Bootloader基礎(chǔ)：讓你的嵌入式設(shè)計具有前瞻性

 世界上很少有什么項目能給嵌入式固件開發(fā)人員提供足夠多的開發(fā)時間。事實上，嵌入式固件開發(fā)就好像氣體一樣，會占據(jù)它所在的整個空間。而這往往意味著項目結(jié)束階段的測試和質(zhì)量評估承受壓力，進而提高風(fēng)險。項目經(jīng)理為如何跟上項目計劃進度發(fā)愁，嵌入式設(shè)計人員和測試工程師也面臨開發(fā)時間和測試覆蓋質(zhì)量之間的矛盾。要是所有人都能實現(xiàn)自己的目標該多好。要是硬件設(shè)計能在代碼完成前就進一步推進該多好。要是固件測試在生產(chǎn)構(gòu)造階段也能繼續(xù)進行該多好。要是整個團隊都能明確如果設(shè)計情況不好，他們總是能夠通過現(xiàn)場升級實現(xiàn)重大修改該多好。這樣，所有人晚上都能睡個安穩(wěn)覺，而通過適當(dāng)利用嵌入式引導(dǎo)加載程序(bootloader)，這完全有可能實現(xiàn)。

首先我們先明確一下有關(guān)術(shù)語。引導(dǎo)加載程序是一段常駐微處理器中的代碼，有時也位于只讀存儲器(ROM)中(在工廠制造時編寫)或者位于板載閃存存儲器的預(yù)留區(qū)域?？杉虞d引導(dǎo)代碼能載入內(nèi)存并作為正常工作期間在微處理器上運行的主應(yīng)用代碼?？杉虞d引導(dǎo)代碼可通過引導(dǎo)加載程序更新。產(chǎn)品固件的現(xiàn)場升級正是通過板載引導(dǎo)加載程序?qū)崿F(xiàn)的。

那么，什么是引導(dǎo)加載程序呢?引導(dǎo)加載程序就是位于給定微控制器上受保護程序存儲器中的一部分代碼。它通常是加電啟動或重啟后運行的第一個軟件，往往針對具體處理器和電路板。引導(dǎo)加載程序可視為一種“笨”代碼，因為它并不了解需要執(zhí)行什么應(yīng)用，甚至也不了解器件功能是什么。引導(dǎo)加載程序?qū)ｉT用來理解如果通過任意數(shù)量的通訊協(xié)議與外部進行通訊(這些協(xié)議包括UART、I2C、SPI、CAN、以太網(wǎng)等)，也可用來了解微控制器的存儲器映射。引導(dǎo)加載程序在發(fā)揮作用時，負責(zé)與外部或主機進行通訊;讀取主機發(fā)送的數(shù)據(jù)文件;更新它所在的微處理器，從而運行所提供的最新應(yīng)用代碼。

圖1：典型的嵌入式硬件架構(gòu)。

引導(dǎo)加載程序可以在接收到人工操作員(也就是手動重啟)或外設(shè)設(shè)備(即系統(tǒng)主機)的啟動信號后開始工作，視具體嵌入式系統(tǒng)而定。引導(dǎo)加載程序信號首先確認引導(dǎo)加載程序本身是否有效，明確當(dāng)前器件應(yīng)用是否有效，與主機通訊并載入提交的新應(yīng)用，隨后根據(jù)指令執(zhí)行應(yīng)用閃存重寫。大多數(shù)現(xiàn)代微控制器都能對自己的閃存重新編程。典型的引導(dǎo)加載程序在幾微秒內(nèi)就能完成這一工作。不過，存儲器尺寸較大情況下，該時間就會大幅延長，有時甚至要花幾秒鐘才能完成一次更新。一旦完成加載引導(dǎo)，引導(dǎo)加載程序必須確認加載引導(dǎo)鏡像，并將控制權(quán)交給加載引導(dǎo)代碼。用于中斷矢量的指針也必須進行設(shè)置。典型情況下，引導(dǎo)加載程序?qū)⑦M行軟重啟，以便讓應(yīng)用掌握控制。圖2給出了引導(dǎo)加載程序的邏輯流程實例。

圖2：引導(dǎo)加載程序的邏輯流程。

由于引導(dǎo)加載程序是在制造過程中被編程到器件中，并且不是器件工作所必需的首要應(yīng)用，因此實際上可以把它看作是“開銷”代碼。項目經(jīng)理和嵌入式設(shè)計人員必須要考慮引導(dǎo)加載程序所帶來的風(fēng)險保護功能與其所占用的代碼空間相比是否值得。由于這段代碼要占用空間，許多設(shè)計人員需要盡可能減小引導(dǎo)加載程序的存儲器占用量，從而將用于應(yīng)用代碼的存儲器空間實現(xiàn)最大化。引導(dǎo)加載程序至少應(yīng)提供：通訊通道、擦寫并重新編程閃存存儲器的方法以及確認和執(zhí)行新應(yīng)用代碼的方法。

此外，引導(dǎo)加載程序應(yīng)該能夠檢測、報告和處理加載引導(dǎo)操作過程中出現(xiàn)的錯誤，如斷電、通訊損失、閃存寫入錯誤等。一般通過存儲應(yīng)用的校驗和或循環(huán)冗余代碼(CRC)來實現(xiàn)閃存錯誤保護功能。加載引導(dǎo)操作開始后，這些位就會被清空。如果新的應(yīng)用成功下載并安裝，校驗和就會被更新。如果下載過程中出錯(通訊損失、斷電等)，那么引導(dǎo)加載程序會檢測無效的校驗位，且不會開始應(yīng)用操作，而是與主機通訊，等待有效的加載引導(dǎo)操作。