Bootloader介绍

一.引言
二.控制器应用程序升级的基本方式
三.基于CAN的Bootloader实现过程
-3.1.主控芯片FLASH划分
-3.2.Bootloader程序
-3.3.通信协议
-3.4.上位机软件
四.Bootloader小结
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# Bootloader介绍

## 一.引言<a name="引言"><a>

大多数控制器产品防护等级要求高，在需要进行应用程序升级时要求不拆卸，不开盖。基于CAN/CANFD总线的控制器Bootloader程序，满足了控制器不开盖即可进行应用程序升级的要求，具有较大的实用价值。

## 二.控制器应用程序升级的基本方式<a name="控制器应用程序升级的基本方式"><a>

大多数主控芯片都支持三种类型的应用程序升级方式：通过调试接口升级；通过芯片内置Bootloader功能升级；通过在应用编程即二次Bootloader升级。

1. 通过JTAG调试接口来刷写程序，JTAG接口刷写速度快，但是JTAG接口占用较多芯片管脚并需要专门的静电防护，一般不会把JTAG接口做到控制器的对外接插件上，所以JTAG接口只适合于软硬件调试阶段使用，不适合控制器产品上使用。

2. 通过主控芯片内置Boot ROM功能来刷写程序，主控芯片内置Boot ROM功能提供了并行IO，SCI，SPI，I2C，CAN，RAM，FLASH等多种启动方式，但是使用Boot ROM需要配置芯片的多个IO管脚与寄存器并且刷写程序的数据传输方式是固化的，无法自定义数据传输过程，所以Boot ROM功能只适合于软硬件调试阶段或者控制器生产测试阶段使用，不适合控制器产品上使用。

3. 使用IAP在应用编程，即二次Bootloader来刷写应用程序，IAP将主控芯片的FLASH分为两个部分，一部分存放Bootloader程序，此部分程序固化在FLASH中，另一部分存放应用程序，应用程序根据不同的需求可能要经常升级，升级应用程序时不会影响Bootloader程序。IAP在应用编程启动方式与普通应用程序一样都从芯片FLASH启动，使用CAN总线传输数据不需要增加专门的硬件接口，是一种极具实用价值的控制器应用程序升级方式。

本文所述基于CAN/CANFD总线的Bootloader属于IAP在应用编程。

## 三.基于CAN/CANFD总线的Bootloader实现过程<a name="基于CAN/CANFD总线的Bootloader实现过程"><a>

基于CAN/CANFD总线的控制器Bootloader基本组成如图3-1所示，包括下位机控制器的Bootloader程序与应用程序，上位机软件以及上下位机之间的通信协议。

![](images/BootloaderComposition.jpg)

图3-1 基于CAN/CANFD总线的Bootloader组成

### 3.1.主控芯片FLASH划分<a name="主控芯片FLASH划分"><a>

二次Bootloader需要将主控芯片的FLASH分为两个部分，一部分存放Bootloader程序，另一部分存放应用程序。比如某主控片上FLASH分为8个扇区，FLASHA-FLASHH，本文中Bootloader程序位于FLASHA中，应用程序位于FLASHC-FLASHH中。

FLASH划分通常通过链接文件实现，比如.cmd文件或者.lcf文件，这些文件会对整个主控芯片的所有RAM、ROM进行分割，并为每个区域指定特定的功能。

### 3.2.Bootloader程序<a name="Bootloader程序"><a>

Bootloader程序用于在应用程序需要升级时接收、解析CAN数据并将数据写入FLASH中。Bootloader程序简易流程图如图3-2所示。

![](images/BootloaderFlow.jpg)

图3-2 Bootloader程序简易流程图

Bootloader程序的主要功能如下。

1. 判断是否需要升级应用程序，判断的方法为利用主控芯片的一个GPIO管脚（或者FLASH中一个地址的数据），当管脚输入为高电平时认为不需要升级应用程序，跳转到用户程序；当管脚输入为低电平时认为需要升级应用程序，进入到后续Bootloader程序。

2. 跳转到应用程序，在前面章节主控芯片FLASH划分部分，应用程序的起始地址已经被固化，那么在Bootloader程序中只需要跳转到这个地址即可实现跳转到应用程序的功能。具体跳转代码需要查阅主控芯片参考手册。

3. 接收、解析CAN数据并保存在RAM中，按照通信协议的规定将上位机发送的CAN总线数据接收、解析并按照一定规则存储在RAM中，由于主控芯片的RAM空间有限，对于较大的应用程序，需要分包处理数据。

4. 调用FLASH驱动擦除并刷写FLASH，FLASH驱动是主控芯片厂家提供的FLASH烧写函数库，可以实现在线烧写FLASH。FLASH驱动可以实现FLASH擦除、编程、读取、校验等各种烧写FLASH必要的功能。

### 3.3.通信协议<a name="通信协议"><a>

CAN总线通信可靠，抗干扰能力强，但是由于Bootloader需要传输至少几千帧CAN报文，因此存在漏帧或者通信中断的可能性，为了防止漏帧或者通信中断造成应用程序升级失败，需要制定通信协议来处理漏帧或者通信中断造成的故障。

在实际项目中，可以自定义通信协议，也可以参考一些行业通用协议比如UDS协议。本文使用UDS协议作为通信协议，详细通信协议请参见《[刷写协议](./communicationprotocol.html)》。

### 3.4.上位机软件<a name="上位机软件"><a>

上位机软件作为Bootloader功能的人机接口，具备S19/HEX文件选择与解析，请求连接、擦除与刷写下位机，数据传输，故障处理等功能。

上位机软件的主要功能如下。

1. S19/HEX文件解析，上位机软件从S19/HEX文件中提取有用的地址信息与数据信息，按照通信协议的规定将数据填充到CAN报文的数据场中。

2. 请求连接、擦除与刷写下位机，按照通信协议的规定实现连接、擦除与刷写下位机，引导用户按照指定步骤来使用上位机刷写软件。

3. 数据传输与故障处理，将待刷写数据按照通信协议的规定依次发送到CAN总线，当出现断线等故障时，停止发数据并报故障，确保所有待刷写数据全部正确发送。

本文使用MeCa软件作为《[刷写软件](./burner.html)》，软件具备以上主要功能。

## 四.Bootloader小结<a name="Bootloader小结"><a>

本文介绍了一种基于CAN/CANFD总线的控制器Bootloader，利用Bootloader可以在不拆卸，不开盖，不使用特殊设备的前提下进行应用程序升级，快速、简单、可靠，非常适合于控制器产品使用，解决了控制器装车或者装上系统之后升级困难的问题，提高了控制器的可维护性与可扩展性。