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Bootloader/IAP零基础入门（0） —— Bootloader/IAP的前置知识

时间：2024-03-22 18:31:32浏览次数：28  
标签：bin RAM Flash 程序 Bootloader IAP 前置

前言

（1）如果有嵌入式企业需要招聘湖南区域日常实习生，任何区域的暑假Linux驱动/单片机/RTOS的实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：[email protected]，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）本章节主要是进行一些基础科普，对这部分了解的，可自行跳到后面章节。

Bootloader/IAP的前置知识

Bootloader/IAP是做什么的？

（1）首先，我们需要知道Bootloader/IAP有什么作用，才更有动力学习Bootloader。
（2）在实际项目中，我们对一个产品往往是需要更新换代的。但是，在程序的升级过程中，我们总不可能把装配好的产品拆开，然后接线烧录程序。所以，为了解决这样的问题，我们就需要了解了解Bootloader/IAP这项技术了。
（3）拥有了Bootloader/IAP这项技术，我们嵌入式软件工程师也可以像纯软的工程师一样，实现远程调试，不需要实地进行调试开发板。这样不仅仅可以提高调试的效率，还可以降低调试的成本，减少频繁的无意义的出差。

程序的几种下载方式

（1）注意：此部分内容节选自B站：STM32的IAP技术，基于CAN总线的STM32F103 BootLoader设计视频讲义。

ICP

（1）在电路中编程。使用厂家配套的软件或仿真器进行程序烧录，目前主流的有JTAG接口和SWD接口，常用的烧录工具为J-Link、ST-Link等。

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（2）在程序开发阶段，通常在连接下载器的情况下直接使用编程软件进行程序下载调试。在MDK软件中可以选择不同的下载器。

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ISP

（1）在系统中编程。以STM32为例，其内置了一段Bootloader程序，可以通过让boot0 = 1，boot1 = 0通过系统存储器启动来运行这段程序，再通过ISP编程工具将程序下载进去。下载完毕之后，让boot0 = 0，让MCU主闪存存储器启动，使得MCU运行所下载的程序。

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IAP

（1）IAP技术全称为In-Application Programming，翻译过来就是在应用中编程。IAP可以使用微控制器支持的任一种通信接口（如I/O端口、USB、CAN、UART、I2C、SPI等）下载程序或数据到FLASH中。IAP允许用户在程序运行时重新烧写FLASH中的内容。但需要注意，IAP要求至少有一部分程序（Bootloader）已经使用ICP或ISP烧到FLASH中。

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（2）无论是ICP技术还是ISP技术，都需要连接下载线，设置跳线帽等操作。一般来说，产品的电路板都会密封在外壳中，在这时若要使用ICP或ISP的方式对程序进行更新，则必然要拆装外壳，如果产品的数量比较多，将花费很多不必要的时间。
（3）采用IAP编程技术，可以在一定程度上避免上述的情况。一般情况下，产品的外壳都会留有通信接口，若能通过这种通信方式对程序进行升级，则可以省去拆装的麻烦。在此基础上，若引入远距离或无线数据传输方案，更可以实现远程编程或无线编程。
（4）例如我使用如下模块，一个接在开发板上，一个接在电脑上，即可实现无线编程。

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程序分区

（1）需要学习Bootloader/IAP技术之前，我们需要对程序的存储位置有一个详细的了解。因此，我建议各位先阅读C站：RAM明明断电会丢失数据，为什么初始化的全局变量存储在RAM？详细分析程序的存储这篇博客之后，再进行后续的学习。这样方便后续对Bootloader/IAP技术学习。
（2）通过上面这篇博客的学习，我们知道了有了如下知识基础：

  • 代码段，初始化非0的可读可写段是需要占用Flash空间的。
  • 在芯片启动阶段，初始化非0的可读可写段会从Flash复制粘贴到RAM空间。初始化非0的可读可写段会通过启动程序在RAM空间清零，并且进行占用。

Bootloader/IAP的工程是什么样子的

Bootloader/IAP与APP工程

（1）简单了解了Bootloader之后，我们需要知道Bootloader的工程是长什么样子的。Bootloader是一个用户自定义的升级程序，因此Bootloader是一个独立的工程项目。在实际开发过程中，Bootloader是很少会需要进行调整的，因为Bootloader的调整就需要拆机重新烧录，会相当的麻烦。因此一家企业的Bootloader都需要反复的确认无误之后再进行应用程序开发。
（2）应用程序开发又是一个独立的工程文件，这个是实际的业务代码。即使代码出现错误，也可以通过Bootloader不进行拆机即可进行升级维护。因此这部分代码有较高的容错率。
（3）通过上述的科普，我们即可知道，如果是没有Bootloader，那么一个工程即可完成。但是有了Bootloader，那么一个工程就需要分为Bootloader工程和应用工程两部分。

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如何知道Bootloader占用多少Flash和RAM

（1）如果需要自行开发Bootloader，当然需要对芯片的布局要有一个详细的了解。例如我现在以STM32F103ZE为例，这款芯片的Flash为512KB，RAM为40KB。如下为有无Bootloader的Flash空间介绍，可以看出，如果有Bootloader之后，同一款芯片的应用程序空间会被挤压，这也是需要付出的代价。不过一般来说，Bootloader空间不大，而且如今的存储器已经不那么昂贵，为了方便开发，提高效率，这点牺牲是可接受的。

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（2）上面我们说了，如果是没有Bootloader的工程一个即可。但如果是拥有了Bootloader，那么就需要分成两个工程进行。如果分两个工程，那么我们就应该了解工程的FLash和RAM的空间是如何分配的。
（3）既然需要分配FLash和RAM的空间，那么就需要首先知道Bootloader的程序大小是多少。
（4）按照下图方式，即可知道当前的Bootloader所占Flash空间大小。
（5）至于RAM，因为Bootloader的生命周期仅仅为上电一瞬间，当Bootloader成功将芯片引导进入APP程序的时候，Bootloader就没有任何作用了。因此，我们只需要使用Keil自动帮我们分配好的RAM起始地址和大小即可。
注：这部分不了解的，可以先学习上面所说的，程序内存分区加深各位对RAM作用的理解。

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如果分配Bootloader和APP的Flash和RAM

（1）我们已经知道了Bootloader的的Flash大小，现在就可以分析如何分配Bootloader和APP的Flash和RAM了。
<1>首先Flash的起始地址为0x8000000，因此Bootloader的Flash起始地址设置为0x8000000，这个没有什么可以解释的。
<2>但是我们看看APP的Flash的起始地址却是0x8010000，这个是为什么呢？原因很简单，因为Bootloader是需要占用Flash空间的，而我们这里给Bootloader分配的空间是64KB，因此APP的Flash需要从0x8010000 位置开始。
<3>因为STM32F103ZE的Flash为512KB，因此Bootloader的Flash大小设置为0x80000。个人不建议这么设置，因为我们给Bootloader分配的空间是64KB，所以我建议Bootloader的Flash大小这里设置为0x10000，因为这样，如果Bootloader如果程序大小超了64KB，编译器会进行提示。
<4>因为STM32F103ZE的Flash为512KB，而们给Bootloader分配的空间是64KB。因此APP的Flash大小就应该为0x70000（448KB）。
<5>现在各位有没有一个疑惑，怎么APP和Bootloader的RAM起始地址和大小都是一模一样的呢？如果了解程序的内存布局，就知道原因很简单，因为Bootloader的生命周期只有上电的一瞬间，当Bootloader将程序引导进入APP程序的时候，Bootloader就将不会再发挥任何作用。因此APP可以占有全部的RAM。

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为什么Bootloader升级是需要bin文件

（1）如果我们使用Bootloader升级是需要使用bin文件的。但是我们都知道，程序下载又有bin，hex，axf这三种文件，那么这三者有什么区别呢？

  • bin：最直接的代码映像，它记录的内容就是要存储到 FLASH 的二进制数据 (机器码本质上就是二进制数据)，在 FLASH 中是什么形式它就是什么形式，没有任何辅助信息，包括大小端格式也没有，因此下载器需要有针对芯片 FLASH 平台的辅助文件才能正常下载(一般下载器程序会有匹配的这些信息)；
  • hex：是一种使用十六进制符号表示的代码记录，记录了代码应该存储到 FLASH 的哪个地址，下载器可以根据这些信息辅助下载。例如上面的ISP下载方式就是需要hex文件。
  • axf：不仅包含代码数据，还包含了工程的各种信息，因此它也是三
    个文件中最大的。我们将axf文件进行反汇编，之后不仅可以看到代码数据，还有具体的标号、地址以及反汇编得到的代码。

keil的反汇编以及bin文件生成介绍

（1）之后进行bootloader升级，是先让app程序生成bin文件，然后再通过上位机传输bin文件升级。而keil是不会自动生成bin文件的，需要我们输入命令行来进行。因此，我们需要在keil中配置如下指令。
（2）在bootloader的学习过程中，我们也会需要阅读反汇编来进行调试。而keil不会自动生成反汇编文本，因此也需要自行配置。

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生成bin文件

（1）fromelf 是keil官方提供的一个工具，这个工具能够根据你输入的不同提示信息来做出相应的处理。如果有Linux基础的朋友对这个会比较熟悉，没有Linux基础的这部分可以不看，对后续学习不影响。
（2）

  • –bin，生成一个bin文件
  • –out，bin文件输出的路径，及其名字
  • !L，等价.\template\template.axf表示axf文件的路径。例如我现在axf文件路径是在工程的template文件夹中，axf文件名字叫做template.axf。因为大多数人采用的是第一种写法，怕各位无法理解产生疑惑，因此我都写出来。
# 常见写法
fromelf --bin --output .\template.bin .\template\template.axf
# 推荐写法
fromelf --bin !L --output template.bin

生成反汇编文件

（1）

  • –text，表示将输出转换为文本格式。
  • -a，打印数据的地址。
  • -c，打印反汇编代码
# 常见写法
fromelf --text -ac --output=template.dis .\template\template.axf
# 推荐写法
fromelf !L --text -ac --output=template.dis

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STM32F103的启动流程

无Bootloader的启动流程

（1）如果没有Bootloader，芯片的启动流程如下。
这里需要注意，M3和M4内核上电启动，会从0x08000000取四字节数据作为堆栈指针，然后从0x08000004取四字节数据作为复位中断地址。

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（2）如果是使用的Keil，各位会发现，我根本就没有将数据段复制到RAM，也没有清除BSS段啊。这是因为，我们的这些操作，已经在Keil提供的__main函数中完成了，可以打开.s启动文件看一下，完成芯片的系统初始化之后，其实是跳转到__main函数，而不是main函数。

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（3）如果想要了解芯片启动的全部流程，可以看看C站：如何使用Linux编写STM32程序并且烧录这篇博客。
（4）复制数据段和清除BSS段代码如下：

/* _data_loadaddr : Flash中数据段起始地址，由编译器提供
 * _data          : RAM中数据段起始地址，由编译器提供
 * _edata         : RAM中数据段结束地址，由编译器提供
 */
for (src = &_data_loadaddr, dest = &_data;
	dest < &_edata;
	src++, dest++) {
	*dest = *src;
}
/* 因为bss段紧贴数据段，因此复制粘贴完数据段，马上就开始bss段的清零操作
 * _ebss : RAM中bss段结束地址，由编译器提供
 */
while (dest < &_ebss) {
	*dest++ = 0;
}

（5）上面的_data_loadaddr，_data，_edata，_ebss这些数据是由编译器提供。如果是使用的Keil MDK，那么就应该使用如下的

Keil中符号含义对应上述信息
Load$$RW_IRAM1$$BaseFlash中数据段起始地址_data_loadaddr
Image$$RW_IRAM1$$BaseRAM中数据段起始地址_data
Image$$RW_IRAM1$$Length需要搬运的数据段长度，单位是字节_edata - _data
Image$$RW_IRAM1$$ZI$$BaseRAM中BSS段起始地址_edata + 1
Image$$RW_IRAM1$$ZI$$LengthBSS段的长度，单位是字节_ebss - _edata - 1

（6）如果想要了解如何自己在MDK上写一个清除BSS和复制粘贴数据段的代码，可以看看ARM架构与编程 · 基于STM32F103课程。
（7）不过这部分课程的代码我个人认为并不严谨，因为Image\$\$RW_IRAM1\$\$Length和Image\$\$RW_IRAM1\$\$ZI\$\$Length单位是字节，而不是字，所以这些数据需要除以4。再者，如上的数据均为32位无符号数据，韦东山老师的课程里面是以int数据进行处理，明显有隐患。至于为什么能跑，原因很简单，数据段将本来要复制的数据从Flash复制到RAM之后，还会复制一些本不需要从Flash的数据复制到RAM，虽然这部分数据不需要复制，但是并不影响程序运行。BSS同理。

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有Bootloader的启动流程

（1）如果有Bootloader之后，清除完BSS，就会进入Bootloader判断是否需要升级程序。
（2）是否进行固件升级的判断可以从硬件和软件两个方面进行考虑，以下只是提供一种思路，各位可以自行扩展自己的思维：

  • 硬件：通过拨码开关、跳线帽等方式设定单片机某一引脚电平状态，程序通过读取引脚电平判断是否需要升级。此种方式需要接触板卡进行操作，当板卡被封闭在外壳中或安装于不便于操作位置时很难实现。
  • 软件：单片机每次上电首先进入BootLoader程序，在BootLoader中等待一定时间，若上位机软件在该时间段内发起通讯，则停留在BootLoader程序中等待固件升级；若该时间段内无通讯，则跳转到正常的APP程序。该方式每次上电都要等待一定时间，需要考虑是否可以介绍。

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上位机和下位机的传输协议适配

（1）上位机和下位机传输数据是需要遵循一定的通讯协议的，但我们也可以不使用任何通讯协议。
（2）不使用通讯协议的坏处是，如果bin文件传输过程中一旦出现了一点点差错，就会导致整个应用程序崩盘。而且我们还无法知道到底是应用程序有bug，还是传输过程中出现了错误。
（3）但是不使用通讯协议也有一定的好处，就是会让整个Bootloader更加简单明了，便于新手学习理解。
（4）我们这里打算不适用通讯协议传输bin文件，因此需要使用不加通讯协议传输bin文件的工具，下载链接：http://47.111.11.73/docs/tool/ruanjian/ATK-XCOM.html

我们的愿景和需要的实现

（1）本系列教程的需要实现的需求如下：
<1>带着各位基于STM32F103的芯片，实现一个简单的串口升级下载的Bootloader程序。
<2>能够兼容SPI，I2C，CAN等外设升级的需求。
<3>Bootloader的传输不具备传输协议，加密功能。不支持分页设计。

参考

（1）C站：如何使用Linux编写STM32程序并且烧录
（2）C站：RAM明明断电会丢失数据，为什么初始化的全局变量存储在RAM？详细分析程序的存储
（3）B站：STM32的IAP技术，基于CAN总线的STM32F103 BootLoader设计
（4）面包板社区：程序本身如何知道自身大小？这是鸡生蛋还是蛋生鸡的问题！
（5）C站：STM32启动过程详解
（6）C站：STM32三种BOOT启动模式详解(全网最全)
（7）百问网：ARM架构与编程 · 基于STM32F103
（8）[野火]STM32 库开发实战指南——基于野火霸道开发板：46.4.3.5 hex 文件及 bin 文件。

标签：bin,RAM,Flash,程序,Bootloader,IAP,前置
From： https://blog.csdn.net/qq_63922192/article/details/136713319

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