單片機(jī)需要使用Bootloader嗎（1）

 Bootloader

“Bootloader”俗稱(chēng)“引導(dǎo)加載程序”。在我們狹義上說(shuō)的“Bootloader”是特指嵌入式設(shè)備中的引導(dǎo)程序，但是從廣義的角度上來(lái)說(shuō)，PC機(jī)中也存在“Bootloader”，比如Windows中的引導(dǎo)工具為“NTLOADER”，“Bootmgr”。

“NTLOADER”是Windows 98和Windows XP時(shí)代的引導(dǎo)程序，而Windows Vista，Windows 7和Windows 10操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序則為“Bootmgr”。Linux操作系統(tǒng)也有自己特定使用的引導(dǎo)程序，這就是開(kāi)源組織GNU推出的Grub（GRand Unified Bootloader簡(jiǎn)稱(chēng)“GRUB”），它可以引導(dǎo)非常多的操作系統(tǒng)，功能非常強(qiáng)大。

然而對(duì)于普通程序猿來(lái)說(shuō)，PC端的引導(dǎo)程序根本不需要我們涉及，它們往往會(huì)隨著操作系統(tǒng)被一并自動(dòng)安裝進(jìn)我們的PC，只有當(dāng)安裝了雙系統(tǒng)的時(shí)候，開(kāi)機(jī)會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)管理器讓你選擇進(jìn)入哪個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，引導(dǎo)程序才會(huì)顯出它的“真身”。

圖1 雙系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)引導(dǎo)

在嵌入式設(shè)備中，Bootloader程序的裁剪是一門(mén)必修課。嵌入式設(shè)備中，只要使用了Linux這種操作系統(tǒng)必須要使用引導(dǎo)程序，這些嵌入式Linux操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序用的是一個(gè)名叫“U-Boot”的開(kāi)源軟件。而早在嵌入式Linux剛剛興起的時(shí)候，各家的硬件平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有現(xiàn)在這么高，因此對(duì)于不同的硬件平臺(tái)，需要修改U-Boot的代碼來(lái)適配。

圖2 U-Boot的官方網(wǎng)站

接下來(lái)問(wèn)題來(lái)了，為什么這種操作系統(tǒng)一定要用引導(dǎo)程序來(lái)引導(dǎo)呢？首先來(lái)看下U-Boot這種Bootloader的主要功能，這里主要是介紹早期的U-Boot功能，這些功能是整個(gè)嵌入式Linux操作系統(tǒng)成功運(yùn)行的基礎(chǔ)。U-Boot的運(yùn)行分為兩個(gè)階段：

第一階段是Low level init，即低級(jí)別的初始化，這一階段主要完成以下一些工作：

設(shè)置異常向量；

設(shè)置CPU速度、時(shí)鐘頻率以及中斷控制寄存器；

初始化內(nèi)存控制器；

拷貝U-Boot第二階段的功能代碼到RAM空間；

設(shè)置堆棧，初始化數(shù)據(jù)段并跳轉(zhuǎn)至第二階段引導(dǎo)。

第二階段主要完成的功能有：

初始化Flash設(shè)備；

初始化系統(tǒng)內(nèi)存；

初始化NAND，顯示，網(wǎng)絡(luò)等其他設(shè)備；

進(jìn)入Bootloader功能區(qū)（可選，功能可以為硬件測(cè)試，下載操作系統(tǒng)內(nèi)核，下載文件系統(tǒng)等）；

將Kernel和根文件系統(tǒng)從Flash映射到RAM中；

設(shè)定內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)和啟動(dòng)內(nèi)核。

u-boot.lds

OUTPUT_ARCH(arm)ENTRY(_start)SECTIONS{    . = 0x00000000;    . = ALIGN(4);    .text :    {          *(.__image_copy_start)        CPUDIR/start.o (.text*)        *(.text*)    }     . = ALIGN(4);    .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }    . = ALIGN(4);    .data : { *(.data*)

arch/arm/cpu/armv7/start.s中節(jié)選代碼

.globl _start_start: b   reset    ldr pc, _undefined_instruction    ldr pc, _software_interrupt    ldr pc, _prefetch_abort    ldr pc, _data_abort    ldr pc, _not_used    ldr pc, _irq    ldr pc, _fiq#ifdef CONFIG_SPL_BUILD_undefined_instruction: .word _undefined_instruction_software_interrupt:    .word _software_interrupt_prefetch_abort:    .word _prefetch_abort_data_abort:        .word _data_abort_not_used:      .word _not_used_irq:           .word _irq_fiq:           .word _fiq_pad:           .word 0x12345678 /* now 16*4=64 */#else.globl _undefined_instruction_undefined_instruction: .word undefined_instruction.globl _software_interrupt_software_interrupt:    .word software_interrupt.globl _prefetch_abort_prefetch_abort:    .word prefetch_abort.globl _data_abort_data_abort:        .word data_abort.globl _not_used_not_used:      .word not_used.globl _irq_irq:           .word irq.globl _fiq_fiq:           .word fiq_pad:           .word 0x12345678 /* now 16*4=64 */#endif  /* CONFIG_SPL_BUILD */.global _end_vect_end_vect:.balignl 16,0xdeadbeef

在GCC的Make系統(tǒng)中，一個(gè)程序的入口是由鏈接文件決定的，也就是我們這里的start.s文件。在ARM系統(tǒng)上電的時(shí)候，會(huì)根據(jù)硬件啟動(dòng)方式的選擇，進(jìn)入不同的啟動(dòng)區(qū)域，但是這段代碼無(wú)論無(wú)何都會(huì)被執(zhí)行，只不過(guò)是從哪里映射到起始地址而已。

等到整個(gè)U-Boot運(yùn)行起來(lái)之后，接下來(lái)用戶(hù)就可以選擇是直接引導(dǎo)程序，還是進(jìn)行內(nèi)核更新或者文件系統(tǒng)更新，這些軟件的更新也是U-Boot提供的一些功能。

圖3 U-Boot通過(guò)串口打印出的CLI界面

單片機(jī)的Bootloader

既然Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，必須要用Bootloader初始化硬件以及引導(dǎo)操作系統(tǒng)，那么在沒(méi)有Linux操作系統(tǒng)的單片機(jī)中為什么還要用Bootloader？

單片機(jī)中使用Bootloader的主要作用有兩個(gè)：

改變軟件燒寫(xiě)方式；

方便軟件更新（在線(xiàn)更新或者OTA）。

軟件更新這一點(diǎn)很好理解，因?yàn)槟壳昂芏嘣O(shè)備都可以聯(lián)網(wǎng)，可以設(shè)置一個(gè)服務(wù)器自動(dòng)推送一個(gè)新版本的固件來(lái)給單片機(jī)升級(jí)，既省去了客戶(hù)服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)更新軟件的成本，又可以發(fā)揮軟件行業(yè)敏捷開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 OTA升級(jí)

而改變軟件的燒寫(xiě)方式這一點(diǎn)可能有點(diǎn)困惑了，現(xiàn)在的MCU明明可以用J-Link，用串口等等方式來(lái)燒寫(xiě)，為什么還要去改變軟件的燒寫(xiě)方式呢？

這個(gè)對(duì)于一些特殊的行業(yè)，比如工程車(chē)輛，叉車(chē)，挖掘機(jī)等，它們既不支持OTA在線(xiàn)升級(jí)，對(duì)外的標(biāo)準(zhǔn)口也只有一個(gè)CAN總線(xiàn)接口，這個(gè)接口既要用作車(chē)輛信息診斷的接口，又要對(duì)整個(gè)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中的所有控制器進(jìn)行軟件升級(jí)。這就必然要給CAN總線(xiàn)加入軟件燒寫(xiě)的功能，而單片機(jī)的出場(chǎng)IAP基本只支持串口，并不支持CAN總線(xiàn)等特殊通訊口。因此一個(gè)好的Bootloader程序可以完美解決這個(gè)問(wèn)題。

圖5 林德叉車(chē)的CAN總線(xiàn)燒錄器（串口轉(zhuǎn)CAN）

下一篇文章，我們將來(lái)詳細(xì)地介紹下如何設(shè)計(jì)一個(gè)滿(mǎn)足OTA的STM32 Bootloader。