Bootloader（1）：初步认识Bootloader概念（什么是Bootloader）

前言

回想起刚入门单片机，在学校使用单片机参加各种电子竞赛。

代码跑起来的流程可简单了。

只需要拷贝一份demo工程（可能只实现GPIO点亮几颗LED的功能）。

然后在这个工程上面加应用功能逻辑、编译，烧录，最后断开仿真器，代码就能直接跑起来了。

简单来说，就是仅只使用一个工程，然后在上面实现我想要的应用功能就可以了。

这样的整套流程，可是搞了好几年。

后来毕业了，在一个小公司实习，首次真正见识到了Bootloader。

当时感觉好牛。

它一个项目下面，有2个工程，一个工程叫App、一个工程叫Boot。

看到Boot的Main函数，它跑了一些东西之后，会执行跳转，这个跳转代码好强，执行它就会跳到App工程里面（当时看这跳转代码，可是好久都没理解）。

在当时，我脑袋瓜子对Boot的问题可是太多了。

Boot的大概作用，我百度一下倒是能懂，可以用于升级嘛。

但是，这两个工程它们是怎么衔接起来的？跟我以前接触的不一样啊？以前都是一个工程一烧录，就跑起来了。

好像还有一级Boot、二级Boot？这个听起来更牛批了！搞那么多Boot干嘛？！

听说Bootloader会初始化必要的硬件外设，啥是必要的？为啥不能在App初始化？

当时太菜，怎么看都看不懂。

......

又好几年过去。

积累了各种MCU的知识后。

终于搞清楚了这Bootloader基本的来龙去脉。

认识Bootloader需了解的知识

一个工程里面，代码多了去了：有函数，有局部变量，有全局变量，等等。

我们所谓的刷代码刷代码，到底刷的是啥？又是刷到MCU的哪里去？

如果这些都不知道，还谈啥boot谈啥升级呢。

ROM(PFlash)、RAM概念

首先需要认识的是ROM（这里我们主要是认识ROM）和RAM：

ROM是断电数据不丢失的、只读的

RAM是断电后数据会丢失、可读可写的

但是，仅了解到这个层面还不够。

我们还需要深入去了解，在我们实际写的代码中，ROM对应哪些部分，RAM又对应哪些部分

大家平时写的代码中，有函数、有局部变量、有全局变量、有常量。

其中

1、函数、常量

函数是用来实现各种逻辑的代码。

常量是不可变化的只读变量。

因此函数和常量都放在ROM里面。

2、局部变量、全局变量

这2种变量都是代码运行过程中可以修改的、且下电会丢失的。

因此局部变量和全局变量放在RAM里面。

MCU地址概念

在对ROM和RAM有了形象的认识后，我们就要看看它们在芯片里面具体又是怎么样的。

接下来我们就要去翻一翻芯片手册了。

我们简单一点，把芯片理解成一个容器，因此，在这个容器里面一定有地方放我们上面说到的ROM和RAM。

于是我们翻到芯片手册关于地址的描述（以英飞凌TC275为例，Tc275它是3核芯片，但我们不用管它几个核，我们只看它的ROM和RAM就行。）：

ROM的地址共2个区域（大小共4M）：

PFlash1：0x8000 0000 ~ 0x801F FFFF

PFlash2：0x8020 0000 ~ 0x803F FFFF

RAM地址的区域就多了一些了(虽然分开的区域多，但空间大小是远小于ROM空间的)

大家不用管它叫什么PSPR、DSPR啥的，反正它就是RAM。

具体RAM地址举例如下：

好了， 现在稍微深入点了解了ROM和RAM之后。

我们来看看刷代码是怎么个事。

比如我们这颗TC275芯片。

对于工程里面的函数、常量这些东西

刷代码就是把函数、常量这些东西刷进入了MCU的ROM所在的地址里面。

画图举例如下：

对于工程里面的全局变量，

刷代码就是把全局变量的地址，指定到MCU的某个RAM地址上面。

比如定义一个全局变量：uint16 u16TestVal，它占用的空间是2个Byte。

假设我们把这个u16TestVal变量指定到0x5000 0000 ~ 0x5000 0001这个地址上面，那么这个地址存的值就是u16TestVal的值。

画图举例如下：

（我们这里只是简单举个ROM和RAM的例子，比如还有局部变量等等，就不展开讨论了）

初步认识Bootloader原理

到这里，你大概了解了刷代码是刷了啥东西之后，你已经具备足够的知识去初步认识Bootloader的实现了。

接下来，我们再简单一点。

第一步：

假设你手上有一个代码工程，并且只有一个main函数，先不用想这么复杂，mcu上电后，不用管main之前还跑了别的什么东西，就假设main函数之前没有东西了。

你的代码只实现了一个东西，就是在main里面拉一下GPIO点个灯（LED1）。

我们刚刚说了，函数放哪？放ROM嘛对吧。

因此，我们不妨直接把这个工程（即这个函数的起始位置）放到芯片手册里面ROM开始的地址：0x80000000（至于具体怎么放的，我们先不管）。

第二步：

你把刚刚那个工程拷贝一份，然后改一下main函数的实现内容（甚至你不改也行）。

这个工程就改成点亮另一个LED灯吧（LED2）。

同样的，函数放ROM里面嘛。

对于这个工程2的起始地址（即这个main函数的起始地址），放到第1个工程的后面，我们给第1个工程一些预留位置（因为不可能一个工程就点个灯吧，后续要加功能的）

工程2起始地址就放到0x80200000吧。

好了。经过了第一步、第二步的操作。

你现在MCU的ROM里面成功放了2个工程进去。

同时，我们把MCU上电后跑起来的起始地址设为0x80000000，即工程1的main起始地址。

那么问题又来了，这两个工程怎么衔接起来？

这就需要靠下面这句跳转代码了：

  ((void (*)(void))(0x80200000))();

我们把这段代码放到工程1点亮LED1代码的后面。

于是，MCU上电，代码跑起来后，工程1在点完LED1就会直接跳到工程2的main函数的起始地址，然后跑工程2的代码去点亮LED2了。

说明：这里得再说一下，实际工程的起始地址肯定不是main的，main的前面还会跑别的东西。我们这里只是简化理解。

但是，main前面的东西也一样是放在ROM里，所以我们现在不需要纠结main前面到底有啥。

到这里，很关键的一步已经完成了，你的MCU已经能跑2个工程了，已经有点Bootloader的雏形了。 

接下来，我们再进一步。

比如我们简简单单，实现一个平衡小车的功能。

主要的逻辑功能放哪呢？

由于工程2的起始地址比工程1的靠后。

所以我们放到工程2里面，工程1我们后续有大用。

于是，在工程2里面就有了各种应用功能逻辑代码。

比如读取陀螺仪的方向转角代码啦，PID算法代码啦，等等。

你好好地搞着平衡车的功能，突然有一天，天塌了。

烧录器被人偷了！没法烧录代码了！平衡小车功能还没优化完呢！

好在很久以前，你从网上ctrl-c、ctrl-v，移植了下面这样功能的代码到工程1里面，并且在烧录器没被偷之前就刷写进MCU了。

你移植到工程1的这代码干的事情也不多，主要是下面这些：

1、擦除指定ROM地址数据

把数据写入指定ROM地址之前，我们需要先把MCU这段ROM地址上的数据擦除。

比如我们现在需要刷写工程2到MCU里面，那么我们就需要从ROM地址0x80200000开始擦除，至于擦除到哪里结束，则取决于这个工程2使用的ROM大小了。

又至于它是怎么擦除的，实际代码就是调用一个函数接口，这个函数是MCU厂家的软件包就有这个接口，因此不需要担心。

2、接收升级包

比如你编译工程2之后，会生成一个.hex文件。

这个.hex文件就是升级包。

然后，我们电脑会有一个上位机（类似于串口工具那样的上位机），它可以载入这个.hex文件，然后通过UART(或者CAN)发送给MCU。

至于MCU如何接收整个数据包的过程，我们现在先不管。

3、把升级包写入指定ROM

在擦除完成之后，就MCU就把接收到的升级包刷写至指定的ROM里面。

至于它是怎么写入的，也是类似于擦除那样，MCU厂家的软件包就有这个函数调用接口，直接调用就行，只需要把数据本身、数据大小和写入地址传进函数里面，它就会去写入了。

到这里，我们整理一下：

工程2，实现各种想要的应用功能代码，用来搞功能逻辑的，比如你的平衡小车功能。

工程1，不搞应用逻辑功能，作用是通过UART(或CAN)直接把工程2的代码刷写进MCU。

好了，MCU里面有了工程1在，你的烧录器就算被偷了，也能通过UART（或者CAN）直接把工程2的代码刷写进去：

1、擦除工程2在MCU中所在的ROM地址

2、接收工程2的hex文件

3、把接收到的工程2的hex文件数据写入指定ROM地址

这个工程1的作用，就是执行这3个关键步骤去升级工程2。

朋友们，这个工程1，不就是所以谓的Bootloader嘛。

有了工程1在，我们的MCU不就具备升级功能了嘛。

我们这里接收升级包的方式是通过UART(或者CAN)。

但完全可以改成别的方式。

比如通过以太网从云端远程接收数据包，然后进行升级。

这不就是所谓的OTA（Over The Air）了，你的手机、车、电脑不就是用这种方式升级的嘛！

结语

我们这里是简化了很多东西去讲Bootloader的大致的流程。

很多细节的东西我们都暂且忽略了，接下来就是一点点填坑，把这些细节一点点补上了。

比如：

main前面有什么东西，干啥用的？

工程的起始地址具体要怎么放到指定的ROM地址上？

Bootloader工程和App工程它们用的RAM是一起用的还是分开用的？

Bootloader跑起来的时候，怎么知道当前是上电流程还是升级流程？（如果是上电流程就要直接跳App工程，如果是升级流程就要停留在Bootloader里面跑升级功能）

一级Boot、二级Boot又是怎么回事？

升级包接收到流程具体是怎么样的？

App能不能倒反天罡，去升级Boot？

hex和bin有啥关系，好像两者都能用于升级？

等等......

真正要搞起来，细节可太多了。