BootLoader
Bootloader与OTA
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当Flash比较小的时候，程序指令在Flash上，同时也在Flash上运行，这种叫做XIP
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XIP解释：
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XIP 是 "eXecute In Place"（芯片内执行）的缩写。它是一种技术，允许程序代码直接从非易失性存储器（如 NOR Flash 闪存）中执行，而无需先将代码加载到 RAM（随机存取存储器）中。
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原理：CPU 可以直接从存储器中读取指令（取指），然后进行解码和执行。通常用于 NOR Flash，因为它支持快速随机访问，而 NAND Flash 由于读写特性不适合直接执行。 原因：NOR Flash的读取类似与RAM随机读取，而NANDFlash顺序读取。
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优点：减少系统启动时间，降低 RAM 使用量，适合资源受限的嵌入式设备。
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例子：在嵌入式系统中，XIP 常用于存储引导程序（Bootloader）或固件，直接从 Flash 运行初始化代码。
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NAND Flash 和 NOR FLash区别：
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基本结构：
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NAND Flash ：
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存储单元以串行方式连接，类似 NAND 逻辑门的结构。
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数据按页面（page，通常 2KB-16KB）或块（block，通常 64KB-512KB）为单位访问，不支持字节级随机访问。
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容量大。
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NOR Flash：
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存储单元以并行方式连接，类似于传统 RAM 的结构。
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每个存储单元独立寻址，支持字节级（byte-level）随机访问。 、
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内部设计更接近于逻辑门（NOR 门命名来源）
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支持XIP技术
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容量较小。
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使用特性：
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NAND Flash：
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顺序访问：数据按页面和块读写，适合大容量存储，不支持 XIP。
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可靠性：位错误率较高，需搭配纠错码（ECC）。
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擦写寿命：通常 1 万到 10 万次，视具体技术（如 SLC、MLC、TLC）而定。
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NOR Flash：
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随机访问：支持直接执行代码（XIP，eXecute In Place），无需加载到 RAM。
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可靠性：位错误率低，适合存储关键代码。
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擦写寿命：一般为 10 万次左右。
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Flash比较小的单片机APP更新自己是不可能的，在更新APP的过程中会覆盖下载函数和烧写函数，这就没有办法更新。
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单片机的RAM比较大，把Flash的程序copy到RAM上面在运行，这样就可以下载更新APP。
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缺点：
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当烧写到一半，如果烧写中断，板子就变成砖头，必须返回原厂修复。
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在单片机内，Flash上烧写有BootLoader和APP，启动过程如下：
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上电的时候BootLoader先运行；
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BootLoader判断发现：Flash上有APP并且无需升级，BootLoader就会启动APP
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BootLoader判断发现：Flash上没有APP或者需要升级，BootLoader执行升级操作
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当发现需要升级的时候，从WIFI获取要下载的APP，把它放到RAM上，下载完之后，将某个标志位置一，来标记是否完成，下次启动的时候检查标志位，如果发现不是1，重新去下载，这样开发板就不会变成砖。
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BootLoader主要功能：
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初始化硬件：比如设置时钟，初始化内存
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启动内核/APP：从Flash读出内核，存入内存，给内核设置参数，启动内核
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调试作用：在开发产品时需要经常调试内核，使用BootLoader可以方便的更新内核
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当使用SPI外扩一个Flash的时候，它不是XIP设备，不能直接执行，需要靠BootLoader将外部Flash中的指令给copy到RAM中。CPU才能执行到相应的指令。
STM32中的start_up文件
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不能人认为是BootLoader，只能认为是BootLoader的一小段代码
链接地址、加载地址、运行地址，烧录地址
在嵌入式开发（尤其是 STM32 这类 MCU）中，链接地址（Link Address）、烧录地址（Flash Address）、运行地址（Run Address）、加载地址（Load Address） 这四个地址有着不同的含义，它们之间的关系如下：
1. 各地址的定义
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链接地址（Link Address）
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由链接器（Linker）在链接阶段确定的地址，即编译生成的 ELF/HEX 文件中的代码和数据的逻辑地址。
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这个地址决定了代码在程序执行时应该在哪个地址运行。
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这个地址可以在链接脚本（.ld 文件）*或*链接选项中人为设定。
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烧录地址（Flash Address）
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代码最终被烧录到 MCU 的存储器（通常是 Flash）中的物理地址。
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这个地址一般和 MCU 的 Flash 地址范围一致，比如 STM32F103 的 Flash 从
0x08000000开始。 -
这个地址是 MCU 启动时 CPU 读取指令的首地址，通常由烧录工具（如 ST-Link Utility）决定。
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运行地址（Run Address）
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代码执行时，程序在RAM 或 Flash 中实际运行的地址。
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在某些情况下，程序会从 Flash 拷贝到 RAM 运行（如 IAP、XIP），则运行地址 ≠ 烧录地址。
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但在普通 STM32 应用中，代码直接从 Flash 运行，运行地址 = 烧录地址。
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加载地址（Load Address）
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二进制文件（如
.bin或.hex）中记录的代码加载的起始地址，通常和烧录地址相同。 -
该地址告诉烧录工具：程序应该烧录到 Flash 的哪个位置。
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2. 地址之间的关系
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一般情况（代码直接在 Flash 运行，典型的 STM32 项目）
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链接地址 = 运行地址 = 烧录地址 = 加载地址
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例如：
Link Address = 0x08000000 Load Address = 0x08000000 Run Address = 0x08000000 Flash Address = 0x08000000
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这意味着代码在
0x08000000运行，也从0x08000000烧录到 Flash。
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特殊情况（如 Bootloader + 应用程序的方式）
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Bootloader 运行在
0x08000000
，应用程序从
0x08004000
开始：
Bootloader: Link Address = 0x08000000 Load Address = 0x08000000 Run Address = 0x08000000 Flash Address = 0x08000000 应用程序: Link Address = 0x08004000 Load Address = 0x08004000 Run Address = 0x08004000 Flash Address = 0x08004000
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这里
0x08004000是人为设定的，告诉 Bootloader 应用程序要从这个位置启动。
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特殊情况（如代码拷贝到 RAM 运行）
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代码烧录在 Flash，但运行时拷贝到 RAM，例如：
Link Address = 0x20000000 (RAM) Load Address = 0x08000000 (Flash) Run Address = 0x20000000 (RAM) Flash Address = 0x08000000 (Flash)
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这里
0x20000000是 STM32 的 SRAM 地址，代码在 Flash 中存储，但在启动时拷贝到 RAM 运行，提高执行速度。
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3. 哪些地址可以人为改变？
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可变的地址
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链接地址：可以在
.ld链接脚本或编译选项里改（如修改FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08004000）。 -
运行地址：可以通过软件控制，如 Bootloader 解析程序后跳转到某个地址执行。
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烧录地址：可以用烧录工具（如 STM32CubeProgrammer）设定程序烧录到不同 Flash 地址。
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加载地址：一般等于烧录地址，但如果是二次加载（如 Bootloader 先加载），可以人为控制。
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等价关系（默认情况）
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运行地址 = 链接地址（如果代码不拷贝到 RAM 运行）
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加载地址 = 烧录地址（默认情况下一致）
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4. 结论
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大多数情况下（代码直接运行在 Flash）
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链接地址 = 运行地址 = 烧录地址 = 加载地址
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如果程序被 Bootloader 加载（如 IAP），运行地址可以改变
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运行地址 ≠ 烧录地址
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如果代码从 Flash 拷贝到 RAM 运行，运行地址也不同
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运行地址 ≠ 烧录地址
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你现在是要做 Bootloader 方案，还是要运行代码到 RAM，还是有别的应用场景？
不能将链接地址和加载地址理解为就是程序的烧录位置：
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烧录通常指的是将程序写入非易失行存储器的过程；
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链接地址：
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链接地址不一定是烧录位置，而是程序设计时假设的运行位置。
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如果程序需要直接在烧录位置运行（如 NOR Flash 的 XIP），链接地址通常与烧录位置一致。
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如果程序烧录后需要加载到其他地方运行（如 NAND Flash 加载到 RAM），链接地址可能是 RAM 的地址，与烧录位置无关。
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例子：
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程序烧录到 NOR Flash（0x08000000），支持 XIP，链接地址也是 0x08000000。
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程序烧录到 NAND Flash（0x80000000），但运行在 RAM（0x20000000），链接地址是 0x20000000。
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加载地址：
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对于直接运行的程序（如 XIP），加载地址通常就是烧录位置。
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对于需要加载的程序（如从 NAND Flash 加载到 RAM），加载地址是程序被放入 RAM 的地址，与烧录位置不同。
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例子：
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NOR Flash XIP：烧录到 0x08000000，加载地址也是 0x08000000。
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NAND Flash：烧录到 0x80000000，加载到 RAM（0x20000000），加载地址是 0x20000000。
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函数地址的设定：
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函数地址的bit0 = 1表示的是Thumb（16位的）指令集，bit0 = 0表示使用的是ARM指令集（32位的）
Cortex-M3，M4上电之后的流程：
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上电之后从异常向量表里取出第一个数值，然会把数值赋值给SP寄存器，然后以第2个数值为指令地址，跳转，这是硬件来完成的。
当使用BootLoader时上电的启动流程;
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BootLoader这段的程序的启动流程，还是由硬件来完成，但是APP程序就不是硬件来完成。
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需要BootLoader来帮助APP完成启动流程：
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_Vectors DCD 0 //地址为addressA DCD Reset_Handler //表示的是Reset_Handler这个函数的地址
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取出栈的初始值赋给SP寄存器，也就是DCD 0位置上（addressA）的值赋值给SP
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然后addressA的值+4到下一条指令；
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把Reset_Handler函数的地址赋值给PC。
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BootLoader在APP有向量表时的流程：
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重新设置vector地址
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从新的vector中取出第一个数值，也就是栈的首地址，赋值给SP
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从新的vector中取出第二个数值，也就是函数Reset_Handler函数的地址，赋值给PC
start_app PROC EXPORT start_app ;设置Vector的偏移地址根据寄存器 0xE000ED08 ldr r3,=0xE000ED08 ;将地址0xe000ed08写入到r3中 str r0,[r3]; ;将r0的值写入r3所指的位置 r0 = 0x08040000 向量表的地址 ;设置新的vector值 ldr sp,[r0] ;取出r0地址上的值 sp = *r0 ldr r1,[r0,#4] ;r1 = *[r0+4],得到Reset_Handle函数的地址 bx r1 ENDP
BootLoader分类：
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APP烧写在Flash上，APP也在Flash上直接运行，BootLoader直接跳到APP位置即可
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APP烧写在Flash上，APP应该在RAM中去运行，但是APP会把自己复制到RAM，BootLoader直接跳到APP位置即可：
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自己复制自己，根据自己设置的链接地址，把自己的程序从存储地址放到指定的链接地址处，APP会被拆分为只读段（代码段），可读可写段（数据段）。
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APP烧写在Flash上，APP应该在RAM里运行，BootLoader把APP复制到RAM，再跳到RAM里执行APP
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修改异常向量的地址：两种方法
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方法1：硬件支持修改vector地址
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方法2：硬件不支持，需要进行跳转
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散列文件：
; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************
LR_IROM1 0x20000000 0x00010000 { ; load region size_region
ER_IROM1 0x20000000 0x00010000 { ; load address = execution address
*.o (RESET, +First)
*(InRoot$$Sections)
.ANY (+RO)
.ANY (+XO)
.ANY (+RW +ZI)
}
}
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LR_IROM1：描述了程序的加载地址
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ER_IROM1：描述了程序确切的运行地址
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*.o (RESET, +First)：将所有 .o 目标文件的包含 RESET（复位向量表），确保复位处理程序排在第一位，确保正确的启动。
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*(InRoot$$Sections)：确保某些关键代码（如 C 运行时初始化代码）放在根段（Root Section），避免被优化掉。
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.ANY (+RO)：所有只读段（如 代码、常量）都放在
0x20000000RAM 里。 -
.ANY (+XO)：可执行代码（通常是
code段）放在0x20000000。 -
.ANY (+RW +ZI)： 所有可读写数据（初始化全局变量）放在
0x20000000。所有没有初始化的全局变量（bss段）也放在0x20000000
BootLoader、APP烧写在Flash上，但是APP应该在RAM中去运行：
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例如APP烧写的位置为0x08040000但是我们使用了散列文件，将加载地址和运行地址设置为了0x20000000，这个时候会出现问题，当MCU上电的时候，会从0x20000000的位置上，开始执行，但是这个位置上没有正确的指令或数据，导致程序崩溃或者无法启动，解决方法：
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APP自己把0x08040000位置上的代码给复制到0x20000000上去。如果没有 Bootloader，通常需要在程序中编写代码，手动将 Flash 中的程序复制到
0x20000000地址（RAM），然后跳转到该地址开始执行。 -
BootLoader来帮助APP进行复制操作，Bootloader 会在上电时运行，负责从 Flash 加载程序到 RAM 中，然后跳转到 RAM 地址进行执行。
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适用场景：
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RAM比较大，Flash比较小，希望APP尽快的运行，所以要把APP复制到RAM上
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SPI Flash和SD卡不是XIP设备，不能直接运行，需要拷贝到RAM上运行，比如IMX6ULL的SD卡启动和eMMC启动方式，eMMC是对NANDFlash的封装
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BootLoader、APP烧写在Flash上，但是APP应该在RAM中去运行，自我复制的代码：
__Vectors DCD 0x20000000+0x10000
DCD 0x08040009 ;Reset_Handler
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT mymain
IMPORT copy_myself
IMPORT |Image$$ER_IROM1$$Length|
adr r0,Reset_Handler ;r0 = 0x08040000
bic r0,r0,#0xff
ldr r1,=__Vectors ;r1 = 0x20000000
ldr r2,= |Image$$ER_IROM1$$Length|
BL copy_myself
ldr pc, =mymain
;BL mymain
ENDP
void copy_myself(int *from,int *to,int len)
{
//从哪里拷贝，拷贝到什么地方，拷贝多大//
int i;
for(i = 0;i<len/4+1;i++)
{
to[i] = from[i];
}
}
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使用了BL来进行跳转，进行的是相对跳转，还是在Flash里面运行，还有一个原因是Reset_Handler地址还是被设置为了程序在Flash里面的地址。
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ldr pc, =mymain改为这个语句的时候，就会跳转到RAM里面执行，因为这里使用了绝对地址，并且链接地址在0x20000000的位置
BootLoader、APP烧写在外部的Flash上，Boot Loader来帮助APP复制到RAM中
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因为外部的Flash不具有XIP功能，所以APP没有办法进行自己把自己copy到RAM里面，因此需要BootLoader来帮助完成
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我么一般在APP程序的前面加入一个头部，这个头部包含：、
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加载地址，程序加载到RAM的地址
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入口地址，第一条指令运行的地址
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APP的长度
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CRC校验码
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我们使用mkimage来制作带头部的APP.bin文件，加入这个文件烧写在0x08040000这个位置:
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Bootloader读0x08040000这个位置得到头部
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解析头部
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读APP.bin文件写入RAM里面
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执行第一条命令
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主要代码：
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start_app PROC EXPORT start_app ;设置Vector的地址根据寄存器 VTOR寄存器：0xe000ed0c ldr r3,=0xE000ED08 ;将地址0xe000ed0c写入到r3中 str r0,[r3]; ;将r0的值写入r3所指的位置 ;设置新的vector值 ldr sp,[r0] ;取出r0地址上的值 sp = *r0 ldr r1,[r0,#4] ;r1 = *[r0+4],得到Reset_Handle函数的地址 bx r1 ENDP #include "uart.h" typedef unsigned int __be32; typedef unsigned char uint8_t; #define IH_MAGIC 0x27051956 #define IH_NMLEN 32 //#define be32_to_cpu(x) ((((x) & 0xFF000000) >> 24) | \ // (((x) & 0x00FF0000) >> 8) | \ // (((x) & 0x0000FF00) << 8) | \ // (((x) & 0x000000FF) << 24)) unsigned int be32_to_cpu(unsigned int x) { unsigned char *p = (unsigned char *)&x; unsigned int le; //将原来在低地址的高字节段移动到高地址 le = (p[0]<<24) + (p[1]<<16) + (p[2]<<8) + (p[3]); return le; } typedef struct image_header { __be32 ih_magic; /* Image Header Magic Number */ __be32 ih_hcrc; /* Image Header CRC Checksum */ __be32 ih_time; /* Image Creation Timestamp */ __be32 ih_size; /* Image Data Size */ __be32 ih_load; /* Data Load Address */ __be32 ih_ep; /* Entry Point Address */ __be32 ih_dcrc; /* Image Data CRC Checksum */ uint8_t ih_os; /* Operating System */ uint8_t ih_arch; /* CPU architecture */ uint8_t ih_type; /* Image Type */ uint8_t ih_comp; /* Compression Type */ uint8_t ih_name[IH_NMLEN]; /* Image Name */ } image_header_t; extern void start_app(unsigned int); void delay(int d) { while(d--); } void copy_myself(int *from,int *to,int len) { //从哪里拷贝，拷贝到什么地方，拷贝多大// int i; for(i = 0;i<len/4+1;i++) { to[i] = from[i]; } } void relocate_and_start_app(unsigned int pos) { image_header_t *head; unsigned int load; unsigned int size; unsigned int new_add; /*读出头部*/ head = (image_header_t *)pos; load = be32_to_cpu(head->ih_load); size = be32_to_cpu(head->ih_size); putstr("load = "); puthex(load); putstr("\r\n"); putstr("size = "); puthex(size); putstr("\r\n"); new_add = pos+sizeof(image_header_t); /*把程序复制到内存*/ copy_myself((int *)new_add,(int *)load,size); /*跳转执行*/ start_app(new_add); } int mymain() { unsigned int app_pos = 0x08040000; //获取带头节点的.bin文件的地址 uart_init(); putstr("bootloader\r\n"); relocate_and_start_app(app_pos); return 0; }
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BootLoader中的异常向量表：
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如果APP没有就绪，发生异常，执行BootLoader的异常处理函数，也就是当前运行的是BootLoader
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如APP已经运行，如果处理器不能重新设置异常向量表的位置，那么就还是使用BootLoader的异常函数，但是在BootlLoaader的异常函数里面，要设置跳转去执行APP对应函数。
在内存中调试程序：
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修改链接脚本（散列文件）把FreeRTOS程序的链接地址指定为RAM
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配置工程使用散列文件
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散列文件内容：
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LR_IROM1 0x20000000 0x00010000 { ; load region size_region ER_IROM1 0x20000000 0x00010000 { ; load address = execution address *.o (RESET, +First) *(InRoot$$Sections) .ANY (+RO) .ANY (+XO) .ANY (+RW +ZI) } }
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设置初始文件
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FUNC void Setup(void){ sp = _RDWORD(0x20000000); pc = _RDWORD(0x20000004); __WDWORD(0xE0000ED08,0x20000000); } LOAD F103_Module\F103_Module.axf INCREMENTAL Setup(); g,main
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设置Debug Pack
第四个BootLoader问题：
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static struct vectors* new_vector; //反汇编文件为： address size variable name type 0x20000000 0x4 new_vector pointer to vectors /*把程序复制到内存*/ copy_myself((int *)new_add,(int *)load,size); /*跳转执行*/ set_new_vector(new_add); start_app(new_add);
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这就存在问题，这个变量的值存在RAM里面，并且和APP在RAM上的位置相同，当使用set_new_vector这个函数的时候会破坏先前在RAM上拷贝好的程序，这就会导致程序执行失败。
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第四个BootLoader主要针对的是没有0xE000ED08这个寄存器的处理器。
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FreeRTOS中的问题：
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APP发生异常的时候硬件帮我们保存一部分的寄存器，让LR = EXC_RETURN这个特殊值。
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当BX LR的时候这个特殊值会根据PSP或者MSP从中恢复寄存器。
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bit3 = 1表示返回线程模式，说明
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bit2 = 1 表示返回线程栈，第一个任务的时候伪造了线程栈，说明任务切换完成。
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根据BootLoader中的代码和FreeRTOS中的代码
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void SVC_Handler(void) { /*跳转去执行APP的SVC_Handler*/ //new_vector->SVC_Handler(); struct vectors* new_vector = (struct vectors*)(*((unsigned int*)RAM_END)); new_vector->SVC_Handler(); } __asm void vPortSVCHandler( void ) { PRESERVE8 ldr r3, =pxCurrentTCB /* Restore the context. */ ldr r1, [r3] /* Use pxCurrentTCBConst to get the pxCurrentTCB address. */ ldr r0, [r1] /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */ ldmia r0!, {r4-r11} /* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */ msr psp, r0 /* Restore the task stack pointer. */ isb mov r0, #0 msr basepri, r0 orr r14, #0xd bx r14 }-
当发生异常的时候先到BootLoader中，去执行BootLoader的异常处理函数，再去跳到APP中去执行他的异常函数，但是vPortSVCHandler这个异常函数进行任务的切换的，需要LR是一个特殊值，这个特殊值产生在异常发生的时候，但是我们是从BootLoader中跳过来执行的所以LR已经不是一个特殊值，因此程序执行到这里就会崩溃。
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解决方法：
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SVC_Handler PROC EXPORT SVC_Handler ldr r0, =(0x20000000+0x10000-4) ldr r0, [r0] ;r0 = new vector ldr r0, [r0,#0x2c] ;r0 = (APP)SVC_Handler bx r0 ENDP
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使用汇编来完成SVC_Handler这个函数，如果用C语言去跳转到APP去执行，会使用BLX指令来跳转，会改变LR的值，我们使用BX指令来进行跳转的话就不会修改LR的值了
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FreeRTOS源码中
__asm void prvStartFirstTask( void ) { PRESERVE8 /* Use the NVIC offset register to locate the stack. */ //ldr r0, =0xE000ED08 //ldr r0, [r0] //r0 = vector address //ldr r0, [r0] //r0 = first item of vector ldr r0 ,=0x20000000 ldr r0, [r0] /* Set the msp back to the start of the stack. */ msr msp, r0 /* Globally enable interrupts. */ cpsie i cpsie f dsb isb /* Call SVC to start the first task. */ svc 0 nop nop }使用了0xE000ED08这个寄存器，
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命令系统：
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执行help：列出所有命令的简短用法
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执行help cmd：列出命令cmd的详细用法
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执行 cmd
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定义命令结构体：
struct command{ char *short_help; char *long_help; int (*function)(int argc,char*argv[]); }; -
管理命令：
struct command *g_commands[] = { &help_cmd, &load_cmd, &md_cmd, &mw_cmd, &flash_cmd, }; -
执行命令：
1. 在shell里接下字符串，得到第一个字符 2. 根据第一个字符在g_commands找到某项 3. 构造一系列参数（argc，argv），执行这项的function函数
实现zmodem下载命令：
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单片机通过串口和PC机相连接，通过程序Mobuxterm发送文件给开发板
分析rz命令：
rz -b binary transfer rz -z use ZMODEM protocol rz -b -z 发送一个二进制文件到开发板
分析源码：
main()
{
Rxbinary=TRUE
protocol=ZM_ZMODEM
/* initialize zsendline tab */
zsendline_init();
readline_setup(0, HOWMANY, MAX_BLOCK*2);
if (wcreceive(npats, patts)==ERROR) {
exitcode=0200;
canit(STDOUT_FILENO);
}
}
//核心函数wcreceive
BootLoader的散列文件：
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使用到了全局变量，全局变量的的初始值被放到Flash里面，当程序运行的时候把初始值给拷贝到RAM里面，因此要进行重定位。
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如果没有使用这个重定位的话，会有这个情况：比如int rw = 10;这个全局变量在程序开始运行的时候放到了0x08000100，但程序运行时试图修改它，会失败（Flash 只读）。程序崩溃。
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ZI段如果不进行清零的话，可能会导致随机值。
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