BootLoader

關於Bootloader，從書上的文字描述，很難理解這個名詞是什麼，有什麼用。這次用到了，算是有了更進一步的認識。

一、知識點

• 1、BootLoader就是微控制器啟動時候執行的一段小程式，這段程式負責微控制器韌體的更新，也就是微控制器選擇性的自己給自己下程式。可以更新，也可以不更新，更新的話，BootLoader更新完程式後，跳轉到新程式執行；不更新的話，BootLoader直接跳轉到原來的程式去執行。
• 2、BootLoader更新完程式後並不擦除自己，下次啟動後依然先執行BootLoader程式，又可以選擇性的更新或者不更新程式，所以BootLoader就是用來管理微控制器程式的更新。
• 3、在實際的微控制器工程專案中，如果加入了BootLoader功能，就可以給微控制器日後升級程式留出一個介面，方便日後微控制器程式更新。當然，這就需要建立兩個工程專案，一個為BootLoader工程，一個為APP工程。
• 4、BootLoader工程生成的.hex或者.bin檔案通常下載到ROM或Flash中的首地址，這樣可以保證上電後先執行BootLoader程式。而APP工程生成的.hex或者.bin檔案則下載到ROM或Flash中BootLoader後面的地址中。也就是說，存在ROM/Flash中的內容是分為兩部分的。
• 5、要實現在同一個ROM/Flash中儲存兩段程式，並且保證不能相互覆蓋，則需要在下載程式時指定地址。如在Keil下，可以進行如下的調整。

• 6、實際上，在STM32系列的微控制器中，Flash本身就是分扇區的，一個扇區16KB的樣子，具體可以檢視手冊。那麼就可以用從第一個扇區的首地址開始下載BootLoader的程式，而從第二個扇區的起始地址開始下載APP程式。如下為STM32F4系列晶片的Flash模組。

• 7、微控制器上電之後開始執行BootLoader程式，這是微控制器會檢測使用者是否有升級應用程式（APP）的請求，具體表現有很多種，例如檢測記憶體卡，Nand Flash中是否包含升級檔案，串列埠/I2C/SPI等外設介面是否傳來升級檔案。據說還有使用GSM來升級的。
• 8、所謂的升級，就是將ROM/Flash中儲存APP程式的扇區內容擦除並寫入新檔案。例如一次韌體升級的過程可以是：1、微控制器上電執行BootLoader，2、BootLoader查詢升級檔案，3、若找到檔案，擦除Flash中的部分扇區（存APP的），4、在擦除的扇區寫入升級的檔案，5、寫入完成，讀取資料檢驗是否出錯，6、若資料一致，升級成功，刪除升級檔案，7、BootLoader程式跳轉到APP程式執行。刪除升級檔案是為了下次上電後不再進行升級。
• 9、所謂的跳轉，可以理解程式指標的改變，變為指向APP程式扇區的起始地址。

二、部分程式碼

• 1、主函式

int main(void)
{
    HAL_Init();//STM32初始化
    SystemClock_Config();//時鐘配置
    System_GPIOInit();//IO口配置

    #ifdef BOOTLOAD_DISPLAY_ENABLE
    SystemColorInit();//顯示屏配置
    #endif

    System_LoadUpdateFile();//升級函式
    while (1)
    {

    }
}

• 2、升級函式

void System_LoadUpdateFile(void)
{
    uint8_t res;    
    if(bNandFlash_Error)//如果NandFlash錯誤，串列埠列印錯誤資訊，跳轉到使用者程式
    {
        d_printf("NandFlash_Error jump\n");
        BootLoad_Jump();//跳轉函式
        return;
    }
    if(bNo_FileSystem)//如果沒有檔案系統，串列埠列印錯誤資訊，跳轉到使用者程式
    {
        d_printf("no file system jump\n");
        BootLoad_Jump();//跳轉函式
        return;
    }
    if(f_open(&File, (char *)UPDATE_FILE_PATH, FA_READ)==FR_OK)//如果存在升級檔案，開始執行升級
    {
        d_printf("update\n");
        if(BootLoad_Program())//是否寫入成功
        {
            f_close(&File);//關閉升級檔案
            res=f_unlink((char *)UPDATE_FILE_PATH);//刪除升級檔案
            d_printfhex(res);d_printf("\n");
            res=f_unlink((char *)UPDATE_DIR_PATH);//刪除升級目錄
            d_printfhex(res);d_printf("\n");

            BootLoad_Jump();//跳轉函式
        }
        else
        {
            HAL_FLASH_Lock();//鎖定Flash
            d_printf("update fail\n");
            f_close(&File);//關閉升級檔案
            BootLoad_Jump();//跳轉函式
        }       
    }
    else
    {
        d_printf("jump\n");
        f_close(&File);
        BootLoad_Jump();
    }
}

• 3、重寫Flash函式

uint8_t BootLoad_Program(void)
{
    uint32_t BaseAddress=APPLICATION_ADDRESS;//APP地址
    uint32_t i,br,datacnt=0;
    uint8_t data8;
    GlobalPtr32=(uint32_t *)BootBuff;
    HAL_FLASH_Unlock();//解鎖Flash
    if(BootLoad_Erase()==false)//擦除Flash
    {
        return false;
    }
    d_printf("size:");d_printfhex32(File.fsize);d_printf("\n");
    while(1)
    {
        f_read(&File,BootBuff,8192,(void *)&br);//讀取升級檔案
        for (i=0;i<(br>>2);i++)
        {
            if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, BaseAddress, GlobalPtr32[i]) == HAL_OK)//寫入升級檔案
            {
                BaseAddress = BaseAddress +4;
            }
            else
            { 
                d_printf("program err\n");
                return false;
            }
        }
        datacnt+=br;
        if(datacnt>=File.fsize)//寫入完成
        {
            break;
        }
    }
    d_printf("verify\n");       //驗證Flash中的內容與升級檔案是否一致
    f_lseek(&File,0);           //若一致代表升級成功
    datacnt=0;                  //若不一致代表升級失敗
    BaseAddress=APPLICATION_ADDRESS;
    while(1)
    {
        f_read(&File,BootBuff,8192,(void *)&br);
        for (i=0;i<br;i++)
        {
            data8 = *(__IO uint8_t*)BaseAddress;
            if (data8 != BootBuff[i])
            {
                d_printf("error!\n");
                return false;
            }
            BaseAddress ++;
        }
        datacnt+=br;
        if(datacnt>=File.fsize)
        {
            break;
        }
    }
    HAL_FLASH_Lock();//鎖定Flash
    return true;
}

• 4、跳轉函式（從BootLoader中跳轉到APP的main函式）

void BootLoad_Jump(void)
{
    /* Check Vector Table: Test if user code is programmed starting from address 
    "APPLICATION_ADDRESS" */
    d_printfhex32((*(__IO uint32_t*)APPLICATION_ADDRESS));d_printf("\n");
    if (((*(__IO uint32_t*)APPLICATION_ADDRESS) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
    {
    JumpAddress = *(__IO uint32_t*) (APPLICATION_ADDRESS +4);
    d_printfhex32(JumpAddress);d_printf("\n");
    HAL_Delay(100);
    Jump_To_Application = (pFunction) JumpAddress;
    /* Initialize user application's Stack Pointer */
    __set_MSP(*(__IO uint32_t*) APPLICATION_ADDRESS);
    Jump_To_Application();
    }
}