Микроконтроллер и Bootloader. Описание и принцип работы.

Приветствую всех на нашем сайте и сегодня мы после небольшого перерыва вернемся к теме микроконтроллеров. А если быть совсем точным, то мы начинаем обсуждать одну очень интересную и важную тему, а именно использование bootloader’а (загрузчика) при программировании контроллеров. Сегодня мы разберем теоретическую часть – зачем bootloader нужен, как он работает и что это вообще такое. Следующая статья будет посвящена целиком и полностью практике. Забегая вперед скажу, что мы напишем свой bootloader для любимых микроконтроллеров STM32 😉

Итак, простыми словами, bootloader – это специальная программа, которая располагается в памяти микроконтроллера и может самостоятельно перепрограммировать его. Давайте для лучшего понимания процесса посмотрим как вообще выполняется программа, прошитая в микроконтроллер, и где она располагается.

Как вы помните из статьи, посвященной Flash-памяти микроконтроллеров STM32, основная пользовательская программа начинается с первой страницы памяти, а точнее с адреса 0х08000000. То есть при подаче питания контроллер сразу же убегает по этому адресу )

При использовании загрузчика все выглядит несколько иначе. Основная программа записывается уже по другим адресам и располагается начиная, например, с адреса 0х0800A000. А область памяти (0х08000000 – 0х0800А000) целиком и полностью отдается bootloader’у. В итоге в flash-памяти контроллера у нас как бы находятся две полноценные программы. При включении устройства управление получает bootloader (поскольку он находится в области, начинающейся со “стартового” адреса 0х08000000), а при дальнейшей работе bootloader, выполнив все свои задачи передает управление нашей основной программе, которая располагается по адресу 0х0800А000 (этот адрес мы взяли для примера). Вот небольшая схемка для демонстрации работы загрузчика:

Вроде бы понятно как устроено, но возникает вопрос – зачем все это надо?

Давайте разбираться…

Первостепенной задачей bootloader’а является программирование микроконтроллера. Он не просто выполняет какие-то действия, а затем передает управление основной программе (переходит на адрес, который соответствует началу основной программы), он, в первую очередь, самостоятельно записывает эту основную программу в flash-память по нужным адресам.

Давайте разберем небольшой пример для лучшего понимания. Пусть мы создали bootloader (bootloader – точно такой же обычный проект, как и любая другая программа для микроконтроллера), который реализует взаимодействие с внешней картой памяти, ищет на карте файл программы и, если находит, записывает программу в нужную область памяти.

Небольшое отступление от основной темы… Поясню, что я тут имею ввиду под “файлом программы”.

Когда мы создаем проект (Keil, IAR – без разницы), то на выходе (после сборки проекта) мы получаем скомпилированный файл для прошивки в микроконтроллер. Чаще всего мы использовали .hex файл программы. Так вот именно этот файл нам и нужен в данном случае. Но именно hex-файл не совсем подходит для наших целей, поскольку помимо кода нашей программы он несет в себе дополнительную служебную информацию. Чтобы ее не обрабатывать и не вытаскивать из hex-файла нужный нам код, который bootloader должен записать во flash, мы в настройках компилятора во вкладке Output попросим его генерировать нам вместо hex-файла bin-файл. Бинарник, в отличие от hex, содержит в себе только последовательный код программы и ничего больше. То есть bootloader’у остается только читать байты из bin-файла и записывать их во flash-память. То есть в нашем примере задачей загрузчика является чтение байт из файла на карте памяти и запись их по адресам, начиная с 0х0800A000. Вот псевдокод для наглядности:

void main()
{
    // Инициализируем интерфейс SDIO для общения с картой памяти
    SDIO_Init();
 
    while(1)
    {
        // Ищем файл прошивки
        if (f_open(файл.bin) == FR_OK)
        {
            ProgramFlash();
            JumpToMainProgram();
        } 
    }
}

Конечно, это сильно упрощенная версия загрузчика 😉 Тут мы в вечном цикле пытаемся открыть файл с программой, как только это нам удается (пользователь записал на карту долгожданный файл) bootloader программирует flash-память и перескакивает на адрес записанной им же программы. После этого контроллер начинает выполнять пользовательскую программу. Еще раз повторюсь, это всего лишь псевдокод для примера, нормальный, работающий bootloader мы обязательно напишем в следующей статье )

Все это, конечно, очень интересно, но по-прежнему, непонятно, зачем нужны все эти сложности….

С этим на самом деле все просто – вот, например, первая ситуация – есть огромное количество устройств, на заводе работники прошили в каждый контроллер (например, при помощи ST-Link) на каждой плате bootloader, который при подключении к плате флэшки (в заранее предусмотренный разъем) ищет на ней файл прошивки и выполняет программирование. Основную программу, конечно же, тоже можно прошить вместе с bootloader’ом через ST-Link. Но тонкость тут в том, что проект bootloader’а остается всегда неизменным и перепрошивать его не надо, а вот версия основной программы может обновляться кучу раз в процессе тестирования устройств. И тут уже гораздо проще один раз подключить ST-Link и прошить загрузчик, а впоследствии просто скидывать новую версию основной программы на флэшку и втыкать ее в готовое устройство, где перепрошивкой займется bootloader, чем по сто раз бегать от одной платы к другой, втыкать ST-Link, при этом перенося с собой ноутбук с ST-Link Utility… Как видите, польза загрузчика очевидна 😉

Вторая ситуация еще лучше это демонстрирует. Устройство уже выпущено и куча экземпляров распродана пользователям. Как бы хороша не была финальная версия программы никто не застрахован от неожиданного появления ошибок в процессе эксплуатации. И тут уже человек, купивший устройство, точно не сможет разобрать его и подпаяться, чтобы выполнить перепрошивку через программатор. То есть программу обновить просто нереально. Совсем другое дело, если изготовители предусмотрели встроенный bootloader. Пользователь может без проблем скинуть на карту памяти или на флэшку скачанный бинарник и подключить карту/флэшку к устройству. Изготовителю остается только выкладывать новые версии прошивок на своем сайте =) В этом на самом деле кроется куча возможностей – изготовитель устройств может спокойно выпустить девайс на рынок с базовой прошивкой, которая реализует все нужные функции, но не содержит всяких приятных графических вещей или возможности подключения к ПК (зависит от того, что это за устройство). Производителю не нужно ломать голову над тем, чтобы выпустить с первого раза идеальную прошивку, в которой будет реализовано абсолютно все, что только можно, ведь он знает что встроенный bootloader без проблем поможет пользователю в будущем обновить программу.

В общем, о пользе и применениях загрузчика можно говорить очень и очень долго…;) Помимо упомянутых возможностей обновления прошивки при помощи флэшки или карты памяти, bootloader может использовать какой-нибудь из интерфейсов передачи данных, например SPI, I2C или USART.

В общем-то, вроде бы мы разобрались с теоретической частью, посвященной использованию bootloader’а, но давайте еще один момент обсудим в этой статье – а именно аппаратный загрузчик микроконтроллеров STM32.

У STM32 уже есть bootloader, который инженеры ST поместили в специально отведенную область памяти микроконтроллера (System Memory). Удалить его оттуда нельзя, да и незачем =) Для того, чтобы ввести контроллер в режим загрузчика необходимо подать определенные сигналы на ножки BOOT0 и BOOT1. После этого микроконтроллер готов принимать по USART новую прошивку. Для этого необходимо подключить плату к ПК, скачать специальную софтинку от ST – Flash Loader Demonstrator и загрузить в нее свой файл прошивки.

Я, честно говоря, аппаратным загрузчиком предпочитаю не пользоваться по нескольким причинам. Во-первых, прошивка никак не шифруется, что для коммерческих устройств зачастую недопустимо. Если я использую свой собственный bootloader, то я могу сделать с bin-файлом все, что угодно, например, поменять определенные байты местами. Если такой файл попадет в руки конкурентов, то это ничего не даст, поскольку только мой bootloader знает как расшифровать бинарник. При использовании аппаратного botloader’а такое невозможно – Flash Loader Demonstrator принимает bin-файл в исходном виде, то есть все байты в нем не зашифрованы. Во-вторых, пользователю будет необходимо подключать свою плату к ПК и скачивать дополнительный софт для перепрошивки устройства, и это не очень хорошо. Чем проще устройство в использовании, тем лучше 😉 Но есть и плюсы аппаратного bootloader’а – он не занимает flash-память. При использовании своего загрузчика нужно иметь ввиду, что и загрузчик и основная программа должны поместиться в flash-памяти. С аппаратным bootloader’ом такой проблемы нет – он расположен в специальной области памяти, использовать которую программист не может.

Давайте на этом на сегодня и закончим, не пропустите статью, посвященную практической реализации загрузчика!