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

  • ./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：

  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argc和argv，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