[LM3_SN]BootLoader.pdf

《[LM3_SN]BootLoader.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[LM3_SN]BootLoader.pdf（9页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、LM3Sxxxx 学习笔记第三章Boot Loader 现今，嵌入式系统越来越受到人们的重视。随着系统复杂程度的提高，小型化和网络化也成为嵌入式系统发展的必然趋势。如何利用现成的通信网络，安全、快捷的对各个节点单片机进行在线软件升级（ISP），成为了嵌入式系统发展的一项重要课题，对工业控制、航空航天、通信等领域意义重大。而实现这一功能，需要一段核心代码的支持，这段代码就是BootLoader。Luminary Micro 公司设计并生产的Stellaris 系列单片机，基于先进的ARM Cortex-M3 内核，芯片提供的高效的性能、广泛的集成功能，适用于各种关注成本并明确要求具有过程控制以及

2、连接能力的应用方案。不可多得的是，Luminary 官方提供了BootLoader 的全部源代码，大大减小了开发难度。本章将分析Stellaris BootLoader 的组成、结构及设计思路，试图掌握其关键技术，以更好地应用BootLoader。3.1 简介BootLoader 是 位 于Flash 起 始地 址 处的 一小 段代 码，占 据空 间默 认 为2K。如果 没 有BootLoader，硬件启动成功后，将直接运行用户应用程序（Application）。反之，BootLoader 的启动代码（Start-up Code）将先被执行，进行一系列的初始化操作后，根据预先设定的条件，选择执

3、行用户应用程序（Application）或升级控制程序（Updater）。Updater 在升级Flash 的过程中，需要与上位机通信，通信的端口可选用UART，SSI，I2C 或以太网端口。为了保证数据的无差错传输，BootLoader采用了控制传输的通信协议：UART，SSI，I2C 端口均采用了自定义的串行加载协议；而以太网采用了 UDP 协议。对接收到的格式正确且校验成功的数据包，Updater 能够将其解包，并将得到的加载命令转化为对Flash 底层寄存器的操作。由于官方提供了BootLoader 的全部源代码，用户也可自行修改通信端口、通信协议等相关组件，使其更好地符合用户需求。B

4、ootLoader 的源代码由多个文件组成（图3.1）：图 3.1 BootLoader 文件组成在图 3.1 中可以看出主要有6 个文件组成部分，同时还有几个头文件。bl_packet.c 串行数据包收发控制bl_uart.c UART 端口数据传输bl_autobaud.h 自动获取波特率bl_ssi.c SSI 端口数据传输LM3Sxxxx 学习笔记3.2 原理分析3.2.1 存储器映射图 3.2 存储器映射总体来说，Cortex M3 支持 4GB 存储空间，如图3.2 所示地被划分成若干区域。从图 3.2 中可见，不像其它的ARM 架构，它们的存储器映射由半导体厂家说了算，Corte

5、xM3预先定义好了“粗线条的”存储器映射。通过把片上外设的寄存器映射到外设区，就可以简单地以访问内存的方式来访问这些外设的寄存器，从而控制外设的工作。结果，片上外设可以使用C 语言来操作。这种预定义的映射关系，也使得对访问速度可以做高度的优化，而且对于片上系统的设计而言更易集成（还有一个重要的，不用每学一种不同的单片机就要熟悉一种新的存储器映射）。CortexM3的内部拥有一个总线基础设施，专用于优化对这种存储器结构的使用。在此之上，CM3 甚至还允许这些区域之间“越权使用”。比如说，数据存储器也可以被放到代码区，而且代码也能够在外部RAM 区中执行（但是会变慢不少）。处于最高地址的系统级存储

6、区，是CM3 用于藏“私房钱”的包括中断控制器、MPU 以及各种调试组件。所有这些设备均使用固定的地址。通过把基础设施的地址定死，就至少在内核水平上，为应用程序的移植扫清了障碍。由于Cortex-M3内核具有固定的存储器映射，这使得相同内核的芯片具有了更好的兼容性Cortex-M3 的地址空间中，00.5G 被映射为 Flash 空间，0.5G1G 被映射为SRAM 空间。由于 SRAM是易失性存储器，故系统上电时，SRAM 中并没有内容，系统必须从Flash 开始启动。Flash 空间起始地址处必须存放向量表。向量表是异常产生时获取异常处理函数入口的一块连续内存，每一个异常都在向量表固定的偏

7、移地址处（偏移地址以字对齐），通过该偏移地址可以获取异常处理函数的入口指针。向量表中前4 个字分别为：栈顶地址、复位处理函数地址、NMIISR 地址、硬故障ISR 地址。一LM3Sxxxx 学习笔记张向量表至少由这四项组成。在程序代码开始运行后，向量表的基地址也可以改变。通过软件设置NVIC 中的向量表偏移寄存器（NVIC_VTABLE，0 xE000ED08），可以在任意32 字对齐处建立向量表。3.2.2 硬件启动原理Stellaris 系列单片机硬件启动原理如下：硬件复位时，NVIC_VTABLE复位为 0，向量表默认位于Flash 空间起始地址处（0 x00000000）。内核读取向量

8、表第1 个字设置主堆栈（SP_main），读取第2 个字设置 PC 指针，之后跳转到复位处理函数中运行。自此，系统的控制权交由软件接管。3.2.3 Boot Loader启动原理BootLoader 启动需先执行以下一系列操作：配置向量表、初始化存储器、复制BootLoader 代码到SRAM、从SRAM 中执行代码。BootLoader 的作用之一，是提供运行时修改Flash 的功能。而由于Stellaris 系列单片机具有单周期的Flash 读写能力，因此默认的代码段本身就位于Flash 中。这样，如果内核直接从Flash 中加载修改其自身的指令，则既容易造成时序上的混乱，又有可能因Fla

9、sh 中某些关键指令被自修改而导致整个系统崩溃。图 3.3 BootLoader 复制针对这个问题，Stellaris 系列单片机采取的方案为：在SRAM 中建立BootLoader 的映像，即把BootLoader 复制到 SRAM 中，然后从 SRAM 中加载指令。如图 3.3 所示。这样，指令的加载源（SRAM）与修改操作的目标（Flash）相分离，一定程度上保证了软件升级的可靠性和安全性。这样的存储器映射允许修改Flash 的全部代码。此外，BootLoader 也提供了保护机制，用于保护Flash 中的 BootLoader代码本身，以及Flash 空间顶部的一段存储区（保存即使Fl

10、ash 升级也不需要擦除的代码）。除非相应的配置选项使能，否则，这两段代码不可随意修改。LM3Sxxxx 学习笔记在 Keil 版本的Boot Loader 中有这样一段代码，用于Boot Loader 复制到 SRAM 中，请看下面一段代码：01.EXPORT Reset_Handler 02.Reset_Handler 03.;04.;Call the C library enty point that handles startup.This will copy the.data section initializers from 05.;flash to SRAM and zero f

11、ill the.bss section.It will then call _rt_entry,which will be either the 06.;C library version or the one supplied here depending on the configured startup type.07.;08.IMPORT _main 09.;10.;Copy the code from flash to RAM 11.;12.mov r0,#0 13.mov r1,#0 x20000000 14.orr r2,r1,#0 x0800 15.copy_loop 16.l

12、dr r3,r0,#4 17.str r3,r1,#4 18.cmp r1,r2 19.bne copy_loop 20.b _main 从上面一段代码中可以看出，Boot Loader 占用 0 x800 个单元，上面代码的作用是从Flash 中把Boot Loader 复制到 SRAM 中，并调到 _main 函数中去运行，实际上是运行SRAM 中的 Boot Loader。3.2.4 运行条件在 SRAM 中映像建立完毕并开始执行后，BootLoader 将检测某特定引脚（默认的是PB4，也可以自己修改为其它管脚）的极性，该极性可通过硬件修改，以决定运行Application 还是 Up

13、dater（默认情况下，复位时PB4 引脚为低则运行Updater，为高则运行Application），如图3.4 所示。引脚的选择及其极性的意义可在配置文件中修改。LM3Sxxxx 学习笔记图 3.4 运行条件3.2.5 由 BootLoader 加载 Application 由 BootLoader 加载Application，与系统复位后直接加载Application 有所不同。区别在于，在运行 BootLoader 的系统中，Application 的向量表并不位于Flash 起始地址处。Application 有自己的向量表，且不与BootLoader 共用向量表。这样做的目的，就是

14、将BootLoader 本身与Application 分离开来，使两者具有一定的独立性。这也是由实际应用决定的：BootLoader 需在系统投入使用之前编译完成并通过JTAG 口或其它方式烧写进单片机，而Application 作为Flash 的升级程序，则通常在系统运行一段时间后才编写完成。向量表能够分离，关键在于向量表偏移寄存器（NVIC_VTABLE）的使用。如表3.1 所示。在硬件启动时，该寄存器会被复位为全0，即向量表位于Flash 空间起始地址处；当 BootLoader 在 SRAM中建立映像之后，该寄存器被设置为0 x20000000，表示向量表位于SRAM 空间 起 始 地

15、 址 处；如果 选 择 执 行 Application，那 么 该 寄 存 器 又 被 设 置 为 APP_START_ADDRESS（默认为0 x800，即2K），表示用户应用程序的向量表位于Flash 空间BootLoader 以上的某一地址处（BootLoader 的代码量不能超过APP_START_ADDRESS）。表 3.1 向量表偏移取值由 BootLoader 加载 Application 的关键代码：01.;*02.;This function reads the stack pointer from the base address passed in and also mo

16、ves the vector table 03.;to point to the vector table provided by the application.Once the vector table and stack are 04.;configured this function reads out the start address for the application and branches to it.05.;*06.AREA|.text|,code,readonly,align=2 LM3Sxxxx 学习笔记07.EXPORT CallApplication 08.Ca

17、llApplication 09.mov r1,#0 xE0000000 10.orr r1,r1,#0 x0000ED00 11.str r0,r1,#8;修改向量表偏移寄存器（NVIC_VTABLE）12.ldr sp,r0,#4 13.ldr r0,r0 14.bx r0 对于需要由BootLoader 加载的Application，则在KEIL 开发应用程序时Target 必须做好相关的设置，因为Boot Loader 的区域是0 x0000 x800，所以设置如图3.5。图 3.5 on-chip ROM 设置3.3 BootLoader 配置BootLoader 配置是通过一些编译

18、预处理进行的，可以通过注释掉或者去掉相关注释掉的编译预处理进行 BootLoader 配置，主要在bootloader.h 中进行配置。请看bootloader.h 中的一段源码：01.;*02.!This defines the crystal frequency used by the microcontroller running the 03.!boot loader.If this is unknown at the time of production,then use the 04.!AUTOBAUD feature to properly configure the UART.

19、05.;*06.#define CRYSTAL_FREQ 6000000 07./*08./!Enable this to call a decryption routine during download of code to the microcontroller.09./*10.#define ENABLE_DECRYPTION 11./*12./!If the boot loader is going to use the UART port for transmitting data,13./!then this define must be turned on.14./*15.#d

20、efine UART_ENABLE_UPDATE 16./*17./!Enable this to allow automatically detect the baud rate when the crystal LM3Sxxxx 学习笔记18./!value used in the system is unknown.This requires that UART_ENABLE_UPDATE 19./!also be defined.20./*21./#define AUTOBAUD 22./*23./!If the boot loader is going to use the SSI

21、port for transmitting data,then 24./!this define must be enabled.25./*26./#define SSI_ENABLE_UPDA TE 27./*28./!This definition controls which GPIO port to use for checking boot mode.29./*30.#define FORCED_UPDA TE_PORT(GPIO_PORTB_BASE)31./*32./!This definition sets the GPIO pin in FORCED_UPDATE_PORT

22、to use for checking 33./!boot mode.This is a zero-based number and the valid values are 0-7.34./*35.#define FORCED_UPDA TE_PIN(4)36./*37./!This definition sets the level of the specified GPIO pin that causes the 38./!boot loader to enter update mode.If this value is set to 0,it indicates 39./!that a

23、 low voltage level on the GPIO pin indicates an update request.The 40./!only other valid value is 1 indicating that a high voltage level indicates 41./!an update request.42./*43.#define FORCED_UPDA TE_POLARITY(0)44./*45./!This sets the start address of the application.It is also used to detect 46./!

24、if the application at this address in the flash contains a valid47./!application.48./*49.#define APP_START_ADDRESS(0 x0800)50./*51./!This defines the number of bytes reserved by the boot loader for stack 52./!space.53./*54.#define STACK_SIZE(64)55./*56./!This defines the SSI chip select pin that is

25、being used by the boot loader.57./*58.#define SSI_CS(GPIO_PIN_3)59./*60./!This defines the SSI clock pin that is being used by the boot loader.61./*LM3Sxxxx 学习笔记62.#define SSI_CLK(GPIO_PIN_2)63./*64./!This defines the SSI transmit pin that is being used by the boot loader.65./*66.#define SSI_TX(GPIO

26、_PIN_5)67./*68./!This defines the SSI receive pin that is being used by the boot loader.69./*70.#define SSI_RX(GPIO_PIN_4)71./*72./!This defines the combination of pins used to implement the SSI port used by 73./!the boot loader.74./*75.#define SSI_PINS(SSI_CLK|SSI_TX|SSI_RX|SSI_CS)76./*77./!This de

27、fines the UART receive pin that is being used by the boot loader.78./*79.#define UART_RX(GPIO_PIN_0)80./*81./!This defines the UART transmit pin that is being used by the boot loader.82./*83.#define UART_TX(GPIO_PIN_1)相关配置项说明：1.CRYSTAL_FREQ 系统的晶振频率2.ENABLE_DECRYPTION Application 代码加密3.UART_ENABLE_UP

28、DATE UART 下载程序到Flash 4.AUTOBAUD 自动获取波特率（一般不用这项）5.SSI_ENABLE_UPDA TE SSI 下载程序到Flash 6.FORCED_UPDA TE_PORT Updater 关键引脚基地址7.FORCED_UPDA TE_PIN Updater 关键引脚的管脚位8.FORCED_UPDA TE_POLARITY运行 Bootloader 时管脚极性，默认为“0”，如果要运行用户程9.序则让对应管脚为高，即“1”。10.APP_START_ADDRESS Application 起始地址11.STACK_SIZE BootLoader 堆栈深度

29、12.SSI_CS、SSI_CLK、SSI_TX、SSI_RX、SSI_PINS SSI 下载程序管脚定义13.UART_RX、UART_TX UART 下载程序管脚定义看下面一个配置实例：01./请看 bootloader 文件夹中的bootloader.h 02.#define CRYSTAL_FREQ 6000000 03.#define ENABLE_DECRYPTION 04.#define UART_ENABLE_UPDATE 05./#define AUTOBAUD LM3Sxxxx 学习笔记06./#define SSI_ENABLE_UPDA TE 07.#define FO

30、RCED_UPDA TE_PORT(GPIO_PORTB_BASE)08.#define FORCED_UPDA TE_PIN(4)09.#define FORCED_UPDA TE_POLARITY(0)10.#define APP_START_ADDRESS(0 x0800)11.#define STACK_SIZE(64)12.#define SSI_CS(GPIO_PIN_3)13.#define SSI_CLK(GPIO_PIN_2)14.#define SSI_TX(GPIO_PIN_5)15.#define SSI_RX(GPIO_PIN_4)16.#define SSI_PINS(SSI_CLK|SSI_TX|SSI_RX|SSI_CS)17.#define UART_RX(GPIO_PIN_0)18.#define UART_TX(GPIO_PIN_1)