bootloader的原理及实现过程详解

嵌入式应用开发

描述

一、背景

 在嵌入式操作系统中,BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中,通常并没有像BIOS那样的固件程序

二、实现思路

  bootloader其实就是一段启动程序,它在芯片启动的时候首先被执行,它可以用来做一些硬件的初始化,当初始化完成之后跳转到对应的应用程序中去。

  我们可以将内存分为两个区,一个是启动程序区(0x0800 0000 - 0x0800 2000 )大小为8K Bytes,剩下的为应用程序区(0x0800 2000 - 0x0801 0000)。

  芯片上电时先运行启动程序,然后跳转到应用程序区执行应用程序。

三、程序跳转

  bootloader一个主要的功能就是首先程序的跳转。在STM32中只要将要跳转的地址直接写入PC寄存器,就可以跳转到对应的地址中去。

怎么实现呢?

  当我们实现一个函数的时候,这个函数最终会占用一段内存,而它的函数名代表的就是这段内存的起始地址。当我们调用这个函数的时候,单片机会将这段

内存的首地址(函数名对应的地址)加载到PC寄存器中,从而跳转到这段代码来执行。那么我们也可以利用这个原理,定义一个函数指针,将这个指针指向我们

想要跳转的地址,然后调用这个函数,就可以实现程序的跳转了。

  代码如下:

#define  APP_ADDR  0x08002000   //应用程序首地址定义 
typedef void (*APP_FUNC)(); //函数指针类型定义

APP_FUNC jump2app; //定义一个函数指针

jump2app = ( APP_FUNC )(APP_ADDR + 4); //给函数指针赋值
jump2app(); //调用函数指针,实现程序跳转

  上面的代码实现了我们要的跳转功能,但是为什么要跳转到(APP_ADDR + 4) 这个地址,而不是APP_ADDR.

  首先我们要了解主控芯片的启动过程。以STM32为例,在芯片上电的时候,首先会从内存地址位0x0800 0000(由启动模式决定)的地方加载栈顶地址(4字节),从0x0800 0004的地方加载程序复位地址(4字节),然后跳转到对应的复位地址去执行。

  所以上面的程序会中,jump2app这个函数指针的地址为(APP_ADDR + 4),调用这个函数指针的时候,芯片内核会自动跳转到这个指针指向的内存地址,也即是应用程序的复位地址。

四、加载栈地址

  实际运行会发现,上面的程序可能会出现问题。因为我们还缺少了一个栈地址的加载过程,也就是芯片上电的第一个动作。这里要用到一点汇编的知识:

__asm void MSR_MSP(uint32_t addr)
{
    MSR MSP, r0
    BX r14;
}
 __asm void MSR_MSP(uint32_t addr) 是MDK嵌入式汇编形式。

MSR MSP, r0 意思是将r0寄存器中的值加载到MSP(主栈寄存器,复位时默认使用)寄存器中,r0中保存的是参数值,即addr的值

BX r14 跳转到连接寄存器保存的地址中,即退出函数,跳转到函数调用地址

  完整的程序如下:

#define APP_ADDR 0x08002000 //应用程序首地址定义 
typedef void (*APP_FUNC)(); //函数指针类型定义

/**
  * @brief
  * @param
  * @retval
  */
__asm void MSR_MSP(uint32_t addr)
{
    MSR MSP, r0
    BX r14;
}


/**
  * @brief
  * @param
  * @retval
  */
void run_app(uint32_t app_addr)
{
    uint32_t reset_addr = 0;
    APP_FUNC jump2app;
    
    /* 跳转之前关闭相应的中断 */
    NVIC_DisableIRQ(SysTick_IRQn);
    NVIC_DisableIRQ(LPUART_IRQ);
    
    /* 栈顶地址是否合法(这里sram大小为8k) */
    if(((*(uint32_t *)app_addr)&0x2FFFE000) == 0x20000000)
    {
        /* 设置栈指针 */
        MSR_MSP(app_addr);
        /* 获取复位地址 */
        reset_addr = *(uint32_t *)(app_addr+4);
        jump2app = ( APP_FUNC )reset_addr;
        jump2app();
    }
    else
    {
        printf("APP Not Found!\n");
    }
}

五、编译设置

  我们需要在设置界面将默认(0x8000000)改为我们的应用程序地址(0x8002000)

poYBAGKtoIGAOtpZAAGKkMPFU-E907.png

六、中断向量表重映射

  完成了上面的工作,实际测试发现程序还是无法正确运行。原因是我们没有进行中断向量表的重映射。向量表映射?什么时候有做过这个工作,我们来看一下:

.s文件里有如下代码:

; Reset handler routine
Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler                 [WEAK]
        IMPORT  __main
        IMPORT  SystemInit  
                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

这代码表示,程序在执行main函数之前,会先执行SystemInit这个函数。下面看看这个函数:

/**
  * @brief  Setup the microcontroller system.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SystemInit (void)
{
/*!< Set MSION bit */
  RCC->CR |= (uint32_t)0x00000100U;

  /*!< Reset SW[1:0], HPRE[3:0], PPRE1[2:0], PPRE2[2:0], MCOSEL[2:0] and MCOPRE[2:0] bits */
  RCC->CFGR &= (uint32_t) 0x88FF400CU;

  /*!< Reset HSION, HSIDIVEN, HSEON, CSSON and PLLON bits */
  RCC->CR &= (uint32_t)0xFEF6FFF6U;

  /*!< Reset HSI48ON  bit */
  RCC->CRRCR &= (uint32_t)0xFFFFFFFEU;

  /*!< Reset HSEBYP bit */
  RCC->CR &= (uint32_t)0xFFFBFFFFU;

  /*!< Reset PLLSRC, PLLMUL[3:0] and PLLDIV[1:0] bits */
  RCC->CFGR &= (uint32_t)0xFF02FFFFU;

  /*!< Disable all interrupts */
  RCC->CIER = 0x00000000U;

  /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
#endif
}

  从上面的代码可以看到,这个函数主要是做了时钟的初始化和中断初始化,还有就是中断向量表的映射,就是最后那一段代码

  

poYBAGKtoMKAO1bzAAD8OXA5lO8440.png

再看看FLASH_BASE 和 VECT_TAB_OFFSET的定义:

poYBAGKtoOCAIUjEAAEZB3-GFsQ012.png

这里默认映射地址就是FLASH的初始地址,所以只要将其改成我们程序的起始地址就行了: SCB->VTOR = 0x08002000

  编译,运行,下载.

 七、总结

  程序跳转完成,对于bootloader来说也就完成了一大半。剩下的就是根据自己的需求去完善相应功能了,比如我的在线升级功能,就要在bootloader里做固件接收和校验的功能。这里有一点需要特别注意的是,跳转程序之前最好把你用到的中断都关了,不然跳转之后的程序没有对应的中断处理函数,那就又可能使得程序进入死循环中。

审核编辑:符乾江

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