完整 Bootloader 框架

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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。

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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

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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

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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);

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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)();
}

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六、安全与扩展设计

• 镜像加密/签名校验；
• Bootloader 写保护；
• App 镜像冗余备份（双 APP）；
• 远程升级接口 OTA 支持；
• 故障回退机制（启动失败自动回滚）；
• 分区表支持：Boot/App1/App2/Config

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七、结语

一个成熟的 Bootloader 是嵌入式系统中不可或缺的基础组件。它不仅负责应用程序的启动，还承担着维护、升级、安全校验、调试等诸多职责。建议在设计之初就考虑良好的模块化、可扩展性、安全性，逐步完善功能。