如何編寫ARM處理器的Bootloader

作者 | strongerHuang

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之前從應(yīng)用的角度給大家分享過Bootloader相關(guān)的文章，今天從底層原理來給大家描述ARM處理器如何編寫B(tài)ootloader。

1關(guān)于Bootloader

Bootloader顧名思義就是引導(dǎo)加載程序，是在操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序運(yùn)行之前的一段程序，是在系統(tǒng)上電后執(zhí)行的一段程序代碼。

BootLoader是嚴(yán)重地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式平臺。因此，在嵌入式平臺里建立一個通用的BootLoader幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫ootloader歸納出一些通用的概念來，以指導(dǎo)用戶特定的BootLoader設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

---來源百度百科

Bootloader在手機(jī)、電腦、眾多嵌入式系統(tǒng)中都存在，它的作用有很多，比如：初始化底層應(yīng)用驅(qū)動、加載應(yīng)用程序、更新應(yīng)用程序等。

不同的設(shè)備，Bootloader可能差異很大，通常來說Bootloader比較依賴底層硬件和實(shí)際項(xiàng)目需求。

2如何編寫bootloader

bootloader是一段引導(dǎo)加載程序代碼，它更新用戶的應(yīng)用程序代碼，可以使用很多硬件下載通道（例如USB、網(wǎng)絡(luò)端口）獲得新代碼。

在執(zhí)行引導(dǎo)ROM之后，將執(zhí)行bootloader程序，并在需要時進(jìn)行更新，然后執(zhí)行最終用戶應(yīng)用程序。

引導(dǎo)加載程序和用戶應(yīng)用程序應(yīng)作為兩個獨(dú)立的Project或Object進(jìn)行編寫和編譯，從而產(chǎn)生兩個獨(dú)立且可執(zhí)行的（bin/hex）文件。

引導(dǎo)加載程序的主要任務(wù)是在必要時對用戶應(yīng)用程序進(jìn)行重新編程/替換，并跳轉(zhuǎn)至用戶應(yīng)用程序以執(zhí)行該程序，應(yīng)用程序不一定需要知道引導(dǎo)加載程序的存在。

引導(dǎo)加載程序通常位于芯片閃存基址，下面通過一張圖來描述內(nèi)存和Flash代碼映射關(guān)系：

有很多方法可以引導(dǎo)bootloader進(jìn)入編程模式，以將用戶應(yīng)用程序重新編程到Flash中，或者直接跳轉(zhuǎn)到現(xiàn)有的用戶應(yīng)用程序來執(zhí)行。最簡單的方法是檢查GPIO引腳以確定是否應(yīng)進(jìn)入編程模式。

大多數(shù)芯片供應(yīng)商為用戶提供了一種方便的方式，例如 ISP 和 IAP 接口，bootloader將使用它們來更新閃存內(nèi)容。

當(dāng)Flash內(nèi)容已更新或已經(jīng)是最新時，引導(dǎo)加載程序?qū)⑻D(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序。在執(zhí)行用戶應(yīng)用程序之前，這需要許多步驟：

1.確保CPU處于特權(quán)模式。

2.禁用NVIC中所有啟用的中斷。

3.禁用所有可能產(chǎn)生中斷請求的使能外設(shè)，并清除這些外設(shè)中的所有未使用中斷標(biāo)志。

4.清除NVIC中所有未使用的中斷請求。

5.禁用SysTick并清除其異常掛起位。

6.如果引導(dǎo)加載程序使用了單個故障處理程序，請禁用它們。

7.如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)核當(dāng)前與PSP一起運(yùn)行，則激活MSP（由于編譯器可能仍在使用堆棧，因此在此之前需要將PSP復(fù)制到MSP）。

8.將用戶應(yīng)用程序的向量表地址加載到SCB-》 VTOR寄存器中。確保地址符合對齊要求。

9.最后一部分是將MSP設(shè)置為用戶應(yīng)用程序向量表中找到的值，然后將用戶應(yīng)用程序的重置向量值加載到PC中，也就是跳轉(zhuǎn)功能。

比如通過調(diào)用下面的示例BootJump（）這樣的函數(shù)來完成此操作：

static void BootJump（uint32_t *Address）{ //1.確保CPU處于特權(quán)模式。 if（ CONTROL_nPRIV_Msk & __get_CONTROL（）） { /* not in privileged mode */ EnablePrivilegedMode（） ; } //2.禁用NVIC中所有啟用的中斷。 Disable_All_Peripherals（）; //3.禁用所有可能產(chǎn)生中斷請求的使能外設(shè)，并清除這些外設(shè)中的所有未使用中斷標(biāo)志。 NVIC-》ICER［ 0 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICER［ 1 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICER［ 2 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICER［ 3 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICER［ 4 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICER［ 5 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICER［ 6 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICER［ 7 ］ = 0xFFFFFFFF; //4.清除NVIC中所有未使用的中斷請求。 NVIC-》ICPR［ 0 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICPR［ 1 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICPR［ 2 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICPR［ 3 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICPR［ 4 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICPR［ 5 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICPR［ 6 ］ = 0xFFFFFFFF; NVIC-》ICPR［ 7 ］ = 0xFFFFFFFF; //5.禁用SysTick并清除其異常掛起位。 SysTick-》CTRL = 0; SCB-》ICSR |= SCB_ICSR_PENDSTCLR_Msk; //

6.如果引導(dǎo)加載程序使用了單個故障處理程序，請禁用它們。 SCB-》SHCSR &= ~（ SCB_SHCSR_USGFAULTENA_Msk | \ SCB_SHCSR_BUSFAULTENA_Msk | \ SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk ） ; //7.如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)核當(dāng)前與PSP一起運(yùn)行，則激活MSP if（ CONTROL_SPSEL_Msk & __get_CONTROL（）） { /* MSP is not active */ __set_MSP（ __get_PSP（）） ; __set_CONTROL（ __get_CONTROL（） & ~CONTROL_SPSEL_Msk）; } //8.將用戶應(yīng)用程序的向量表地址加載到SCB-》 VTOR寄存器中。 SCB-》VTOR = （ uint32_t ）Address ; //9.跳轉(zhuǎn) BootJumpASM（ Address［ 0 ］， Address［ 1 ］）;}

再次說明bootloader與底層硬件和實(shí)際需求有關(guān)，以上代碼僅供參考，主要是提供思路，方便大家理解。

責(zé)任編輯：haq