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完整 Bootloader 框架

news 2025/6/13 8:28:56

文章目录

完整 Bootloader 框架讲解
- 一、Bootloader 的核心功能概览
- - 1. 启动应用（APP）
  - 2. 命令交互
  - 3. 下载功能
  - 4. 烧写 APP 到 Flash
  - 5. 调试与维护功能
- 二、模块化设计框架
- 三、典型工作流程
- 四、各模块简要说明
- - 1. 命令行模块（CLI）
  - 2. 命令注册与执行机制
  - 3. 烧写模块
  - 4. 下载协议支持
- 五、跳转启动 APP
- 六、安全与扩展设计
- 七、结语

完整 Bootloader 框架讲解

一、Bootloader 的核心功能概览

一个完善的 Bootloader 不仅仅是“跳转到应用程序”那么简单，完整功能一般包括：

1. 启动应用（APP）

检查 APP 是否有效；
支持手动或自动启动；
根据条件选择启动主程序或备用程序。

2. 命令交互

提供 CLI（命令行接口）供用户交互；
支持：
- 输入命令解析；
- 支持 Backspace 删除；
- 上下方向键查看历史命令；
- 执行嵌入式命令（如 load, flash, boot, md, mw 等）；
- 支持命令自动补全（可选）。

3. 下载功能

串口下载：Xmodem/Ymodem 协议；
网络下载：TFTP、HTTP、TCP 等；
SD 卡下载：从 FAT 文件系统中读取 BIN 文件。

4. 烧写 APP 到 Flash

支持从 RAM/SD 卡/网口拷贝数据到指定 Flash 区域；
自动校验写入数据完整性；
保护 Bootloader 自身区域。

5. 调试与维护功能

读/写寄存器（如 mw 0x40021000 0x1）；
读 Flash/内存（如 md 0x08040000）；
比较内存（如 cmp 0x20000000 0x08040000 0x1000）；
查看系统状态（时钟、堆栈、CPU 信息等）；
Flash 擦除、全擦除、段擦除等功能。

二、模块化设计框架

整体设计可以划分为以下几个模块：

Bootloader/
│
├── startup/          → 启动代码（启动文件、异常向量）
├── drivers/          → 底层驱动（UART、Flash、SD、Net）
├── hal/              → 硬件抽象层
├── protocol/         → 下载协议实现（Xmodem/TFTP等）
├── cmd/              → 命令解析器和命令注册表
├── loader/           → 镜像加载与跳转
├── flash/            → 烧写器接口
├── cli/              → 命令行接口（带历史、编辑等功能）
├── utils/            → 通用函数（CRC、字符串、打印等）
└── main.c            → 主函数，初始化和主循环

三、典型工作流程

系统上电或复位↓
Bootloader 启动↓
初始化硬件外设（串口、SD卡、以太网、Flash等）↓
进入命令行界面 CLI（等待用户输入）↓┌─────────────┐│   用户输入命令  │└─────────────┘↓
执行解析的命令：├─ boot       → 启动 APP├─ load       → 下载镜像（串口/网卡/SD）├─ flash      → 烧写 APP 到 Flash├─ erase      → 擦除 APP 区域├─ md/mw/cmp  → 读/写/比较内存└─ help       → 显示帮助信息

四、各模块简要说明

1. 命令行模块（CLI）

具备编辑能力：

void cli_loop() {while (1) {cli_get_input();         // 获取用户输入，支持方向键等cli_parse_command();     // 解析命令cli_execute_command();   // 调用对应命令处理函数}
}

2. 命令注册与执行机制

采用“命令注册表 + 回调函数”机制：

typedef struct {const char *name;int (*handler)(int argc, char **argv);const char *help;
} cmd_entry_t;static const cmd_entry_t cmd_table[] = {{ "boot", cmd_boot, "Start application" },{ "load", cmd_load, "Load image" },{ "flash", cmd_flash, "Write to flash" },{ "md", cmd_md, "Memory dump" },...
};

3. 烧写模块

对 Flash 操作进行封装，支持写、擦除、保护：

int flash_write(uint32_t addr, const uint8_t *buf, size_t len);
int flash_erase(uint32_t start_addr, size_t len);
int flash_verify(uint32_t addr, const uint8_t *buf, size_t len);

4. 下载协议支持

以串口 YModem 为例：

int ymodem_receive(uint8_t *dst_addr, size_t max_size);

以 TFTP 为例：

int tftp_receive(uint8_t *dst_addr, size_t max_size, const char *filename);

五、跳转启动 APP

跳转前的准备工作：

校验 APP 是否有效；
设置中断向量表基地址（SCB->VTOR）；
设置栈顶指针（MSP）；
跳转到复位地址执行：

void jump_to_app(uint32_t app_base) {typedef void (*app_entry_t)(void);uint32_t sp = *(volatile uint32_t *)app_base;uint32_t pc = *(volatile uint32_t *)(app_base + 4);__set_MSP(sp);SCB->VTOR = app_base;((app_entry_t)pc)();
}