bootloader原理介绍

bootloader解析

bootloader的引出

在这里插入图片描述

不知道你有没有想过这样一个问题，当你按下电源开关的那一瞬间，第一行代码是如何在芯片上运行起来的呢？我们都知道嵌入式软件代码，是需要通过一定的方式，烧录在硬件芯片中，才能运行。我们所熟知的烧录方式，除了物理刻蚀以外，无论是通讯端口的传输，还是调试端口的烧录，多少都是需要驱动程序作支持，所以说是程序烧录程序，软件启动了软件。

在这里插入图片描述

这听起来就像是我们提着自己的鞋带，把自己给拎了起来，靴子Boot，鞋带Strap，接下来就是Loader，这就是BootStrapLoader最初的命名来源，我们也常简称它为BootLoader，所以也有中文翻译为自举。

程序是如何烧录、运行的

那么最初的软件是怎么烧录进去，运行起来的呢。BootLoader是芯片中最初运行的代码吗？

在这里插入图片描述

其实几乎每一块刚出厂的控制芯片，都在其内部非易失存储器ROM中烧录了属于它最基础的软件，cpu搬运并运行第一条控制代码的默认位置，就在ROM的地址空间，所以一切的起始其实是硬件。

X86架构

在这里插入图片描述

以x86架构的鼻祖8086为例，按下开关的一瞬间，芯片的reset引脚，接收到了电平跳变，在一连串电路的作用下，代码段寄存器和指令指针寄存器，分别恢复成0xFFFF和0x0000，它们组合而成的20位长度地址，正好对应于ROM存放第一条代码的位置，之后取出这里的指令，再次跳转到别处去。

ARM架构

在这里插入图片描述

而ARM架构的芯片也是类似的过程，对于32位的ARM芯片，上电后，PC指针寄存器直接复位至零地址，随后从中断向量表表头的reset向量处获取下一步跳转的地址。

在这里插入图片描述

这时候的代码，已经是以二进制的形式存储，处理器直接把它搬运到自身的缓存中运行。

在这里插入图片描述

有了这第一步运行起来的代码，就能够跳转到存放有更多更复杂代码的地址，执行一些硬件自检，初始化，提供基础的输入输出支持。

在这里插入图片描述

之后还能把更多的程序以及操作系统，从外部的存储空间加载到内部，代码就这样以一种接力方式流转了起来。

BootRom

在这里插入图片描述

所以我们把出厂就写在ROM（Read Only Memery）里，负责启动后续用户软件的软件称为BootRom或者是RomCode，虽然现在不会用严格意义上的只读存储器，来存放这部分程序，但至少ROM是一块掉电不易失的存储设备，现在都是使用EEPROM或者是NorFlash，且往往我们也没有权限去修改它，不然改错变砖，芯片就真的没药可治了。

在这里插入图片描述

不过BootRom对我们而言也不是完全的黑盒，大部分芯片都会有外部启动配置引脚，通常是以拨码开关的形式，复位后的一段时间内，BootRom会把引脚采集到的高低电平组合存储起来，作为后续动作和启动设备的选择依据。

PC

在这里插入图片描述

而对于PC而言，BootRom对应的其实就是我们常说的Bios，它同样留有启动配置途径，而且提供了交互界面，用于配置部分功能，和选择后续的引导设备。

引导代码

在这里插入图片描述

那么除了芯片自带的BootRom，我们可能还需要给自己实际的应用程序，写一个二次引导代码，或者更多层的引导代码，用作操作系统，文件系统加载，以及后续程序的刷新，也就是常说的在应用编程-IAP。当我们在说bootloader时，我们指的其实也大多数是这样的二次引导代码。
那么有了解过的朋友就可能会有疑问，上面的这些事好像大部分芯片的BootRom也能做，那么还需要bootloader做什么，其实原因就在于BootRom实现的功能和配置方法不够灵活，且不一定有你想要实现的功能，而用作二次引导的bootloader，是开发人员可以完全控制的引导代码，你可能希望在上电启动后，跳转OS之前，或者是在检查代码更新请求的阶段，已经有一部分基础软件是可用的，那么就需要自己编写bootloader来实现。

实例解释

在这里插入图片描述

举个例子，以汽车上的智驾控制器而言，为它设计的bootloader，就需要提供符合UDS统一诊断服务标准的CAN诊断服务和刷新服务，这就要求我们必须要在另外的bootloader中把这些工作给做掉，而不能指望芯片自身的BootRom。

Bootloader的设计

在这里插入图片描述

在设计bootloader时，MCU的引导步骤，便开始和嵌入式Linux或PC有所不同。这一定程度上，也与不同芯片架构所采用的存储方案有关。

MCU

在这里插入图片描述

先来说MCU，与SOC相比，MCU的主要特称是单核和或多核同构的微处理器，主频一般不超过1G赫兹，一般没有MMU内存管理单元，通常最多只能运行RTOS实时操作系统。

在这里插入图片描述

常见的MCU，多基于ARM的cortex M和cortex R系列内核，英飞凌自有的tricore内核，TI自有的C28x系列内核等等。

在这里插入图片描述

MCU下程序运行的主要介质基本都是NOR Flash，因为它和RAM一样有分离的地址线和数据线，并且可以以字节长度精确寻址，所以Nor Flash中的程序是不需要拷贝到RAM中运行的。

在这里插入图片描述

以英飞凌家的TC27x系列的MCU为例，它上电后的默认取址位置，是0x8FFF 8000，这就是它的BootRom在NorFlash中的地址，并且这块BootRom分为SSW（Startup Software），BSL（Bootstrap Loader）也就是厂商提供的系统bootloader，TF（Test Firmware）三个部分。

在这里插入图片描述

SSW是每次上电必须要运行的，它会根据写在program flash（PF0）地址的前32byte中的配置字，来决定SSW执行完的跳转地址。

在这里插入图片描述

我们可以选择一个合适的跳转地址，比如0x80000020，放上自己写的bootloader。

在这里插入图片描述

也可以选择不跳转，运行厂家提供的系统bootloader，来实现对外部代码的接收。

在这里插入图片描述

不管你用不用它，但还是那句老话，我们没有权限对这片flash地址进行修改。
不同mcu芯片的启动形式呢，又都不尽相同，比如采用Coretex-M内核的stm32系列mcu，如前面所说，启动时会固定跳转到0地址处。

在这里插入图片描述

它可以选择把System Boot也就是ARM中的BootRom的地址，0x1FFF 0000映射到零地址处。

在这里插入图片描述

也可以选择把存放用户代码的internal flash或ram的地址映射到这里，这些选择都是通过两个外部引脚的电平配比来实现的，而你自己写的bootloader就应该放在internal flash的起始处，并且把它映射到零地址处。

在这里插入图片描述

MCU下的bootloader主要需要完成的事情有：
- 1.关闭看门狗，初始化中断和trap向量表，进行时钟和外设初始化，让芯片正常运行起来。
- 2.提供CAN、UART、ETH等用于通讯功能的驱动，能够接受外部数据传输请求。
- 3.提供flash的读写与擦除驱动，设计服务来对通讯端口接收到的更新代码进行校验、存储，以及跳转操作系统或后续应用程序代码。
- 4.如有必要，还会开发一些基础诊断服务，串口交互程序等等。

嵌入式linux

在这里插入图片描述

那么运行嵌入式Linux的SOC和PC的这一过程有何不同呢，还是先看存储方案，运行嵌入式Linux的SOC，一般将它的操作系统、文件系统和它的应用程序放在nand flash中。

在这里插入图片描述

处理器运行代码前，需要先将代码从NAND搬运到SRAM中，相比MCU多了一道步骤。

在这里插入图片描述

PC

PC的存储方案与之类似，NAND一般换做机械硬盘，或者同样属于NAND的固态硬盘一类，所以对于SOC的BootROM和PC的Bios而言，它们结束运行前的最终任务，是将某些代码从nand flash，搬运到内部SRAM中。

在这里插入图片描述

转移的重要内容就是bootloader，而一般SOC的bootloader又分为SPL（Secondary Progarm Loader）和UBOOT两个阶段，SPL的Secondary 就是相对BootROM而言，它就像是接力赛中的第二棒选手，那么首先被搬运到内部SRAM中的SPL，会初始化空间更大的外部的DRAM，在负责把Uboot搬运至外部RAM中去运行，这就完成了它第二棒的交接。

在这里插入图片描述

而uboot作为第三棒选手，它开始运行它的初始化程序，之后再根据系统环境变量将OS内核搬运到外部RAM中去运行，完成它这一棒的交接，同样的OS再去完成跟文件系统的加载。

在这里插入图片描述

总结来看，虽然对不同的芯片架构，在不同的芯片手册中，可能会对这几个阶段的引导代码，有着不同的称法和应用方式，但芯片的启动基本都逃不过这三层的引导结构：
- 第一层就是芯片出厂自带的BootRom，用于硬件自检和初始化，加载Bootloader、提供外部配置引脚。
- 第二层就是我们自己写的Bootloader层，可以通过它访问外部RAM、NANDFlash等更多的存储设备，初始化时钟、通讯等，接收、存储以及跳转代码。
- 第三层就是我们常见的app层，它包含操作系统、文件系统、用户应用程序等，可以方便被更新的代码，