px4协处理器bootloader

龙猫略略略

于 2025-03-14 14:56:09 发布

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分类专栏： px4 文章标签：无人机 px4 bootloader

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/a_xiaoning/article/details/146257646

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PX4 bootloader工程架构

从 https://github.com/PX4/PX4-Bootloader 工程中获取代码之后，更新子模块，多运行几次更新子模块的命令，之后使用 make 命令来编译工程，编译成功，则代码没有什么问题：

git submodule sync --recursive
git submodule update --init --recursive
make

需要注意：如果是高版本的px4硬件，则bootloader的代码也会包含在 px4 的主工程中，而不是此 bootloader 工程。

libopencm3 是 github 上的一个针对 M3 核芯片的一个开源底层库，也包含 stm32 的内容，PX4 的 bootloader 底层便是调用的这个开源库的底层。

Makefile文件：包含 Makefile，Makefile.f1，Makefile.f3，Makefile.f4，Makefile.f7 五个文件，分别对应系统总的编译流程以及各系列芯片的编译流程

bootloader通用函数库：包含 bl.c 与 bl.h 两个文件，提供了 bootloader 需要调用的上层通用函数(与硬件底层剥离的应用层函数)，其中包含了 flash 操作相关的函数，led 操作，以及跳转 APP 等，升级过程中各状态机的定义，以及各个升级命令的宏定义

调试函数库：包含串口调试使用的 uart.h和uart.c 以及 USB 调试使用的 cdcacm.h和cdcacm.c，其中两个头文件位于工程根目录下，两个源文件位于 PX4-Bootloader/stm32 目录下

主流程文件：main_f1.c，main_f3.c，main_f4.c，main_f7.c 等文件分别对应各系列芯片的主流程程序

硬件配置文件：hw_config.h，此文件中包含所有系列的 bootloader 的硬件配置宏

Makefile文件

主编译文件 Makefile

主编译文件 Makefile 文件增加了部分注释，删减了一些不必要内容，如下：

export BUILD_DIR_ROOT ?= build
export BL_BASE      ?= $(wildcard .)          #获取PX4-Bootloader工程根目录，复制给 BL_BASE
export LIBOPENCM3   ?= $(wildcard libopencm3) #获取stm32底层开源库目录
export LIBKINETIS   ?= $(wildcard lib/kinetis/NXP_Kinetis_Bootloader_2_0_0)
MKFLAGS=--no-print-directory
SRC_DIR := $(shell dirname $(realpath $(lastword $(MAKEFILE_LIST))))
COLOR_BLUE = \033[0;94m
NO_COLOR   = \033[m
define colorecho
+@echo -e '${COLOR_BLUE}${1} ${NO_COLOR}'
endef
#
# Tools
#
export CC        = arm-none-eabi-gcc         #定义交叉编译工具链变量
export OBJCOPY       = arm-none-eabi-objcopy #定义二进制生成工具链变量
#
# Common configuration
#
export FLAGS         = -std=gnu99 \                 #使用gnu99的C语言标准
               -Os \                                
               -g \                                 #生成调试信息
               -Wundef \                            #当没有定义的符号出现在#if中时警告
               -Wall \
               -fno-builtin \
               -I$(BL_BASE)/$(LIBOPENCM3)/include \ #包含开源库libopencm3的头文件
               -I$(BL_BASE)/. \
               -ffunction-sections \
               -nostartfiles \
               -lnosys \
               -Wl,-gc-sections \
               -Wl,-g \
               -Werror                               #把警告当错误，出现警告就放弃编译
ifneq ($(CRYPTO_HAL),)
include crypto_hal/$(CRYPTO_HAL)/Makefile.include
endif
export COMMON_SRCS   = bl.c $(CRYPTO_SRCS)
export ARCH_SRCS     = cdcacm.c  usart.c
#
# Bootloaders to build
# Note: px4fmuv3_bl is the same as px4fmuv2_bl except for a different USB device
# string
# 定义编译目标
TARGETS = \  
    aerofcv1_bl \
    auavx2v1_bl \
    ...
    px4fmuv2_bl \
    px4fmuv3_bl \
    px4fmuv4_bl \
    ...
    px4io_bl \
    px4iov3_bl \
    ...
all:    $(TARGETS) sizes
clean:    #定义清理编译信息的操作
    cd libopencm3 && make --no-print-directory clean && cd ..
    rm -f *.elf *.bin *.map # Remove any elf or bin files contained directly in the Bootloader directory
    rm -rf build # Remove build directories
#
# Specific bootloader targets.
# 各个系列芯片的具体编译操作
fmuk66v3_bl: $(MAKEFILE_LIST) $(LIBKINETIS)
    ${MAKE} ${MKFLAGS} -f  Makefile.k66 TARGET_HW=FMUK66_V3  LINKER_FILE=kinetisk66.ld TARGET_FILE_NAME=$@
...
# Default bootloader delay is *very* short, just long enough to catch
# the board for recovery but not so long as to make restarting after a
# brownout problematic.
#
px4io_bl: $(MAKEFILE_LIST) $(LIBOPENCM3)
    ${MAKE} ${MKFLAGS} -f  Makefile.f1 TARGET_HW=PX4_PIO_V1 LINKER_FILE=stm32f1.ld TARGET_FILE_NAME=$@
...
#
# Show sizes
#
.PHONY: sizes
sizes:
    @-find build/*/ -name '*.elf' -type f | xargs size 2> /dev/null || :
#
# Binary management
#  二进制文件压缩
.PHONY: deploy
deploy:
    zip -j Bootloader.zip build/*/*.bin
...

在主 Makefile 文件中，定义了编译目标，以及调用了子编译文件，例如协处理器使用的是 f1 芯片。

协处理器编译文件 Makefile.f1

在主 Makefile 文件中，调用 Makefile.f1 使用了如下命令：

传入的参数包含如下变量：

硬件目标：$(TARGET_HW)=PX4_PIO_V1

链接文件：$(LINKER_FILE)=stm32f1.ld

目标名称：$(TARGET_FILE_NAME)=$@ 在这里 $@ 表示的就是目标名称，即为 px4io_bl

Makefile.f1 文件中的内容笔记少，容易理解。

硬件配置文件

PX4 Bootloader 的硬件配置头文件仅有一个：hw_config.h。这套代码支持的所有硬件板配置均可在这里找到。它的结构很简单，针对不同的硬件配置使用 #if --- #elif --- #end 宏条件编译语句进行配置。

我们分析协处理器的话，上面 makefile 调用命令中的变量 $(TARGET_HW)=PX4_PIO_V1 ，那么对应的就是 TARGET_HW_PX4_PIO_V1 宏中的内容：

#elif  defined(TARGET_HW_PX4_PIO_V1) ||  defined(TARGET_HW_PX4_PIO_V2)
# define APP_LOAD_ADDRESS               0x08001000
# define APP_SIZE_MAX                   0xf000
# define BOOTLOADER_DELAY               200
# define BOARD_PIO
# define INTERFACE_USB                  0
# define INTERFACE_USART                1
# define USBDEVICESTRING                ""
# define USBPRODUCTID                   -1
# define OSC_FREQ                       24
# define BOARD_PIN_LED_ACTIVITY         GPIO14
# define BOARD_PIN_LED_BOOTLOADER       GPIO15
# define BOARD_PORT_LEDS                GPIOB
# define BOARD_CLOCK_LEDS_REGISTER      RCC_APB2ENR
# define BOARD_CLOCK_LEDS               RCC_APB2ENR_IOPBEN
# define BOARD_LED_ON                   gpio_clear
# define BOARD_LED_OFF                  gpio_set
# define BOARD_USART                    USART2
# define BOARD_USART_CLOCK_REGISTER     RCC_APB1ENR
# define BOARD_USART_CLOCK_BIT          RCC_APB1ENR_USART2EN
# define BOARD_PORT_USART               GPIOA
# define BOARD_PIN_TX                   GPIO_USART2_TX
# define BOARD_PIN_RX                   GPIO_USART2_RX
# define BOARD_USART_PIN_CLOCK_REGISTER RCC_APB2ENR
# define BOARD_USART_PIN_CLOCK_BIT      RCC_APB2ENR_IOPAEN
# define BOARD_FORCE_BL_PIN             GPIO5
# define BOARD_FORCE_BL_PORT            GPIOB
# define BOARD_FORCE_BL_CLOCK_REGISTER  RCC_APB2ENR
# define BOARD_FORCE_BL_CLOCK_BIT       RCC_APB2ENR_IOPBEN
# define BOARD_FORCE_BL_PULL            GPIO_CNF_INPUT_FLOAT // depend on external pull
# define BOARD_FORCE_BL_VALUE           BOARD_FORCE_BL_PIN
# define BOARD_FLASH_SECTORS            60
# define BOARD_TYPE                     10
# define FLASH_SECTOR_SIZE              0x400
# define NO_OTP_SN_CHIP                 1

其中，比较重要的信息是：

# define APP_LOAD_ADDRESS               0x08001000     //偏移地址
# define APP_SIZE_MAX                   0xf000    //协处理器固件的最大文件大小  60kb
# define BOARD_USART                    USART2   //与主处理器通信的串口号

偏移地址在后续的升级中，虽然不会经常改动，但是是一个非常重要的定义。

固件文件大小的值与所选的芯片内存大小有关，根据选型修改。

主函数文件

IO协处理器的主线程序的核心是main函数，它被入口函数reset_handler调用。

IO协处理器的main函数流程如下：

调用board_init函数初始化，包括 LED 脚、强制 Bootloader 救砖引脚 GPIOB5、设置 RTC 备份寄存器、配置串口2引脚(串口 2 与飞控通信)
若 RTC 备份寄存器 BKP_DR1 中存储了预定值 BL_WAIT_MAGIC或者串口或 usb 连接到了板子，则 timeout 会被赋值为 200ms，之后程序会停留在 bootloader
若 GPIO5 为高电平，则 timeout 赋值为 0xffffffff，相当于一直停留在 bootloader 中，此为救砖操作，GPIO5 连接安全开关，有必要时，可以使用安全开关来强制救砖
若超时时间为0(未赋值)，则调用 jump_to_app 跳转到 app 固件地址
初始化串口与时钟
调用 bootloader 函数与飞控通信，接收固件文件
接收完成后，调用函数jump_to_app启动 app 固件

int
main(void)
{
    unsigned timeout = 0; /* bootloader初始化完毕后跳转到飞控固件入口地址时，所需等待的时间，以ms计算。 */
    /* 调用board_init函数，此函数在main_f1.c中被定义，功能如下 */
    /* 1. 初始化LED控制并点亮LED灯 */
    /* 2. 设置强制Bootloader引脚GPIOB5为浮动输入模式，方便采集安全开关的状态 */
    /* 3. 使能能源接口时钟和备份接口时钟，准备RTC备份寄存器 */
    /* 4. 设置USART2-TX引脚GPIOA2，对应原理图SERIAL_IO_TO_FMU，用于IO协处理器发送信息到主控FMU */   
    board_init();
#if defined(INTERFACE_USART) || defined (INTERFACE_USB)
    //根据串口或usb是否连接来决定是否在boot中停留(如果连接的话，会创建实例)
    timeout = BOOTLOADER_DELAY; 
#endif
#ifdef INTERFACE_I2C
# error I2C bootloader detection logic not implemented
#endif
    /* 若RTC备份寄存器BKP_DR1中存储了预定值，则timeout赋值为200ms */
    /* should_wait：判定RTC备份寄存器BKP_DR1中是否存储了预定值。若存储了返回真，未存储则返回假 */
    /* BOOTLOADER_DELAY：值200，表示200ms，hw_config.h */
    if (should_wait()) {
        timeout = BOOTLOADER_DELAY;
    }
#ifdef BOARD_FORCE_BL_PIN
    /* 宏BOARD_FORCE_BL_PIN定义为GPIO5，代码有效，hw_config.h */
    /* 若GPIO5为高电平，则timeout赋值为0xffffffff，永久停留在bootloader中 */
    /* BOARD_FORCE_BL_VALUE：被定义为GPIO5（1<<5），hw_config.h */
    /* BOARD_FORCE_BL_PORT：被定义为GPIOB（GPIOB的首寄存器），hw_config.h */
    /* BOARD_FORCE_BL_PIN：被定义为GPIO5（1<<5），hw_config.h */
    /* gpio_get：获取某GPIO组的值，定义在libopencm3/lib/stm32/common/gpio_common_all.c */  
    if (BOARD_FORCE_BL_VALUE == gpio_get(BOARD_FORCE_BL_PORT, BOARD_FORCE_BL_PIN)) {
        timeout = 0xffffffff;
    }
#endif
    /* 若timeout为0，则调用jump_to_app立即启动飞控固件。 */
    /* 若jump_to_app函数返回，则timeout赋值为0 */ 
    if (timeout == 0) {
        jump_to_app();
        timeout = 0;
    }
    /* 初始化系统时钟为PLL（使用HSI） */
    /* clock_init：使用HSI将MCU的系统时钟为PLL，频率48MHz，定义在main_f1.c */    
    clock_init();
    /* 函数初始化串口USART2 */
    /* BOARD_INTERFACE_CONFIG：定义为BOARD_USART（USART2），main_f1.c */
    /* USART：值1，枚举型，定义在bl.h中 */ 
    cinit(BOARD_INTERFACE_CONFIG, USART);
    while (1) {
        /*进行升级流程，升级完成新的固件，或者超时时间到则函数返回*/
        bootloader(timeout);
        /*跳转到app固件地址*/
        jump_to_app();
        timeout = 0;
    }
}

升级流程

升级命令有一个命令表格：

#define PROTO_GET_SYNC              0x21    // 获取同步命令
#define PROTO_GET_DEVICE            0x22    // 获取设备ID
#define PROTO_CHIP_ERASE            0x23    // 擦除flash准备烧写固件
#define PROTO_PROG_MULTI            0x27    // 烧写flash
#define PROTO_GET_CRC               0x29    // 计算crc校验
#define PROTO_GET_OTP               0x2a    // 读取OTP区域某地址的1字节
#define PROTO_GET_SN                0x2b    // 读取MCU的UDID
#define PROTO_GET_CHIP              0x2c    // 读取芯片ID和版本
#define PROTO_SET_DELAY             0x2d    // 设置飞控固件启动等待时间
#define PROTO_GET_CHIP_DES          0x2e    // 读取芯片描述信息
#define PROTO_BOOT                  0x30    // 完成升级启动app固件
#define PROTO_DEBUG                 0x31    // 输出调试信息
#define PROTO_SET_BAUD              0x33    // 设置串口波特率

上述表格中的命令，需要与其他的分隔命令配置使用：

// protocol bytes
#define PROTO_INSYNC                0x12    // 同步字节
#define PROTO_EOC                   0x20    // 命令结束符

而升级过程的状态机，基本也是跟命令是相对应的，比较容易看懂：

// State
#define STATE_PROTO_GET_SYNC      0x1     // Have Seen NOP for re-establishing sync
#define STATE_PROTO_GET_DEVICE    0x2     // Have Seen get device ID bytes
#define STATE_PROTO_CHIP_ERASE    0x4     // Have Seen erase program area and reset program address
#define STATE_PROTO_PROG_MULTI    0x8     // Have Seen write bytes at program address and increment
#define STATE_PROTO_GET_CRC       0x10    // Have Seen compute & return a CRC
#define STATE_PROTO_GET_OTP       0x20    // Have Seen read a byte from OTP at the given address
#define STATE_PROTO_GET_SN        0x40    // Have Seen read a word from UDID area ( Serial)  at the given address
#define STATE_PROTO_GET_CHIP      0x80    // Have Seen read chip version (MCU IDCODE)
#define STATE_PROTO_GET_CHIP_DES  0x100   // Have Seen read chip version In ASCII
#define STATE_PROTO_BOOT          0x200   // Have Seen boot the application

命令发送格式

发送命令

PX4 使用了特定的发送格式来识别这么多的命令，命令发送的格式为：

命令类型	数据(可省略)	命令终止符(PROTO_EOC)

也就是说，每个命令发送后都需要跟一个命令终止符 PROTO_EOC。

例如同步命令：

send(PROTO_GET_SYNC);
send(PROTO_EOC);

如果中间有数据的话，则夹杂一个数据，例如获取设备ID命令：

send(PROTO_GET_DEVICE);
send(param);
send(PROTO_EOC);

bootloader 中，根据命令头与终止符来解析命令，并且设置了错误状态 cmd_bad 来处理那些跟命令头相同的数据，避免误触发一些命令。

回复命令

当飞控给协处理器 boot 发送了命令之后，boot 解析到命令，就会回复一个同步成功消息：

// send the sync response for this command
/*每接收到一次命令之后，都会回复一个同步成功消息*/
sync_response();

同步成功消息用来告诉飞控，已经接收到了它发送过来的指令。同步消息也是只有两条：

static void
sync_response(void)
{
    uint8_t data[] = {
        PROTO_INSYNC,   // "in sync"
        PROTO_OK    // "OK"
    };
    cout(data, sizeof(data));
}

回复消息的格式：

PROTO_INSYNC	PROTO_OK

例如，飞控发送了擦除 flash 命令之后，就会等待 boot 回复同步成功的消息：

而等待回复消息中，也是等待的这两个命令关键字 PROTO_INSYNC 与 PROTO_OK：

固件发送流程

命令非常的多，不过按照正常的固件升级流程，起到主要作用的是以下流程图中几个：

需要注意的是，每发送一个命令，都会等待 boot 回复同步成功消息，上图的流程图将等待回复省略了。

需要重点注意的是 PROTO_PROG_MULTI，在此命令下，是上位机发送固件，boot 接收固件并写入 flash 的重点步骤，在此，单独拿出来解析。

发送固件时上位机端

此时上位机以飞控为例，发送固件时，对应的函数 program：

PX4IO_Uploader::program(size_t fw_size)

在此函数中，获取固件描述符，在发送的循环中，先是计算剩余多少字节，之后规定每次读取文件的字节数 n，规定了最大读取字节数 PROG_MULTI_MAX：

/* get more bytes to program */
//获取剩余字节数   总字节数减去已经发送的字节数
size_t n = fw_size - sent;
if (n > PROG_MULTI_MAX) {
        n = PROG_MULTI_MAX;
}

每次读取不超过 248 字节的内容：

//读取文件字节，每次最多读取 PROG_MULTI_MAX 248 字节(必须是4的倍数)，
//读到的字节数返回到 count 变量中，字节内容返回到 file_buf
count = read_with_retry(_fw_fd, file_buf, n);

在此读取函数内容可以看出，每次读取了不超过 248 字节的内容，并且规定了读取时的重试次数：

之后，计算已经发送的字节数，并且发送响应的命令与数据，数据中第一个是本次发送的字节数，之后才是跟上文件内容：

sent += count;  //计算已经发送的字节数
send(PROTO_PROG_MULTI);  //发送固件内容命令
send(count);    //发送本次字节数
send(file_buf, count);   //发送本次数据
send(PROTO_EOC);   //发送命令终止符
ret = get_sync(1000);  //等待回复

接收固件时boot端

boot端定义了一个共用体，共享内存，以此来更方便的控制读取数据与写入数据：

//存储固件的存储空间使用共用体，共享内存，
//就可以使用c数组来读取，w数组来写入
static union {
    uint8_t     c[256];
    uint32_t    w[64];
} flash_buffer;

在收到命令之后，接收到的第一个字节对应的是本次发送的字节总数 count：

case PROTO_PROG_MULTI:      // program bytes
    // expect count
    arg = cin_wait(50);  //接收到的第一个字节是此次发送的字节总数

在接收到首字节---字节总数后，将后续的数据记录在数组c中：

/*根据第一个字节---字节总数，接收接下来的数据，存储在 flash_buffer.c[i]*/
for (int i = 0; i < arg; i++) {
    c = cin_wait(1000);
    if (c < 0) {
        goto cmd_bad;
    }
    flash_buffer.c[i] = c;  //记录数据
}

之后，按照4个字节为单位，使用 w 数组将数据写入 flash 中，由于flash_buffer.c 与 flash_buffer.w 是同一个共用体的，因此内存共享：

超时时间的含义与实现方法

超时时间含义

此设置的超时时间主要是用来进行上电进入 boot 后到首次接收数据的时间是否超时判断的。也就是说，设置的 200ms，如果在进入 bootloader 后，200ms之内，没有接收到数据，则判断超出时间，则跳转到 app 偏移地址中，如果 200ms 之内，接收到了数据，则停止计时，开始进入接收数据状态。

实现方法

1.在 px4 中，定义了一个 timer 数组，实际上是为了功能复用，四组数据分别用于四种计时：

/* generic timers */
#define NTIMERS     4
#define TIMER_BL_WAIT   0 //超时时间计时
#define TIMER_CIN   1     //输入计时
#define TIMER_LED   2     //LED翻转计时
#define TIMER_DELAY 3     //延迟计时
extern volatile unsigned timer[NTIMERS];    /* each timer decrements every millisecond if > 0 */

其中 0 通道用于超时时间的计时，其他的功能可以以此类推。

2.在 boot 的时钟初始化中，初始化了系统时钟，并且使能了系统时钟的中断，每 1ms 就会进入一次中断，在中断中，时间自减：

3.在 boot 的循环中，会先进行超时时间的赋值，之后当超时时间为 0或超过超过超时时间时，会直接 return：

4.当有数据接收到时，c 不为 -1，则程序会继续往下执行，之后会执行到一句程序，将超时时间清零：

//上面已经获取到数据，即在超时时间内已经收到数据，将超时时间清零，避免重复判断        
timeout = 0;

当清零时，其实也表示已经接收到了数据，之后，程序在下一次循环时，变不会再进行 do...while...中的 if 超时判断了，也就实现了超时判断的功能。

烧录boot

先在工程目录下运行 make 指令，编译工程，之后就可以看到在 build 目录下已经生成了相应的文件：

烧录使用 bin 文件即可。

烧录 boot 需要借助下载器，使用 STLink 就可以，需要下载工具软件 STLinkUtility ，下载完成后，打开软件，如下所示：

飞控中，连接 px4io 板的调试口：

线接好后，电机 STLink 工具软件中的 Target->Connect 来连接 STLink，之后选择 File->Open file 来选择刚刚生成的 px4io_bl.bin 文件。

之后选择 Target -> Program & Verify ，运行 start 即可：