在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，Bootloader 是一個(gè)至關(guān)重要的軟件程序，它通常存儲(chǔ)在芯片的非易失性存儲(chǔ)器（如閃存）中。其主要功能是在系統(tǒng)上電后，負(fù)責(zé)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(xì)探討 Bootloader 的工作流程、主要功能，以及其發(fā)展進(jìn)化的歷程。

   Bootloader 的工作流程和主要功能

1. 硬件初始化：Bootloader 啟動(dòng)后，首先會(huì)對(duì)處理器、時(shí)鐘、內(nèi)存和外設(shè)等硬件資源進(jìn)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(zhǔn)備。
2. 引導(dǎo)設(shè)備選擇：它需要檢測(cè)可用的引導(dǎo)設(shè)備，如閃存、外部存儲(chǔ)器或串口等，并從中選擇一個(gè)作為加載操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序的來(lái)源。
3. 加載操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序：依據(jù)預(yù)定義的引導(dǎo)策略，Bootloader 從選定的引導(dǎo)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(huì)跳轉(zhuǎn)到該程序的入口點(diǎn)，啟動(dòng)執(zhí)行。對(duì)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(duì)于應(yīng)用程序，則開始執(zhí)行其主函數(shù)。
5. 錯(cuò)誤處理和回滾：Bootloader 通常具備錯(cuò)誤處理機(jī)制，在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)執(zhí)行相應(yīng)操作，如跳轉(zhuǎn)到備用引導(dǎo)設(shè)備或恢復(fù)到出廠設(shè)置狀態(tài)。
6. 升級(jí)支持：部分 Bootloader 還支持固件升級(jí)，允許通過特定接口或協(xié)議更新系統(tǒng)固件，無(wú)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(jì) 80 年代，以 51 單片機(jī)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(jī)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(dǎo)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(jī)開始集成可通過數(shù)字電平直接讀寫的存儲(chǔ)介質(zhì)，實(shí)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(yán)格來(lái)說(shuō)，ISP 要求單片機(jī)駐留有專門程序與上位機(jī)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(chǔ)電路，無(wú)需預(yù)置程序，也無(wú)需芯片處于可運(yùn)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(duì)燒錄器的依賴，降低了單片機(jī)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(jī)憑借串口 ISP 功能受到廣泛關(guān)注。它進(jìn)一步降低了單片機(jī)學(xué)習(xí)門檻，即使電腦并口逐漸減少，通過 USB - TTL 串口也能方便地進(jìn)行燒錄。如今，包括 STM32 全系列在內(nèi)的很多單片機(jī)都支持串口 ISP，使其成為一種標(biāo)配的程序燒錄手段。
   • 各種 USBISP：當(dāng)固件體積較大時(shí)，串口 ISP 的速度成為短板。因此，一些單片機(jī)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(jī)或器硬件、價(jià)格較高、時(shí)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(chǔ)在 ROM 中的程序，主要實(shí)現(xiàn)以下 4 個(gè)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(yùn)行，引導(dǎo)燒錄進(jìn)去的用戶程序啟動(dòng)。
4. 在整個(gè)過程中，提供必要且友好的人機(jī)交互界面。

Bootloader 的設(shè)計(jì)實(shí)例

1. 帶 Shell 命令行的串口 BL：用戶通過超級(jí)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(yùn)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(cè)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(yùn)行程序。

BL 實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)

1. 芯片體系架構(gòu)要支持：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(shí)，APP 程序必須有自己的中斷向量表，且單片機(jī)體系架構(gòu)要允許中斷向量表重定向。傳統(tǒng) 51 單片機(jī)的中斷向量表只能放在 ROM 開頭，不支持 BL；而 STC 的 51 單片機(jī)通過硬件架構(gòu)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了 BL 功能。此外，AVR 單片機(jī)通過配置熔絲位可控制復(fù)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(yùn)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(jī)需支持 IAP（In Application Programming）操作，即在程序運(yùn)行過程中對(duì)自身 ROM 進(jìn)行擦除和編程操作。支持串口 ISP 的單片機(jī)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(dǎo) APP 程序運(yùn)行，APP 程序開發(fā)時(shí)需進(jìn)行相應(yīng)修改，主要包括修改中斷向量表的開始地址和對(duì)中斷控制器的配置。以 STM32 為例，使用不同開發(fā)環(huán)境時(shí)，需對(duì)相關(guān)文件進(jìn)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(yùn)行。以 STM32 為例，其 jump_app 函數(shù)代碼用于實(shí)現(xiàn)從 BL 到 APP 的跳轉(zhuǎn)。

Bootloader 的多樣化應(yīng)用

1. BL 的實(shí)現(xiàn)與延伸（串口傳輸固件）：在串口傳輸固件的過程中，會(huì)涉及串口通信協(xié)議、固件數(shù)據(jù)暫存和校驗(yàn)等問題。串口通信協(xié)議和文件傳輸實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容較為繁雜，可在相關(guān)章節(jié)深入學(xué)習(xí)。為保證固件數(shù)據(jù)的正確性，通常會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體校驗(yàn)，并在文件中加入校驗(yàn)碼。雖然可以不暫存固件直接實(shí)時(shí)燒寫，但建議在成本允許的情況下對(duì)固件進(jìn)行整體校驗(yàn)，并適當(dāng)擴(kuò)大 ROM 容量，以應(yīng)對(duì) 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(gè) IoT 項(xiàng)目，用于解決空調(diào)外機(jī)硬件升級(jí)嵌入式程序的困難。通過改進(jìn)的 AVRUBD 通信協(xié)議，結(jié)合手機(jī)版上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)進(jìn)行 “隔空燒錄”。
3. BL 的分散燒錄：在復(fù)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(shí)燒錄程序繁瑣的問題，引入了 “BL 的分散燒錄” 機(jī)制。將所有固件拼裝成一個(gè)大固件，預(yù)先燒錄到外擴(kuò) ROM 中，主 MCU 燒錄好 BL 后，在 PCBA 首次上電時(shí)，BL 從外擴(kuò) ROM 中讀取大固件，并分離出各個(gè)小固件，分別燒錄到各個(gè)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(yùn)行時(shí)，可跳轉(zhuǎn)到 Bootpatcher 接收固件文件，校驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)，APP 區(qū)燒錄失敗可能導(dǎo)致產(chǎn)品變磚。
2. APP 反燒 BL：當(dāng) BL 需要升級(jí)時(shí)，除了使用 JLINK，還可在 APP 程序中實(shí)現(xiàn)接收固件文件、暫存校驗(yàn)并燒錄到 BL 區(qū)。這種逆向思維的方法雖有一定風(fēng)險(xiǎn)，但通?？尚小?/li>