Top.Mail.Ru

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 начинаем обсуждать одну очень интересную и важную тему, а именно использование bootloader'а (загрузчика). Сегодня 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 реализуем свой bootloader для STM32 с нуля.

Итак, простыми словами, bootloader - это специальная программа, которая располагается в памяти контроллера и может самостоятельно перепрограммировать его. Давайте для лучшего понимания процесса посмотрим, как вообще выполняется программа, прошитая в контроллер, и где она физически 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 отправляется 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 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 основной программе, которая располагается по адресу 0х0800А000 (этот адрес мы взяли для примера). Вот небольшая схема для иллюстрации работы загрузчика:

Принцип работы bootloader.

Вроде бы понятно как устроено, но возникает вопрос - зачем все это надо? Давайте разбираться.

Первостепенной задачей bootloader'а является перепрограммирование контроллера. 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.

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 прошивки и, если находит, записывает программу в нужную область памяти.

Небольшое отступление от основной темы. Поясню, что я тут имею ввиду под файлом прошивки. Когда мы создаем проект (Keil, IAR - без разницы), то на выходе получаем скомпилированный файл для прошивки в микроконтроллер. Чаще всего мы использовали формат .hex. Так вот именно этот файл нам и нужен в данном случае.

Но именно hex-файл не совсем подходит для наших целей, поскольку помимо кода программы он несет в себе дополнительную служебную информацию. Чтобы ее не обрабатывать и не вытаскивать из hex-файла нужные нам данные, который bootloader должен записать во Flash, мы в настройках IDE активируем генерацию bin-файла вместо hex.

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. Таким образом, 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. Здесь мы в вечном цикле пытаемся открыть файл с программой, а как только это нам удается, bootloader программирует Flash-память и перескакивает на адрес записанной им же прошивки. После этого контроллер начинает выполнять пользовательскую программу. Еще раз повторюсь, это всего лишь псевдокод для примера, полноценный bootloader для STM32 мы обязательно реализуем в следующей статье.

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

На самом деле с этим все просто. Вот, например, первая ситуация: есть некое количество устройств, на заводе работники прошили в каждый контроллер (например, при помощи ST-Link) на каждой плате bootloader, который при подключении к плате флешки (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 многократно обновляться 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 флешку и втыкать ее в готовое устройство, где перепрошивкой займется bootloader, чем по сто раз бегать от одной платы к другой, втыкать программатор, при этом перенося с собой ПК и т. д. 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, чтобы выполнить перепрошивку через программатор. То есть программу обновить фактически нереально. Совсем другое дело, если изготовители предусмотрели встроенный bootloader. Пользователь может без проблем скинуть на карту памяти или на флешку скачанный бинарник и подключить эту карту/флешку 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 или некого другого дополнительного функционала (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 обновиться.

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

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

В STM32 уже есть bootloader, который инженеры ST поместили в специально отведенную для этого область памяти контроллера (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 (один из вариантов) новую прошивку. Для этого необходимо подключить плату к ПК, скачать специальную утилиту от ST (Flash Loader Demonstrator) и загрузить в нее свой файл прошивки. Я, честно говоря, дефолтным 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. Если такой файл попадет в руки конкурентов, то это ничего не даст, поскольку только мой bootloader знает механизм расшифровки. При использовании аппаратного botloader'а такое невозможно - Flash Loader Demonstrator принимает bin-файл в исходном виде.

Во-вторых, пользователю будет необходимо подключать свою плату к ПК и скачивать дополнительный софт для перепрошивки устройства, что 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 уместиться в ограниченный объем памяти. С системным bootloader'ом такой проблемы нет - он расположен в специальной области, использовать которую программист так и так не может.

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

Подписаться
Уведомить о
guest

21 комментариев
Старые
Новые
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Alexey
Alexey
8 лет назад

Ждём! Спасибо за Ваши статьи! Постоянно слежу за новыми публикациями!

Паша
Паша
8 лет назад

За статью спасибо! А увидеть рабочий bootloader с SD карточки ( а еще лучше с USB флешки ))) ) ну это будет вообще великолепно.

Дмитрий
Дмитрий
6 лет назад

Как в Keil сделать bin файл?

Ser
Ser
6 лет назад

Спасибо! Познавательно!
Необходимо прошить STM32 с помощью Flash Loader Demonstrator
1. Заглушка загрузчика с адреса 0x08000000
2. Прошивка с адреса 0x08002000
Как правильно настроить Flash Loader Demonstrator?
Прошивка будет происходить в два этапа?
По возможности разъясните подробнее. Что, где выставлять.
Спасибо!

ctef
6 лет назад

Здравствуйте!
Подскажите, правильно ли я понимаю суть загрузчика?
1. Загрузчик мы можем написать как отдельную программу, и прошивать его первоначально с помощью программатора, или встроенного аппаратного загрузчика, а потом уже с помощью нашего загрузчика зашивать основную программу.
2. Сделать программу с загрузчиком и основной программой единым файлом и так же записать её с помощью программатора или аппаратного загрузчика.
3. Последующие обновления программы надо делать отдельным проектом в котором нет кода загрузчика и его уже скармливать нашему загрузчику
Правильно ли я понимаю?

Владимир
Владимир
Ответ на комментарий  Aveal
3 лет назад

По 1-му пункту : "написать как отдельную программку" - это и будет являться бутлоадером загрузчика ,верно ?

ctef
ctef
6 лет назад

А подскажите как в программе которая будет содержать загрузчик и основной код программы быть с переходом на адрес основной программы?
файл линкера мы не меняем, что нужно задавать функциям абсолютные адреса? или как что то туплю

ctef
ctef
6 лет назад

Спасибо, вам за терпение и ваш труд!!!
Я наверно не правильно сформулировал вопрос,
когда проект содержит и загрузчик и основную программу мы в при включении питания попадаем на адрес 0x08000000 где у нас расположен загрузчик, проверяем условие на обновление и если условие не выполнено, то переходим на основную программу и в функции перехода указываем адрес 0x0800A000. Когда проект загрузчика не содержит код основной программы вопросов не возникает( зашили отдельно загрузчик в плату, а потом уже с помощью загрузчика зашиваем основную программу), а как быть когда и загрузчик и основная программа это один проект? какой адрес перехода должен быть?

ctef
ctef
6 лет назад

Я хотел сделать следующее:
1. При старте проверяем ключ из памяти МК есть ли обновление и была ли записана основная программа? если есть обновление то переписываем ключ на обновление и начинаем обновлять основную программу, после обновления ставим ключ что есть основная программа.
Если нет ключа обновления, но есть ключ наличия основной программы просто перейдем на основную программу.
Если нет ключа обновления и нет ключа наличия основной программы то в загрузчике инициализируем USB и будем ждать подключения к ПК для последующего обновления.
Зачем все это надо? так мы сможем обновлять прибор несколькими способами, пришло нам обновление через интернет, по проводу, через радиоканал мы его запишем в отдельно выделенный блок памяти или внешнею память , обновим ключ наличия обновления и перезапустимся. Если нет основной программы можем обновиться через USB если предположим что обновление было с ошибкой и работа основной программы нарушена (допустим накосячил в обновлении).
Зачем загрузчик и основная программа в едином проекте? Что-бы при производстве не прошивать контроллер два раза.
Хотя я может чересчур усложняю 🙂

ctef
ctef
6 лет назад

еще хотел таким образом сделать возможность своего образа отката на предыдущею версию прибора самим прибором(хранить два обновления и при возникновении ошибок возвращаться на предыдущий вариант программы)

Владимир
Владимир
5 лет назад

Опечатка в статье:
"В общем, о пользе и применениях загрузчика можно говорить очень и очень догло…;)"

joo
joo
5 лет назад

А как изменить векторы прерываний

21
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x