为ARM Cortex-M系列芯片编写Bootloader

- 日理万妓 2022-06-10 12:43 208阅读 0赞

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![为ARM Cortex-M系列芯片编写Bootloader][ARM Cortex-M_Bootloader]

# 为ARM Cortex-M系列芯片编写Bootloader #

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6 个月前

# 为ARM Cortex-M系列芯片编写Bootloader #

> 本文仅在ARM Cortex M3/M4芯片上进行过测试

## 1.引言 ##

Bootloader用于用户程序的引导，其用途在于软件启动、固件升级等，Bootloader编写的核心内容是*向量表的重定位*。为了读者能够比较清晰了解Bootloader的机制，小军会说明CMSIS启动文件的机理，为此本文分为以下三个方面：

*  CMSIS启动文件简单分析
 *  Bootlader的机理及实现
 *  向量表重定向的应用

## 2.CMSIS启动文件简单分析 ##

下述为Adu360(ARM Cortex-M3内核)芯片的启动代码，由于符合CMSIS标准的启动文件大同小异，本文将以此启动文件作为示例，详细代码如下：

Stack_Size      EQU     0x00000400
    
                    AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
    Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
    __initial_sp
    
    Heap_Size       EQU     0x00000200
    
                    AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
    __heap_base
    Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
    __heap_limit
    
                    PRESERVE8
                    THUMB
    
    ; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                    AREA    RESET, DATA, READONLY
                    EXPORT  __Vectors
                    EXPORT  __Vectors_End
                    EXPORT  __Vectors_Size
    
    __Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                    DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                    DCD     NMI_Handler                ; The NMI handler
                    
    ;中间省略若干个中断向量
    
    	            DCD     PWM2_Int_Handler          ; PWM2                       [38]
    	            DCD     0                         ;                            [39]
    __Vectors_End
    
    __Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors
    
                    AREA    |.text|, CODE, READONLY
    
    ; Reset handler
    Reset_Handler    PROC
                     EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
            IMPORT  SystemInit
            IMPORT  __main
                     LDR     R0, =SystemInit
                     BLX     R0
                     LDR     R0, =__main
                     BX      R0
                     ENDP
    
    ; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)
    
    NMI_Handler     PROC
                    EXPORT  NMI_Handler                [WEAK]
                    B       .
                    ENDP
                    
    ;中间省略若干弱引用的中断函数
    
    PWM2_Int_Handler        
                    B       .
    
                    ENDP
    
                    ALIGN
    
                     IF      :DEF:__MICROLIB
                    
                     EXPORT  __initial_sp
                     EXPORT  __heap_base
                     EXPORT  __heap_limit
                    
                     ELSE
                    
                     IMPORT  __use_two_region_memory
                     EXPORT  __user_initial_stackheap
                     
    __user_initial_stackheap
    
                     LDR     R0, =  Heap_Mem
                     LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
                     LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)
                     LDR     R3, = Stack_Mem
                     BX      LR
    
                     ALIGN
    
                     ENDIF
    
                     END

启动程序还是比较简单的，其主要分为三个部分：

*  堆栈的预分配
 *  中断向量表定义
 *  堆栈的初始化

ARM Cortex-M系列芯片堆栈的相关操作为C准备运行时环境，这里不做细说；中断向量表为芯片运行的根基，我们来重点分析一下中断向量表：

*  中断向量表的起始为*主栈指针（MSP）的初始值*，用于在C运行时入口函数初始化堆栈之前建立基本的C运行时环境；
 *  紧接着是向量表的第一个中断向量*复位向量*，其不仅仅作为系统的一个中断存在，还是芯片执行程序的入口函数，其具体代码如下：

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

在复位向量中调用了SystemInit函数及\_\_main函数，SystemInit函数为CMSIS定义的芯片初始化函数，用于对芯片的时钟等进行初始化配置，\_\_main函数为C运行时库的入口函数，所以跳转到Reset\_handler函数中可以启动应用；

*  后面则是各种弱引用的中断向量，可以被C代码中同名的强引用定义取代；

一般，ARM Cortex-M芯片从存储器地址0x00000000处开始执行程序，通过\_\_initial\_sp初始化主栈指针，通过执行Reset\_handler执行main函数中的程序。

## 2.Bootloader机理及其实现 ##

如果我们希望升级系统中的固件或者从SD卡（或网络）中加载程序执行，需要执行如下步骤：

*  启动Bootloader
 *  执行Bootloader中的任务加载用户程序
 *  切换到用户程序中执行 这时，我们就需要用到ARM Cortex-M内核的向量表重定向机制，其提供了一个中断向量表偏移寄存器（SCB->VTOR)，改寄存器中的值为向量表的起始地址。

其示例程序为：

/* 在调用此函数之前完成用户应用程序的加载和拷贝 */
    
     void retarget_vector(uint32_t new_addr)
     { 
        __DMB();        /* 数据存储器屏障 */
        SCB->VTOR = new_addr;
        __DSB();        /* 数据同步屏障，保证在其后中断均为新的地址 */
     }

重定向之后，我们还需要跳转到用户程序中运行，其示例程序为：

/* 在调用此函数之前完成重定向操作 */
    
    __asm void jump_to_application(uint32_t addr)
    { 
        LDR SP, [R0]            ; 设置用户程序MSP的值
        LDR PC, [R0, #4]        ; 运行用户程序的Reset_handler
    }

在Bootloader的编写中还需要注意以下几点：

*  固件采用hex格式还是bin格式

使用bin格式，因为hex文件附带地址信息，并不是我们需要的纯二进制文件；bin格式为按存储顺序的二进制文件

*  注意ARM芯片的大小端字序

有可能存储设备和ARM芯片的大小端不一致，导致加载的程序不符合ARM芯片的大小端字序，从而导致程序无法运行；

*  VTOR的地址有条件限制

使用VTOR时需要将中断向量表的大小拓展到最近的2的幂次方，且新向量的基址必须要对齐到这个数值。

*  什么样的固件才能升级

这里的固件升级对固件编译情况是有要求的，比如说想要把固件放到0x4000-0x20000的位置，固件在编译时需要设置其ROM的启动地址为0x4000，大小为0x1C000，bootloader复制代码到0x4000-0x20000,并且中断向量表重定向后固件才可以正常运行。

*  跳转用户程序之前需要清理BootLoader使用过的资源

为了防止对用户程序产生副作用，Bootloader程序需要关闭所有使用过的芯片资源，最好关掉中断（感谢[@望海楼][Link 1]提醒。 ）

Bootloader的实现过程可以总结如下（详细见《ARM Cortex-M3 与 Cortex-M4 权威指南》）：利用启动ROM中的向量表启动Bootloader

1.  启动Bootloader中的任务，完成用户程序的加载
2.  设置VTOR指向用户程序存储器中的向量表
3.  跳转到用户程序存储器的向量表中的中断向量

## 3.向量表重定向的应用 ##

*  Bootloader的编写
 *  应用程序加载到RAM中执行，其类似于Bootloader
 *  动态修改向量表，有些情况下ROM中可能会有一个中断的多个处理示例，可能在应用的不同阶段在它们之间切换，这种情况下，可以将向量表从程序存储中复制到RAM中，设置VTOR指向RAM中的向量表，RAM中的内容可以任意时间修改，因此可以在应用的不同阶段使用不同的中断向量。

> 此部分详细见《ARM Cortex-M3 与 Cortex-M4 权威指南》

[ARM Cortex-M_Bootloader]: /images/20220610/1148f3c4404648cea77dd2b2f6e9f9ad.png
[a660a134666599e3ca16ace9a913466c_xs.jpg]: https://pic1.zhimg.com/a660a134666599e3ca16ace9a913466c_xs.jpg
[a660a134666599e3ca16ace9a913466c_xs.jpg 1]: /images/20220610/d0764c6f81444dc0b862cae8a1d52033.png
[Link 1]: http://www.zhihu.com/people/47c9a703a56873c6047a032b401a92fc