单片机需要使用Bootloader吗

原创乐创客 2021-07-02 07:05

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Bootloader

“Bootloader”俗称“引导加载程序”。在我们狭义上说的“Bootloader”是特指嵌入式设备中的引导程序，但是从广义的角度上来说，PC机中也存在“Bootloader”，比如Windows中的引导工具为“NTLOADER”，“Bootmgr”。“NTLOADER”是Windows 98和Windows XP时代的引导程序，而Windows Vista，Windows 7和Windows 10操作系统的引导程序则为“Bootmgr”。Linux操作系统也有自己特定使用的引导程序，这就是开源组织GNU推出的Grub（GRand Unified Bootloader简称“GRUB”），它可以引导非常多的操作系统，功能非常强大。然而对于普通程序猿来说，PC端的引导程序根本不需要我们涉及，它们往往会随着操作系统被一并自动安装进我们的PC，只有当安装了双系统的时候，开机会出现启动管理器让你选择进入哪个系统的时候，引导程序才会显出它的“真身”。

图1 双系统的开机引导

在嵌入式设备中，Bootloader程序的裁剪是一门必修课。嵌入式设备中，只要使用了Linux这种操作系统必须要使用引导程序，这些嵌入式Linux操作系统的引导程序用的是一个名叫“U-Boot”的开源软件。而早在嵌入式Linux刚刚兴起的时候，各家的硬件平台标准化远远没有现在这么高，因此对于不同的硬件平台，需要修改U-Boot的代码来适配。

图2 U-Boot的官方网站

接下来问题来了，为什么这种操作系统一定要用引导程序来引导呢？首先来看下U-Boot这种Bootloader的主要功能，这里主要是介绍早期的U-Boot功能，这些功能是整个嵌入式Linux操作系统成功运行的基础。U-Boot的运行分为两个阶段：

第一阶段是Low level init，即低级别的初始化，这一阶段主要完成以下一些工作：

设置异常向量；

设置CPU速度、时钟频率以及中断控制寄存器；

初始化内存控制器；

拷贝U-Boot第二阶段的功能代码到RAM空间；

设置堆栈，初始化数据段并跳转至第二阶段引导。

第二阶段主要完成的功能有：

初始化Flash设备；

初始化系统内存；

初始化NAND，显示，网络等其他设备；

进入Bootloader功能区（可选，功能可以为硬件测试，下载操作系统内核，下载文件系统等）；

将Kernel和根文件系统从Flash映射到RAM中；

设定内核启动参数和启动内核。

u-boot.lds

OUTPUT_ARCH(arm)ENTRY(_start)SECTIONS{    . = 0x00000000;    . = ALIGN(4);    .text :    {          *(.__image_copy_start)        CPUDIR/start.o (.text*)        *(.text*)    }     . = ALIGN(4);    .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }    . = ALIGN(4);    .data : {        *(.data*)

arch/arm/cpu/armv7/start.s中节选代码

.globl _start_start: b reset ldr pc, _undefined_instruction ldr pc, _software_interrupt ldr pc, _prefetch_abort ldr pc, _data_abort ldr pc, _not_used ldr pc, _irq ldr pc, _fiq#ifdef CONFIG_SPL_BUILD_undefined_instruction: .word _undefined_instruction_software_interrupt: .word _software_interrupt_prefetch_abort: .word _prefetch_abort_data_abort: .word _data_abort_not_used: .word _not_used_irq: .word _irq_fiq: .word _fiq_pad: .word 0x12345678 /* now 16*4=64 */#else.globl _undefined_instruction_undefined_instruction: .word undefined_instruction.globl _software_interrupt_software_interrupt: .word software_interrupt.globl _prefetch_abort_prefetch_abort: .word prefetch_abort.globl _data_abort_data_abort: .word data_abort.globl _not_used_not_used: .word not_used.globl _irq_irq: .word irq.globl _fiq_fiq: .word fiq_pad: .word 0x12345678 /* now 16*4=64 */#endif /* CONFIG_SPL_BUILD */.global _end_vect_end_vect:.balignl 16,0xdeadbeef

在GCC的Make系统中，一个程序的入口是由链接文件决定的，也就是我们这里的start.s文件。在ARM系统上电的时候，会根据硬件启动方式的选择，进入不同的启动区域，但是这段代码无论无何都会被执行，只不过是从哪里映射到起始地址而已。

等到整个U-Boot运行起来之后，接下来用户就可以选择是直接引导程序，还是进行内核更新或者文件系统更新，这些软件的更新也是U-Boot提供的一些功能。

图3 U-Boot通过串口打印出的CLI界面

单片机的Bootloader

既然Linux操作系统进行启动时，必须要用Bootloader初始化硬件以及引导操作系统，那么在没有Linux操作系统的单片机中为什么还要用Bootloader？

单片机中使用Bootloader的主要作用有两个：

改变软件烧写方式；

方便软件更新（在线更新或者OTA）。

软件更新这一点很好理解，因为目前很多设备都可以联网，可以设置一个服务器自动推送一个新版本的固件来给单片机升级，既省去了客户服务现场更新软件的成本，又可以发挥软件行业敏捷开发的优点。

图4 OTA升级

而改变软件的烧写方式这一点可能有点困惑了，现在的MCU明明可以用J-Link，用串口等等方式来烧写，为什么还要去改变软件的烧写方式呢？

这个对于一些特殊的行业，比如工程车辆，叉车，挖掘机等，它们既不支持OTA在线升级，对外的标准口也只有一个CAN总线接口，这个接口既要用作车辆信息诊断的接口，又要对整个车辆网络中的所有控制器进行软件升级。这就必然要给CAN总线加入软件烧写的功能，而单片机的出场IAP基本只支持串口，并不支持CAN总线等特殊通讯口。因此一个好的Bootloader程序可以完美解决这个问题。