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嵌入式MCU BootLoader开发配置详细笔记教程

作者：凡人多烦事01 | 2024-04-15 11:00:47

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嵌入式MCU BootLoader开发配置详细笔记教程

目录

一、BootLoader基础

二、BootLoader原理及配置

三、BootLoader程序

bootloader.h

bootloader.c

四、Application1 用户程序

application1.h

application1.c

五、Application2 用户程序

application2.h

六、程序运行效果

七、工程文件Demo

一、BootLoader基础

        对于接触过嵌入式Linux系统开发的开发者们，想必对BootLoader是不陌生的，因为定制化移植Linux系统，最先接触的就是BootLoader程序。但如果是从单片机MCU起步的开发者，可能对BootLoader就不是那么熟悉了，因为单片机开发最先接触的往往是GPIO外设的驱动开发。但不管是嵌入式Linux的MPU开发，还是嵌入式单片机的MCU开发，BootLoader的功能都是一样的。它是嵌入式系统中一种特殊的软件程序，它在系统加电或复位后最先执行，负责初始化硬件设备、设置系统环境，并最终引导加载操作系统内核或用户指定的应用程序。BootLoader 起到了桥梁的作用，连接了硬件启动与高级软件运行之间的环节，确保系统能够从一个初始、裸机的状态过渡到一个完整的、可操作的运行环境。

        当然，除了嵌入式开发者们，对于喜欢DIY装机的极客们，对于BootLoader应该也是不陌生的，并且经常接触到它，如电脑在安装或开启Windows时的BIOS界面，本质上也是一个BootLoader引导程序。如下图为常见的BootLoader显示的GUI界面图。

如下例举的是一些BootLoader 的主要功能和作用：

①、硬件初始化：

  • 开启和配置基本的硬件模块，如CPU、时钟、内存控制器、中断控制器、串口、GPIO等，使它们进入工作状态。
  • 设置堆栈、中断向量表等关键数据结构，为后续软件执行做好准备。

②、内存管理：

  • 建立内存空间映射图，识别可用的RAM区域及其大小，为操作系统内核分配合适的运行空间。
  • 对于使用MMU（Memory Management Unit）的系统，可能还需要设置内存分页和映射规则。

③、引导加载操作系统：

  • 从非易失性存储器（如Flash、EEPROM、NAND/NOR Flash等）中读取并验证操作系统的内核映像。
  • 将内核映像加载到RAM中指定的位置，并按照内核所需的特定格式设置启动参数和环境变量。

④、固件升级：

  • 提供一种安全机制，允许在运行时通过网络、串口、USB等接口接收新的固件映像，并将其写入非易失性存储器，实现设备的远程或本地固件更新。

⑤、系统诊断与恢复：

  • 可能包含简单的故障检测和恢复机制，如硬件自检、低级别固件修复、安全模式启动等功能，帮助在系统启动失败时进行故障排查和恢复。

⑥、多重引导支持：

  • 在某些系统中，BootLoader 可能支持选择加载不同的操作系统版本或应用程序，提供多启动选项，增强系统的灵活性和可定制性。

        目前BootLoader 的应用广泛存在于各种嵌入式系统中，如消费电子领域中，随处可见的智能手机，智能电脑，智能手表、路由器等。在汽车电子领域的车载系统ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）模块、ECU（Electronic Control Units）等，及医疗设备领域的便携式医疗仪器、监护设备、植入式医疗器械等。基本上有电子产品的地方，都能看到BootLoader的身影，因此掌握BootLoader是从事嵌入式开发的一项非常基本的技能。

二、BootLoader原理及配置

        本文主要是针对单片机MCU设备进行BootLoader的配置讲解，目标设备为STM32G431，开发平台是MDK KEIL V5以上。

        如下图所示是FLASH中的数据分布图，可见FLASH的用户代码区域的起始程序为BootLoader引导程序，然后紧接着的是应用程序APP1和应用程序APP2。

        其中，BootLoader和APP1及APP2都是完整的用户代码程序，但因BootLoader只起一个引导跳转APP启动操作，所以占用的FLASH内存空间较小。

        提醒：App的个数可以根据实际需求进行设置，只要不超过FLASH的内存空间大小限制即可，为了效果展示，在本文中设置了一个BootLoader程序，两个APP应用程序进行切换。

        如下图所示的是，Bootloader、App1、App2在FLASH中的内存地址映射图。在BootLoader的程序配置好后，根据触发条件的不同，会自动跳转到不同的APP应用程序。

        BootLoader和APP应用程序的启动跳转切换，原理上就是内存地址的切换，当BootLoader程序接收到对应的操作触发条件时，会进行相应的地址跳转切换，及一些其它的附加操作，然后执行该地址空间上的用户程序。但一般来说，BootLoader中会进行CPU工作模式、配置内存控制器、初始化外设等工作，为后续程序运行创建一个稳定的硬件环境。所以在APP中可以节省掉BootLoader中已经进行过的硬件环境配置。

        如下图所示为《STM32G4系列微控制器参考手册》官方文件中截图下来的，STM32的FLASH中是按块进行读写操作的，所以内存空间配置时，必须以块为最小单元分配。

如何配置BootLoader及APP应用程序的下载烧录？

①、单击魔术棒

②、选择Target

③、修改IROM1中的Start地址数据及Size数据

        修改Size空间的大小时，需要先确定程序编译后的内存大小是多少，如果内存空间配置不够，会导致编译及下载报错。如下图所示为查看程序编译后需要的内存空间大小的方式。     

三、BootLoader程序

bootloader.h

  1. #ifndef __BOOTLOADER_H
  2. #define __BOOTLOADER_H
  3.  
  4. #include "main.h"
  5.  
  6. #define FLASH_BASE_ADDR    (uint32_t)(0x08000000)
  7.  
  8. //BootLoader   预留10KB的FLASH空间 --- (0x0800 0000 --> 0x0800 27FF)
  9. //Application1 预留20KB的FLASH空间 --- (0x0800 2800 --> 0x0800 77FF)
  10. //Application2 预留20KB的FLASH空间 --- (0x0800 7800 --> 0x0800 C7FF)
  11.  
  12. #define BOOT_BASE_ADDR    FLASH_BASE_ADDR
  13. #define APP1_BASE_ADDR    (uint32_t)(0x08002800)
  14. #define APP2_BASE_ADDR    (uint32_t)(0x08007800)
  15.  
  16.  
  17. #define KEY_DOWN    GPIO_PIN_RESET
  18. #define KEY_UP        GPIO_PIN_SET
  19.  
  20. #define LED1    LED1_LCD8_Pin
  21. #define LED2    LED2_LCD9_Pin
  22. #define LED3    LED3_LCD10_Pin
  23. #define LED4    LED4_LCD11_Pin
  24. #define LED5    LED5_LCD12_Pin
  25. #define LED6    LED6_LCD13_Pin
  26. #define LED7    LED7_LCD14_Pin
  27. #define LED8    LED8_LCD15_Pin
  28.  
  29. #define LED_ON    GPIO_PIN_RESET
  30. #define LED_OFF    GPIO_PIN_SET
  31.  
  32. extern volatile uint8_t key1_flag;
  33. extern volatile uint8_t key2_flag;
  34.  
  35. void BootLoader_Code(void);
  36.  
  37. void Key_San(void);
  38. void LED_Control(int led, int state);
  39. void LED_Close_All(void);
  40.  
  41. #endif
  42.

bootloader.c

  1. #include "bootloader.h"
  2.  
  3.  
  4.  
  5. typedef  void (*pFunction)(void);
  6.  
  7. pFunction Boot_Jump_to_App;
  8.  
  9. uint32_t jump_addr;
  10.  
  11.  
  12. #if 0
  13. //初始化用户栈指针汇编程序
  14. __ASM void __set_MSP(uint32_t mainStackPointer)
  15. {
  16.     msr msp, r0
  17.     bx lr
  18. }
  19. #endif
  20.  
  21. /**
  22.   * @brief  BootLoader程序
  23.   * @param  None
  24.   * @retval None
  25.   */
  26. void BootLoader_Code(void)
  27. {
  28.     LED_Close_All();
  29.     
  30.     printf("------------Hello BootLoader V 1.0---------\r\n");
  31.     printf("------------Editor:牛马大师兄--------------\r\n\r\n");
  32.     printf("------------Press KEY1 Boot APP1-----------\r\n");
  33.     printf("------------Press KEY2 Boot APP2-----------\r\n");
  34.         
  35.     //扫描按键状态，根据按键跳转到相应的APP程序
  36.     while(1)
  37.     {
  38.         Key_San();
  39.         if(key1_flag==1||key2_flag==1)
  40.         {
  41.             break;
  42.         }
  43.     }
  44.     
  45.     if(key1_flag == 1)
  46.     {
  47.         //检查用户代码1的栈顶地址，是否位于0x20000000~0x2001ffff内。
  48.         if (((*(volatile uint32_t*)APP1_BASE_ADDR) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
  49.         {
  50.             printf("\r\n-------------- APP1 Starting --------------\r\n");
  51.             //屏蔽所有中断，防止跳转过程中，中断干扰
  52.             __disable_irq();
  53.             
  54.             //用户代码的第二个字，为程序开始地址(复位地址)
  55.             jump_addr = *(volatile uint32_t*)(APP1_BASE_ADDR+4);
  56.             Boot_Jump_to_App = (pFunction)jump_addr;
  57.             //初始化用户栈指针
  58.             __set_MSP(*(volatile uint32_t*) APP1_BASE_ADDR);
  59.             //用户程序跳转
  60.             Boot_Jump_to_App();
  61.         }
  62.     }else if(key2_flag == 1)
  63.     {
  64.         //检查用户代码2的栈顶地址，是否位于0x20000000~0x2001ffff内。
  65.         if (((*(volatile uint32_t*)APP2_BASE_ADDR) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
  66.         {
  67.             printf("\r\n-------------- APP2 Starting --------------\r\n");
  68.             //屏蔽所有中断，防止跳转过程中，中断干扰
  69.             __disable_irq();
  70.             
  71.             //用户代码的第二个字，为程序开始地址(复位地址)
  72.             jump_addr = *(volatile uint32_t*)(APP2_BASE_ADDR+4);
  73.             Boot_Jump_to_App = (pFunction)jump_addr;
  74.             //初始化用户栈指针
  75.             __set_MSP(*(volatile uint32_t*) APP2_BASE_ADDR);
  76.             //用户程序跳转
  77.             Boot_Jump_to_App();
  78.         }
  79.     }
  80. }
  81.  
  82. volatile uint8_t key1_flag = 0;
  83. volatile uint8_t key2_flag = 0;
  84.  
  85. /**
  86.   * @brief  按键扫描程序
  87.   * @param  None
  88.   * @retval None
  89.   */
  90. void Key_San(void)
  91. {
  92.     if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, KEY1_Pin) == KEY_DOWN)
  93.     {
  94.         HAL_Delay(10);
  95.         if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, KEY1_Pin) == KEY_DOWN)
  96.         {
  97.             key1_flag = 1;
  98.             printf("\r\n--------------- KEY 1 PRESS ---------------\r\n");
  99.             LED_Control(LED1, LED_ON);
  100.         }
  101.     }
  102.     
  103.     if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, KEY2_Pin) == KEY_DOWN)
  104.     {
  105.         HAL_Delay(10);
  106.         if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, KEY1_Pin) == KEY_DOWN)
  107.         {
  108.             key2_flag = 1;
  109.             printf("\r\n--------------- KEY 2 PRESS ---------------\r\n");
  110.             LED_Control(LED2, LED_ON);
  111.         }
  112.     }
  113. }
  114. /**
  115.   * @brief  LED控制程序
  116.   * @param  led：操作的LED灯
  117.   * @param  state：LED的状态
  118.   * @retval None
  119.   */
  120. void LED_Control(int led, int state)
  121. {
  122.     HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, led, state);    
  123.     HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
  124.     HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  125. }
  126. /**
  127.   * @brief  关闭全部的LED指示灯
  128.   * @param  None
  129.   * @retval None
  130.   */
  131. void LED_Close_All(void)
  132. {
  133.     HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, LED6_LCD13_Pin|LED7_LCD14_Pin|LED8_LCD15_Pin|LED1_LCD8_Pin
  134.           |LED2_LCD9_Pin|LED3_LCD10_Pin|LED4_LCD11_Pin|LED5_LCD12_Pin, GPIO_PIN_SET);
  135.     HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
  136.     HAL_GPIO_WritePin(LED_LOCK_GPIO_Port, LED_LOCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  137. }
  138.

        主函数中对BootLoader程序进行调用

        修改BootLoader程序烧录地址及内存空间大小

四、Application1 用户程序

application1.h

  1. #ifndef __APPLICATION_H
  2. #define __APPLICATION_H
  3.  
  4. #include "main.h"
  5.  
  6.  
  7.  
  8. #define APP1_VECT_ADDR_OFFSET    0x2800
  9.  
  10. void App1_Code(void);
  11.  
  12.  
  13. #endif

application1.c

  1. #include "application1.h"
  2.  
  3. /**
  4.   * @brief  App1应用程序
  5.   * @param  None
  6.   * @retval None
  7.   */
  8. void App1_Code(void)
  9. {
  10.     //设置中断向量偏移表
  11.     SCB->VTOR = FLASH_BASE | APP1_VECT_ADDR_OFFSET;
  12.     //使能全局中断--不使能会出现异常
  13.     __enable_irq();
  14.     
  15.     //APP1中的业务代码程序
  16.     printf("--------- Welcome to Application 1 --------\r\n");
  17.     
  18.     LCD_Init();
  19.     
  20.     LCD_SetBackColor(Black);
  21.     LCD_SetTextColor(White);
  22.     LCD_Clear(Black);
  23.     HAL_Delay(200);
  24.     LCD_DisplayStringLine(Line4, (unsigned char *)"    Application 1    ");    
  25.  
  26. }
  27.

         主函数中对App1程序进行调用

        修改App1程序烧录地址及内存空间大小

五、Application2 用户程序

application2.h

  1. #ifndef __APPLICATION_H
  2. #define __APPLICATION_H
  3.  
  4. #include "main.h"
  5.  
  6.  
  7. #define APP2_VECT_ADDR_OFFSET    0x7800
  8.  
  9. void App2_Code(void);
  10.  
  11.  
  12.  
  13. #endif

application2.c

  1. #include "application2.h"
  2.  
  3. /**
  4.   * @brief  App2应用程序
  5.   * @param  None
  6.   * @retval None
  7.   */
  8. void App2_Code(void)
  9. {
  10.     //设置中断向量偏移表
  11.     SCB->VTOR = FLASH_BASE | APP2_VECT_ADDR_OFFSET;
  12.     //使能全局中断--不使能会出现异常
  13.     __enable_irq();
  14.     
  15.     //APP2中的业务代码程序
  16.     printf("--------- Welcome to Application 2 --------\r\n");
  17.     
  18.     LCD_Init();
  19.     
  20.     LCD_SetBackColor(Black);
  21.     LCD_SetTextColor(White);
  22.     LCD_Clear(Black);
  23.     HAL_Delay(200);
  24.     LCD_DisplayStringLine(Line4, (unsigned char *)"    Application 2    ");    
  25. }

         主函数中对App2程序进行调用

        修改App2程序烧录地址及内存空间大小

六、程序运行效果

开发板实物演示图，按下KEY1按键，启动APP1；按下KEY2按键，启动APP2。

        

上位机串口输出数据演示图

七、工程文件Demo

        本文关于BootLoader讲解演示的3个工程文件可查阅下面的链接访问，文件已上传至CSDN平台的文件资源仓库。

【免费】嵌入式MCUBootLoader开发配置工程Demo资源-CSDN文库

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