法将程序下载到ROM中。
      • 没有找到烧写这段程序的算法:

  • 解决:需要使用别的烧写工具,比如STM32CubeProgramer

第三个bootloader

  • 复制的方式,可以用于烧写的地方不是可以执行的地方(XIP),比如我们烧写到外部SD卡,spi-flash等等大容量的设备上

  • 这时要bootloader将程序复制到ROM或者RAM,然后跳到程序去运行。

  • 三个要素:

    • 源:SD卡,外扩的flash
    • 目的:链接地址
      • 固定的链接地址
      • app灵活,我们可以在烧写的程序前面加上一个头部,bootloader解析这个头部,然后根据头部的信息进行复制
    • 长度
  • 如何生成这个头部?

    • 使用U-boot的工具,mkimage.exe,可以生成带头部的image文件

    shell 复制代码
    ./mkimage.exe -n "f103ZET6_app" -a(加载地址) 0x20000000 -e(入口地址) 0x20000008 -d app.bin app_with_header.bin
  • 程序解析:

    • bootloader main文件:

  • bootloader的启动文件:
  • 遇到的问题:
    • 当把程序复制到RAM中去执行是可以的,但是复制到Flash中会出现崩溃,原因是默认Flash是上锁的,要对他进行写操作,需要先解锁擦除
    • 对内部Flash不像对SRAM直接用指针操作,所以是不能用指针操作的

第四个bootloder

修改异常向量的地址:

  • 硬件支持,通过重定位向量表寄存器修改向量表地址

  • 有一些硬件并不支持重定位向量表,发生异常时,仍然在bootloader中的异常向量表去寻找。

    • 怎么办呢,将bootloader中的异常向量指向app的异常向量

bootloader的框架

  • 使用分层的思想,将各层进行抽象

移植shell

  • 单片机上的shell程序上会是什么样的?
    *
    1. 一定是死循环等待输入,输入的字符存入buffer
    2. 我们输入键盘,会有显示出来:输入的字符通过串口线到板子上,板子再将字符传回PC做回显
    3. 特殊字符处理:删除键,上下箭头显示历史命令,回车

命令行传参

  • int argc, char **argv 是C语言中用于命令行参数传递的两个典型变量,通常在主函数(main function)的定义中见到。它们用于接收程序启动时从命令行传入的参数。让我们逐个解析这两个参数:

    1. int argc: 这个参数代表了"argument count",即传入程序的参数个数。它是一个整数,总是大于等于1。argc至少为1,是因为程序名称自身也被视为一个参数(即argv[0])。如果用户没有提供额外的参数,argc将等于1;每增加一个额外的参数,argc的值就增加1。

    2. **char argv[]: 这个参数代表了"argument vector",即一个指向字符指针的指针,也可以理解为一个字符串数组。它包含了指向各个参数的指针。每个指针都指向一个以空字符('\0')结尾的字符串,即C语言中的字符串。argv[0]通常是程序本身的名称或路径,argv[1]开始是用户提供的第一个参数,以此类推,直到argv[argc-1]。

    举例说明,假设你有一个名为myProgram的程序,用户在命令行中输入如下命令来运行它:

    bash 复制代码
    myProgram -f input.txt -o output.txt

    在这个例子中,argc将为4,因为总共有4个参数(包括程序名自身)。argv的内容如下:

    • argv[0] 指向 "myProgram"
    • argv[1] 指向 "-f"
    • argv[2] 指向 "input.txt"
    • argv[3] 指向 "-o"
    • argv[4] 指向 "output.txt"
    • argv[5] 是NULL,表示参数列表的结束。

    通过解析argcargv,程序可以了解用户在命令行中提供了哪些参数,以及如何根据这些参数调整行为。这是编写能够接受用户输入或配置的命令行工具的基础。

实现bootloader

  • flash中分为两段,第一段为bootloader,第二段为包含头信息的烧写文件。
    • bootloader的功能:
      • 有一个shell,可以调试,z - modem接收串口传输的文件
      • 根据头信息将程序加载到某个地址去执行