STM32的BootLoader 从SD卡更新固件 BootLoader

yuyang911220

1. 前言自从几个月前接触到有Bootloader这回事，就有一种强烈的冲动，想写一个BootLoader出来。很快在飞思卡尔的Cortex-M4单片机上实现，已经是好几个月前的事情了。然后关于BootLoader的事搁在一边好久了，这次弄个STM32的BootLoader出来，Cortex-M3的，顺便发表下博客，跟大家分享一下。
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又过了大半年了吧，慢慢对BootLoader的认识也有点长进啦。特别是跟网友讨论后发现BootLoader的实现还是需要靠BootLoader程序和App程序的配合才能正常使用。在这里特别感谢网友cary_yingj ，对本BootLoader的研究后发现App程序需要重定位中断向量表，才能正常工作。
在其他网友的反馈下，本人准备再将次文档完善，把不够详细的地方写得再详细，并且力求通俗易懂一点。希望对学习BootLoader的同学们有所帮助。



2. 初识BootLoader可能有的同学听说过BootLoader，有的同学没有听说过，这个都很正常。关于BootLoader的概念大家可以上网查一下，有比较详细的说明，我在这里说说我自己比较片面的理解，并且是针对CortexM3说明的，实现平台为STM32F103VET6。
2.1       百度百科的BootLoader这里借用一下百度百科对BootLoader的解释。在嵌入式操作系统中，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。在一个基于ARM7TDMIcore的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。
2.2       BootLoader的简单理解BootLoader就是单片机启动时候运行的一段小程序，这段程序负责单片机固件更新，也就是单片机选择性的自己给自己下程序。可以更新也可以不更新，更新的话，BootLoader更新完程序后，跳转到新程序运行；不更新的话，BootLoader直接跳转到原来的程序去运行。
  需要注意的是：BootLoader下载新程序后并不擦除自己（BootLoader程序还在），下次启动依然先运行BootLoader程序，又可以选择性的更新或者不更新程序，所以BootLoader就是用来管理单片机程序的更新。
  这是本人的大概理解，大家有不明白请网上搜索一下更详细介绍吧。
2.3       BootLoader的作用BootLoader使单片机能自己给自己下载程序，所以在程序升级方面非常有作用。比如我们的BootLoader是通过GSM更新程序的，我们在升级单片机程序的时候，只要把新程序通过GSM发送给单片机，单片机自己实现程序更新，然后跳转到新程序执行，这样就省去我们很多升级的功夫啦。
可以想象一下如果把单片机安装在非常高的地方，或者危险的工业现场，或者封装得很难拆下来，我们很难直接给单片机下载程序，那么BootLoader的作用就体现出来了。简单的说，有了BootLoader，我们更新程序的话是省心又省力。
想想是不是很高级，还带点小兴奋哈哈。不用急，下面我们会继续介绍，让大家都能自己实现BootLoader。至于是通过什么方式升级，这个大家自由发挥，相信会设计出丰富多彩的BootLoader升级方式呢。


3.BootLoader预备知识我们这里是为ARM的Cortex-M3单片机写的BootLoader，需要了解一下M3内核的架构，并且要了解M3单片机是怎么启动的等等。这个方面的知识，可以参考《Cortex-M3权威指南》，这里的话我只是为了实现BootLoader简单介绍一下，大家有什么不清楚的请参考权威指南。并且这里是以STM32为例说明问题的，使用的开发环境是RVMDK（Keil）。
3.1       复位序列这里参考的是《Cortex-M3权威指南》的3.8节，复位序列。
M3单片机复位后，从0x00000000取栈指针（SP），从0x00000004取复位向量（PC），有了栈指针和复位向量后，单片机就按照正常流程运行了，在BootLoader里面，我们更新完程序后需要做的步骤之一就是设置栈指针，跳转到复位向量。
3.1.1   栈指针栈是一种数据结构，后进先出LIFO。借用百度百科的解释：栈由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。它使用的是一级缓存，他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放。
3.1.2   复位向量复位向量是一个函数地址，在CortexM3单片机里是复位函数的地址。也就是单片机启动后第一个执行的函数。
3.2       重定位中断向量表这里参考《Cortex-M3权威指南》的7.3节，向量表。
BootLoader是一个完整的程序，下载的新程序（以下称为App）也是一个完整的程序。都包含中断向量表，所以的话，我们是有两个中断向量表，相信因为有两个向量表，大家都知道我们应该需要对这两个向量表做点什么吧。
3.2.1   STM32的中断向量表我们只看前16个向量，因为其余的向量属于外设使用，与CortexM3内核无关。
__Vectors      DCD    __initial_spTop          ;Top of Stack
               DCD    Reset_Handler            ; Reset Handler
               DCD    NMI_Handler              ; NMI Handler
               DCD    HardFault_Handler        ; Hard Fault Handler
               DCD    MemManage_Handler        ; MPU Fault Handler
               DCD    BusFault_Handler         ; Bus Fault Handler
               DCD    UsageFault_Handler       ; Usage Fault Handler
               DCD    0                        ; Reserved
               DCD    0                        ; Reserved
               DCD    0                        ; Reserved
               DCD    0                        ; Reserved
               DCD    SVC_Handler              ; SVCall Handler
               DCD    DebugMon_Handler         ; Debug Monitor Handler
               DCD    0                        ; Reserved
               DCD    PendSV_Handler           ; PendSV Handler
               DCD    SysTick_Handler          ; SysTick Handler
__initial_spTop就是栈指针，Reset_Handler是复位向量。这里只显示了16个向量，CortexM3单片机的话总共有256个向量，也就是从栈指针的地址开始有1KB的区域属于中断向量表。
单片机启动默认先运行BootLoader，所以默认的中断向量表位置是BootLoader的中断向量表。为了App可以正常运行，下载完App后，我们还需要把中断向量表重新定位到App程序那里。根据《CortexM3权威指南》，介绍一下怎样重定位中断向量表。
3.2.2   设置中断向量表偏移Cortex-M3单片机有一个管理中断向量表的寄存器，叫做向量表偏移量寄存器(VTOR)（地址：0xE000_ED08）。具体可以看看截图：
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STM332程序的起始地址一般在0x08000000。所以BootLoader程序是在0x08000000，不是在0x00000000是因为STM32的重映射技术（不符合Cortex-M3的设计，有点搞另类的感觉）。所以BootLoader的中断向量表在0x08000000那里。如果我们的App程序起始地址在0x08070000，并且App的中断向量表在起始地址，那么BootLoader程序下载App后，为了App程序能正确运行，开始App程序的运行后第一步，就要把中断向量表重定位到0x08070000那里。
具体实现下面会再介绍，接下来介绍分散加载文件相关内容。