在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，Bootloader 是一個至關(guān)重要的軟件程序，它通常存儲在芯片的非易失性存儲器（如閃存）中。其主要功能是在系統(tǒng)上電后，負責初始化系統(tǒng)硬件，并將操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序加載到內(nèi)存中執(zhí)行。下面，我們將詳細探討 Bootloader 的工作流程、主要功能，以及其發(fā)展進化的歷程。

   Bootloader 的工作流程和主要功能

1. 硬件初始化：Bootloader 啟動后，首先會對處理器、時鐘、內(nèi)存和外設(shè)等硬件資源進行初始化，確保系統(tǒng)處于合適的狀態(tài)，為后續(xù)操作做好準備。
2. 引導設(shè)備選擇：它需要檢測可用的引導設(shè)備，如閃存、外部存儲器或串口等，并從中選擇一個作為加載操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序的來源。
3. 加載操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序：依據(jù)預定義的引導策略，Bootloader 從選定的引導設(shè)備中讀取操作系統(tǒng)鏡像或應(yīng)用程序，并將其加載到內(nèi)存中。
4. 執(zhí)行加載的程序：程序加載到內(nèi)存后，Bootloader 會跳轉(zhuǎn)到該程序的入口點，啟動執(zhí)行。對于操作系統(tǒng)，這意味著將控制權(quán)移交給操作系統(tǒng)內(nèi)核；對于應(yīng)用程序，則開始執(zhí)行其主函數(shù)。
5. 錯誤處理和回滾：Bootloader 通常具備錯誤處理機制，在發(fā)生錯誤時執(zhí)行相應(yīng)操作，如跳轉(zhuǎn)到備用引導設(shè)備或恢復到出廠設(shè)置狀態(tài)。
6. 升級支持：部分 Bootloader 還支持固件升級，允許通過特定接口或協(xié)議更新系統(tǒng)固件，無需物理訪問設(shè)備。

燒錄方式的更新迭代

1. 古老的燒錄方式：20 世紀 80 年代，以 51 單片機為代表開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家電等行業(yè)。起初，將可執(zhí)行程序?qū)懭雴纹瑱C內(nèi)部 ROM 并非易事，且成本較高，需要依賴專門的燒錄設(shè)備。受半導體技術(shù)與工藝限制，ROM 燒寫大多需要高壓，這種狀況一直持續(xù)到 2000 年左右。
2. ISP 與 ICP 燒錄方式：隨著低壓電可擦寫 ROM 的成熟，單片機開始集成可通過數(shù)字電平直接讀寫的存儲介質(zhì)，實現(xiàn)了在系統(tǒng)或在電路直接燒錄程序，即 ISP（In System Programming）或 ICP（In Circuit Programming）。從廣義上講，兩者區(qū)別不大，但嚴格來說，ISP 要求單片機駐留有專門程序與上位機通信，接收固件數(shù)據(jù)并燒錄到自身 ROM，需具備基本的系統(tǒng)電路；而 ICP 可將 MCU 視為可供外部讀寫的存儲電路，無需預置程序，也無需芯片處于可運行狀態(tài)。以 AT89S51 為代表的支持 ISP 或 ICP 的芯片，讓很多人擺脫了對燒錄器的依賴，降低了單片機入門門檻。
   

   
   

3. 更方便的 ISP 燒錄方式
   • 串口 ISP：2005 年前后，STC 單片機憑借串口 ISP 功能受到廣泛關(guān)注。它進一步降低了單片機學習門檻，即使電腦并口逐漸減少，通過 USB - TTL 串口也能方便地進行燒錄。如今，包括 STM32 全系列在內(nèi)的很多單片機都支持串口 ISP，使其成為一種標配的程序燒錄手段。
   • 各種 USBISP：當固件體積較大時，串口 ISP 的速度成為短板。因此，一些單片機配有專門的 USBISP 器，如 AVR、C8051F、MSP430 等。然而，這些燒錄方式存在依賴專門上位機或器硬件、價格較高、時需附加額外操作等弊端。

Bootloader 的基本形態(tài)和功能

Bootloader 是一段存儲在 ROM 中的程序，主要實現(xiàn)以下 4 個功能：

1. 通過某種途徑獲取要燒錄的固件數(shù)據(jù)。
2. 將固件數(shù)據(jù)寫入到 ROM 的 APP 區(qū)中。
3. 跳轉(zhuǎn)到 APP 區(qū)運行，引導燒錄進去的用戶程序啟動。
4. 在整個過程中，提供必要且友好的人機交互界面。

Bootloader 的設(shè)計實例

1. 帶 Shell 命令行的串口 BL：用戶通過超級終端、SecureCRT 或 Xshell 等串口終端輸入命令 “program”，BL 接收到命令后等待接收固件文件數(shù)據(jù)，串口終端通過文件數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將固件數(shù)據(jù)傳給 BL，BL 將數(shù)據(jù)寫入 ROM 的 APP 區(qū)，然后跳轉(zhuǎn)到 APP 區(qū)運行程序。
2. 插 SD 卡即燒錄的 BL：將待燒錄的固件拷貝到 SD 卡中，插入卡槽，BL 檢測到 SD 卡插入后，搜索卡中的 BIN 文件，將其數(shù)據(jù)讀出寫入 ROM 的 APP 區(qū)，跳轉(zhuǎn)到 APP 區(qū)運行程序。

BL 實現(xiàn)的要點

1. 芯片體系架構(gòu)要支持：單片機程序的開頭是中斷向量表，包含程序棧頂?shù)刂泛?Reset 程序入口。從 BL 向 APP 跳轉(zhuǎn)時，APP 程序必須有自己的中斷向量表，且單片機體系架構(gòu)要允許中斷向量表重定向。傳統(tǒng) 51 單片機的中斷向量表只能放在 ROM 開頭，不支持 BL；而 STC 的 51 單片機通過硬件架構(gòu)改進，實現(xiàn)了 BL 功能。此外，AVR 單片機通過配置熔絲位可控制復位入口地址以及 BOOT 區(qū)的大小和開始地址；STM32 則在 NVIC 控制器中提供了中斷向量表偏移量的相關(guān)配置，程序可放置在 ROM 的任何位置運行。
2. ROM 要支持 IAP：在 BL 獲取到固件數(shù)據(jù)后，需要將其寫入 ROM 的 APP 區(qū)，因此單片機需支持 IAP（In Application Programming）操作，即在程序運行過程中對自身 ROM 進行擦除和編程操作。支持串口 ISP 的單片機通常都支持 IAP 功能。
3. APP 程序的配套修改：為使 BL 能順利引導 APP 程序運行，APP 程序開發(fā)時需進行相應(yīng)修改，主要包括修改中斷向量表的開始地址和對中斷控制器的配置。以 STM32 為例，使用不同開發(fā)環(huán)境時，需對相關(guān)文件進行修改，并配置 NVIC 的中斷向量表偏移量。
4. BL 中的跳轉(zhuǎn)代碼：跳轉(zhuǎn)代碼是 BL 的關(guān)鍵，直接影響 APP 程序能否正常運行。以 STM32 為例，其 jump_app 函數(shù)代碼用于實現(xiàn)從 BL 到 APP 的跳轉(zhuǎn)。

Bootloader 的多樣化應(yīng)用

1. BL 的實現(xiàn)與延伸（串口傳輸固件）：在串口傳輸固件的過程中，會涉及串口通信協(xié)議、固件數(shù)據(jù)暫存和校驗等問題。串口通信協(xié)議和文件傳輸實現(xiàn)的內(nèi)容較為繁雜，可在相關(guān)章節(jié)深入學習。為保證固件數(shù)據(jù)的正確性，通常會對數(shù)據(jù)進行整體校驗，并在文件中加入校驗碼。雖然可以不暫存固件直接實時燒寫，但建議在成本允許的情況下對固件進行整體校驗，并適當擴大 ROM 容量，以應(yīng)對 APP 區(qū)固件損壞的情況。
2. 10 米之內(nèi)隔空燒錄 OTA（On the Air）：“隔空燒錄” 源于一個 IoT 項目，用于解決空調(diào)外機硬件升級嵌入式程序的困難。通過改進的 AVRUBD 通信協(xié)議，結(jié)合手機版上位機軟件，實現(xiàn)了用手機進行 “隔空燒錄”。
3. BL 的分散燒錄：在復雜系統(tǒng)架構(gòu)（如主 MCU + CPLD + 通信協(xié)處理器 + 采集協(xié)處理器）中，為解決批量生產(chǎn)時燒錄程序繁瑣的問題，引入了 “BL 的分散燒錄” 機制。將所有固件拼裝成一個大固件，預先燒錄到外擴 ROM 中，主 MCU 燒錄好 BL 后，在 PCBA 首次上電時，BL 從外擴 ROM 中讀取大固件，并分離出各個小固件，分別燒錄到各個部件中。

不走尋常路的 BL

1. Bootpatcher：一般情況下，Bootloader 在 ROM 中的位置位于 APP 區(qū)前面。但在某些特殊情況下，若 APP 必須放在 0X08000000 位置，可將 BL 放在 APP 后面，稱為 Bootpatcher。APP 運行時，可跳轉(zhuǎn)到 Bootpatcher 接收固件文件，校驗后寫入 APP 區(qū)，再跳轉(zhuǎn)到 APP 區(qū)或重啟。不過，這種做法有風險，APP 區(qū)燒錄失敗可能導致產(chǎn)品變磚。
2. APP 反燒 BL：當 BL 需要升級時，除了使用 JLINK，還可在 APP 程序中實現(xiàn)接收固件文件、暫存校驗并燒錄到 BL 區(qū)。這種逆向思維的方法雖有一定風險，但通常可行。