【Bootloader学习理解学习--加强版】

news2024/11/28 18:51:07

笔者在接着聊一下bootloader，主要针对MCU的Bootloader。

笔者之前介绍过一篇Bootloader文章，主要是其概念、一些升级包的格式和升级流程，本次接着来说一下。

1、MCU代码运行方式

之前文章也介绍过，MCU的代码运行方式有两种，

  • XIP方式：（Excute In Place），在位置上执行，即在存储地址上执行代码，如果是这样，则对存储芯片有要求，则要求是支持memory map的方式，把存储空间当做是CPU的memory一样，可以通过总线获取到code指令，然后执行。
    在这里插入图片描述

内部ROM Code会跳转到Code中，然后Flash中的Code就会执行，接着把data段和bss段进行分散加载到对应的ram，然后就可以执行，STM32就是这种方式。

  • RAM方式：一般情况下，MCU Boot会把代码从存储空间搬到RAM上去运行，例如一些SPI Flash或者Nand Flash，无法直接执行指令，需要搬到RAM方式执行，然后再跳到RAM地址执行，RAM地址执行，还有个好处是速度执行更快，相对Flash上面执行。

下图以NXP的LPC54016为例进行展示，Boot将代码从SPI Flash搬到SRAMX，然后再将执行权交给SRAMX，至此代码就在Sramx上面执行，最后同样需要进行分散加载，将bss段和data段搬到Sram0-3上面执行。
在这里插入图片描述
分散加载可以参考笔者本篇文章。

2、NXP单片机运行方式修改

以NXP LPC54016单片机为例，笔者来介绍一下如何从RAM方式切到XIP方式。

2.1 代码启动流程

  1. 首先需要看一下手册，研究一下如何支持XIP方式，MCU的code都是rom code搬出来的，如果要执行XIP方式，则不搬code，所以需要看相关的配置

  2. 开始笔者想着是相关的寄存器设置，可以让ROM Code中的boot不搬代码，但是实际看手册没有找到相关的寄存器信息。

  3. 找到了相关的流程图，通过引脚来决定怎么启动
    在这里插入图片描述

  4. OTP BOOT SRC 引脚被设置，则会从外部flash（Parallel Mmeory）搬数据（512Byte）到SRAM，通过该512Byte来决定在怎么启动（XIP还是RAM方式）

  5. 如果OTP BOOT SRC没有被设置，则有ISP的引脚，来决定进入ISP模式下载数据到SRAM，然后BOOT，还是从外部Flash Boot（搬移）。

  6. 这里有个AUTO BOOT的方式，首先寻找有效的Image（0x0/0x20000000 within internal SRAM (SRAMX or SRAM0) or 0x10000000 for
    SPIFI XIP and 0x80000000 for parallel flash XIP image），如果地址都没找到，则进入ISP模式，等待命令下载代码。
    在这里插入图片描述

  7. 如何确定有效的Image呢，NXP巧妙的利用了中断向量表的信息，来装载NXP特有的Mark，从而确定是否有效的代码。

    1. 中断向量表中，有几个位置是保留，且中断向量表处于代码开始放置，方便确认，可参考笔者之前文章ARM学习（5） 异常模式学习（CortexM3/M4）
    2. 从0x20的位置确定是否是0xEDDC94BD
    3. 从0x24的位置，确定真正NXP的Image Header位置信息，从而跳转过去，找到Image Header决定走XIP还是SRAM等
      在这里插入图片描述

  8. NXP LPC单片机有自己的Image Header，可以设置一些属性，通过链接脚本的方式，包括分散加载的地址，也是链接脚本里面指定。
    在这里插入图片描述

    1. Image Type：选择ram方式还是xip方式
      在这里插入图片描述
    2. Load_adderess：加载地址，SRAMX还是SPIFI地址
    3. CRC check选择：设置是否进行CRC 校验

  9. 经过这些研究，就可以知道XIP的设置和RAM的设置表了，主要关心的还是 Image Type和Loadaddress。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

2.2 链接脚本修改

中断向量表
extern void (* const g_pfnVectors[])(void);
extern void * __Vectors attribute ((alias (“g_pfnVectors”)));
WEAK extern void __imghdr_loadaddress();
WEAK extern void __imghdr_imagetype();

void (* const g_pfnVectors[])(void) = {
    // Core Level - CM4
    &_vStackTop,                       // The initial stack pointer
    ResetISR,                          // The reset handler
    .......,
    0,                                 // ECRP
    (void (*)(void))0xEDDC94BD,        // Reserved
    (void (*)(void))0x160,             // Reserved
    .....,
    (void (*)(void))0xFEEDA5A5, // Header Marker，0x160
    __imghdr_imagetype,         // (0x04) Image Type
    __imghdr_loadaddress,       // (0x08) Load_address
    (void (*)(void))(((unsigned)_image_size) - 4),            // (0x0C) load_length, exclude 4 bytes CRC field.

从上面中断向量表中可以看出，NXP LPC单片机在中断向量表中做了手脚，设置了一些参数，和启动方式结合起来，包括还可以知道ImageSize等。

注意观察，其声明是一个虚函数的方式（如果链接脚本里面没指定，也可以链接过），符合中断向量表数组的定义，其实际是链接脚本里面指定的数据。

RAM方式的链接脚本：
memory 布局定义，外部Flash地址，SRAMX，SRAM0-3地址，在链接脚本指定布局时，可以指定其位置。

MEMORY
{
  /* Define each memory region */
  BOARD_FLASH(rwx) : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 0x1000000 /* 16M bytes (alias RAM) */  
  SRAMX (rwx) : ORIGIN = 0x0, LENGTH = 0x30000 /* 192K bytes (alias RAM) */  
  SRAM_0_1_2_3 (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x28000 /* 160K bytes (alias RAM2) */  
  USB_RAM (rwx) : ORIGIN = 0x40100000, LENGTH = 0x2000 /* 8K bytes (alias RAM3) */  
}

  /* Define a symbol for the top of each memory region */
  __base_SRAMX = 0x0  ; /* SRAMX */  
  __base_RAM = 0x0 ; /* RAM */  
  __top_SRAMX = 0x0 + 0x30000 ; /* 192K bytes */  
  __top_RAM = 0x0 + 0x30000 ; /* 192K bytes */  
  __base_SRAM_0_1_2_3 = 0x20000000  ; /* SRAM_0_1_2_3 */  
  __base_RAM2 = 0x20000000 ; /* RAM2 */  
  __top_SRAM_0_1_2_3 = 0x20000000 + 0x28000 ; /* 160K bytes */  
  __top_RAM2 = 0x20000000 + 0x28000 ; /* 160K bytes */  
  __base_USB_RAM = 0x40100000  ; /* USB_RAM */  
  __base_RAM3 = 0x40100000 ; /* RAM3 */  
  __top_USB_RAM = 0x40100000 + 0x2000 ; /* 8K bytes */  
  __top_RAM3 = 0x40100000 + 0x2000 ; /* 8K bytes */

中断向量表定义，可看到在其前面定义了一些信息，data段的信息，data ram和data ram3都没有用到，我们就不考虑了，
“AT > xxxx”：加载地址
“> xxx”：执行地址
分散加载做的就是将加载地址数据搬到执行地址，如果本身两者地址一样，则无需处理。

     /* MAIN TEXT SECTION */
    .text : ALIGN(4)
    {
        FILL(0xff)
        __vectors_start__ = ABSOLUTE(.) ;
        KEEP(*(.isr_vector))
        /* Global Section Table */
        . = ALIGN(4) ;
        __section_table_start = .;
        __data_section_table = .;
        LONG((LOADADDR(.data_RAM) - LOADADDR(.text)) + __base_SRAMX);
        LONG(    ADDR(.data_RAM));
        LONG(  SIZEOF(.data_RAM));
        LONG((LOADADDR(.data) - LOADADDR(.text)) + __base_SRAMX);
        LONG(    ADDR(.data));
        LONG(  SIZEOF(.data));
        LONG((LOADADDR(.data_RAM3) - LOADADDR(.text)) + __base_SRAMX);
        LONG(    ADDR(.data_RAM3));
        LONG(  SIZEOF(.data_RAM3));
        __data_section_table_end = .;
        __bss_section_table = .;
        LONG(    ADDR(.bss_RAM));
        LONG(  SIZEOF(.bss_RAM));
        LONG(    ADDR(.bss));
        LONG(  SIZEOF(.bss));
        LONG(    ADDR(.bss_RAM3));
        LONG(  SIZEOF(.bss_RAM3));
        __bss_section_table_end = .;
        __section_table_end = . ;
        /* End of Global Section Table */
        *(.after_vectors*)
    } > SRAMX AT> SRAMX

从上面脚本来分析，目前代码段的加载地址就处于SRAMX，所以直接写LOADADDR(.data)也行，看图2，加载地址和图1是一样的，
加载地址其实就是存放的位置，相对代码段的位置，但是却不是执行的地址。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
代码段的定义，其加载地址和执行地址一样，均是SRAMX，同时一些只读数据和const数据，也存放在代码段。

 .text : ALIGN(4)
    {
       *(.text*)
       *(.rodata .rodata.* .constdata .constdata.*)
       . = ALIGN(4);
    } > SRAMX AT> SRAMX
    _etext = .;

data段的定义，加载地址和执行地址不一样，前者是执行地址，后者是加载地址，说明其正式执行的时候，在SRAM0-3，加载的时候在SRAMX。

加载地址和存储地址也不是一个概念，存储地址是真正存放代码的位置，程序运行需要再特殊的地方，比如内存，所以肯定需要搬到对应的位置，BOOT做的就是这个事情。搬到对应的位置后，就是真正执行的地址吗，也不竟然，BOOT通常是做很简单的事情，整体都搬过去，包括代码和数据，但是代码和数据往往要分开，所以就有了分散加载。

    /* Main DATA section (SRAM_0_1_2_3) */
    .data : ALIGN(4)
    {
       FILL(0xff)
       _data = . ;
       PROVIDE(__start_data_RAM2 = .) ;
       PROVIDE(__start_data_SRAM_0_1_2_3 = .) ;
       *(vtable)
       *(.ramfunc*)
       KEEP(*(CodeQuickAccess))
       KEEP(*(DataQuickAccess))
       *(RamFunction)
       *(.data*)
       . = ALIGN(4) ;
       _edata = . ;
       PROVIDE(__end_data_RAM2 = .) ;
       PROVIDE(__end_data_SRAM_0_1_2_3 = .) ;
    } > SRAM_0_1_2_3 AT>SRAMX

BSS段又不一样，其不用存储，加载地址和执行地址一样，只要初始化成0就行。

 /* MAIN BSS SECTION */
    .bss : ALIGN(4)
    {
        _bss = .;
        PROVIDE(__start_bss_RAM2 = .) ;
        PROVIDE(__start_bss_SRAM_0_1_2_3 = .) ;
        *(.bss*)
        *(COMMON)
        . = ALIGN(4) ;
        _ebss = .;
        PROVIDE(__end_bss_RAM2 = .) ;
        PROVIDE(__end_bss_SRAM_0_1_2_3 = .) ;
        PROVIDE(end = .);
    } > SRAM_0_1_2_3 AT> SRAM_0_1_2_3

堆栈区域，存放于SRAMX区域，堆后面预留了栈的4K空间，如果空间最后不够，链接脚本会报错。
.stack区域指明了栈的起始地址，没预留空间，由上面那个空间预留保证，很巧妙解决了栈递减的空间逻辑。

SECTIONS
{
    /* Reserve and place Heap within memory map */
    _HeapSize = 0x1000;
    .heap :  ALIGN(4)
    {
        _pvHeapStart = .;
        . += _HeapSize;
        . = ALIGN(4);
        _pvHeapLimit = .;
    } > SRAMX

     _StackSize = 0x1000;
     /* Reserve space in memory for Stack */
    .heap2stackfill  :
    {
        . += _StackSize;
    } > SRAMX
    /* Locate actual Stack in memory map */
    .stack ORIGIN(SRAMX) + LENGTH(SRAMX) - _StackSize - 0:  ALIGN(4)
    {
        _vStackBase = .;
        . = ALIGN(4);
        _vStackTop = . + _StackSize;
    } > SRAMX

最后这些都是符号，不占用任何空间size，如果程序用到了，直接将对于的数据连接进入，而不是变量进行加载。
如果确实是运行态的数据，就需要占用空间size。

    /* ## Create checksum value (used in startup) ## */
    PROVIDE(__valid_user_code_checksum = 0 - 
                                         (_vStackTop 
                                         + (ResetISR + 1) 
                                         + (NMI_Handler + 1) 
                                         + (HardFault_Handler + 1) 
                                         + (( DEFINED(MemManage_Handler) ? MemManage_Handler : 0 ) + 1)   /* MemManage_Handler may not be defined */
                                         + (( DEFINED(BusFault_Handler) ? BusFault_Handler : 0 ) + 1)     /* BusFault_Handler may not be defined */
                                         + (( DEFINED(UsageFault_Handler) ? UsageFault_Handler : 0 ) + 1) /* UsageFault_Handler may not be defined */
                                         ) );

    /* Provide basic symbols giving location and size of main text
     * block, including initial values of RW data sections. Note that
     * these will need extending to give a complete picture with
     * complex images (e.g multiple Flash banks).
     */
    _image_start = LOADADDR(.text);
    _image_end = LOADADDR(.data) + SIZEOF(.data);
    _image_size = _image_end - _image_start;

    /* Provide symbols for LPC540xx parts for startup code to use
     * to set image to be plain load image or XIP.
     * Config : Plain load image = true
     */
    __imghdr_loadaddress = ADDR(.text);
    __imghdr_imagetype = 1;
}

XIP方式链接脚本

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