先楫半導(dǎo)體 HPM6000 系列常見的兩種二級(jí)Bootloader 方案介紹

概 述

作為高性能、低功耗的嵌入式MCU產(chǎn)品，先楫半導(dǎo)體的HPM6000 系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，Bootloader 常常是開發(fā)者可能會(huì)遇到的第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境能否正確構(gòu)建，內(nèi)核能否啟動(dòng)成功，都取決于Bootloader 能否正確工作。一個(gè)功能完善的嵌入式系統(tǒng)，還需要Bootloader 能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)OTA更新升級(jí)的能力，即除了usb燒錄、串口燒錄等方式外，還預(yù)留給客戶通過以太網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)快捷固件升級(jí)的窗口。

本文以HPM6450為例，基于HPM6000 系列產(chǎn)品嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和RT—thread 軟件平臺(tái)，描述系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader 的設(shè)計(jì)思路，闡述了設(shè)計(jì)時(shí)需要考量的因素和遇到的技術(shù)難點(diǎn)及操作，希望能給大家一些啟發(fā)。

二級(jí)boot方案思路分析

（圖1：整體思路分析）

如上圖所示，整個(gè)方案涉及3個(gè)部分：

FLASH空間的分區(qū)

二級(jí)boot

APP固件

因本次我們討論的重點(diǎn)是“二級(jí)boot”，所以下文內(nèi)容僅涉及前兩部分。

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FLASH空間的分區(qū)

HPM6700/6400系列的單片機(jī)和我們常用的stm32、at32這類的單片機(jī)最大的不同是該系列MCU 是通過 xpi 總線外掛外部FLASH，即代碼存儲(chǔ)在外部FLASH。

查閱芯片用戶手冊(cè)可知，該系列MCU支持通過 XPI0 或XPI1外掛FLASH（FLASH外掛方式，如圖2所示）。

其中xpi0映射的地址空間是0x80000000，xpi1映射的地址空間是 0x90000000, CPU可對(duì)這兩塊地址空間直接尋址并運(yùn)行代碼（如圖3所示）。

（圖2：外部FLASH掛載于xpi0原理圖）

（圖3：地址空間映射關(guān)系）

為實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)，F(xiàn)LASH空間需要進(jìn)行合理的劃分，如Bootloader分區(qū)、用戶程序分區(qū)、OTA升級(jí)分區(qū)、用戶數(shù)據(jù)分區(qū)等。在RT-Thread上，F(xiàn)AL組件提供了方便的分區(qū)劃分機(jī)制。

本文分享的兩種方案均以W25Q256為例，該FLASH大小為32MB，掛載于XPI0外設(shè)上，首地址為0x80000000,通過FAL組件對(duì)FLASH的分區(qū)詳情如下圖所示：

（圖4：Flash 分區(qū)表）

注意，其中：

boot分區(qū)表示二級(jí)boot，該分區(qū)預(yù)留了1MB的存儲(chǔ)空間，為未來的功能升級(jí)留足了空間。

app 分區(qū)可根據(jù)實(shí)際需要來分配大小，本方案中預(yù)留了1MB的空間。

download分區(qū)用于下載固件，在APP執(zhí)行過程中，新固件通過OTA下載于該分區(qū)，并在重啟后由boot分區(qū)的bootloader完成合法性檢驗(yàn)和新固件升級(jí)操作。

Filesystem 分區(qū)用于實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)，在此分區(qū)上面可以掛載littelfs格式文件系統(tǒng)，可以避免因頻繁掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的問題。

Easyflash 分區(qū)可用于存儲(chǔ)一些簡(jiǎn)單的參數(shù)等。

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二級(jí)boot

二級(jí)boot由芯片BootROM引導(dǎo)，從芯片的用戶手冊(cè)可知：HPM6700系列支持多種啟動(dòng)方式，可到先楫半導(dǎo)體官網(wǎng)上查看“HPM6700/6400用戶手冊(cè)”的19.1內(nèi)容部分，如下：

（圖5：官方代碼啟動(dòng)描述）

由上可知當(dāng)從串行nor flash啟動(dòng)的時(shí)候，可支持“原地代碼執(zhí)行”和“拷貝到內(nèi)部RAM”執(zhí)行?！皢?dòng)方式一” 表示代碼存儲(chǔ)在外部flash，并由CPU直接在flash上執(zhí)行代碼；“啟動(dòng)方式二” 表示代碼存在flash里面，然后通過BootROM復(fù)制代碼到內(nèi)存后再執(zhí)行。

受BootROM支持的兩類啟動(dòng)方式的啟發(fā)，筆者經(jīng)過分析以及與官方的技術(shù)支持討論得出如下結(jié)論：

采用FLASH原地執(zhí)行的方式，系統(tǒng)可支持更大尺寸的應(yīng)用程序，如支持GUI的應(yīng)用。在cache的加持下，該方式可實(shí)現(xiàn)成本和執(zhí)行速度的平衡。（需要注意的是：由于FLASH固有屬性的限制(多數(shù)FLASH不支持RWW)，在需要支持FLASH擦寫的應(yīng)用中，用戶代碼需要做一些防止產(chǎn)生RWW場(chǎng)景的保護(hù)。）

采用拷貝到RAM中執(zhí)行的方式，可實(shí)現(xiàn)如下優(yōu)勢(shì)：

用戶代碼以更高的性能執(zhí)行（RAM的隨機(jī)訪問性能優(yōu)于FLASH）

規(guī)避了FLASH不支持RWW的限制，由于代碼執(zhí)行于RAM，在需要FLASH擦寫的應(yīng)用中邏輯會(huì)更簡(jiǎn)單。

考慮到HPM6700/HPM6400系列有高達(dá)2MB連續(xù)空間的RAM，若用戶代碼及代碼所需要的RAM所占用的空間總和小于或等于2MB，“啟動(dòng)方式二” 是一種值得考慮的選擇。

由于二級(jí)boot 同時(shí)支持以上兩種啟動(dòng)方案，接下來，我們將針對(duì)每種方案分別進(jìn)行討論。

方案一：FLASH原地執(zhí)行

在該方案下，app 在FLASH里執(zhí)行。如上所述，app 存儲(chǔ)于FLASH 1MB偏移處，需要將鏈接腳本中的FLASH首地址改為0x80100000。

需要注意的是，由于app是被二級(jí) Bootloader 引導(dǎo)，因此應(yīng)用程序中不應(yīng)再攜帶用于 BootROM 引導(dǎo)識(shí)別的啟動(dòng)頭(boot header)。

Boot 的 FLASH 腳本不改，最終跳轉(zhuǎn)邏輯為：

Boot啟動(dòng)

檢查download分區(qū)是否有新固件，如果有則拷貝到APP

關(guān)閉中斷

跳轉(zhuǎn)到0x80100000地址，就啟動(dòng)了APP。

這樣就完成了二級(jí)boot的設(shè)計(jì)。

這里最關(guān)鍵的就是如何修改連接腳本。

（圖6：?jiǎn)?dòng)地址修改）

修改好app的鏈接腳本后，需要在boot里面進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)代碼參考如下：

（圖7：Boot 里跳轉(zhuǎn)）

其中app_addr 為跳轉(zhuǎn)偏移地址，如下：

（圖8：偏移地址計(jì)算）

二級(jí)boot完成App跳轉(zhuǎn)后，App在FLASH中原地執(zhí)行。該方案的優(yōu)勢(shì)是與復(fù)制到RAM相比，應(yīng)用的尺寸可以大至數(shù)十MB?？紤]到FLASH的固有限制（隨機(jī)訪問性能稍弱，不支持RWW等），當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行于FLASH上， 開發(fā)者需要注意以下幾點(diǎn)：

對(duì)于需要高頻執(zhí)行的、對(duì)性能有要求的代碼，用戶程序需要將其復(fù)制到RAM中執(zhí)行，否則會(huì)影響程序的效率（若cache未命中）。

若需要執(zhí)行FLASH擦寫操作，需要保證在FLASH擦寫期間，沒有程序或者其他外設(shè)訪問FLASH（具體的實(shí)現(xiàn)方式有：關(guān)全局中斷、關(guān)調(diào)度器等）。

完成FLASH擦寫操作后，用戶代碼需要保證cache 一致性，否則可能會(huì)導(dǎo)致未預(yù)期的后果（如讀到錯(cuò)誤代碼/數(shù)據(jù)）。

方案二：內(nèi)存執(zhí)行

若用戶代碼加代碼所需的RAM總和小于2M，基于HPM6700/HPM6400有高達(dá)2MB的連續(xù)RAM，為規(guī)避FLASH固有限制帶來的不便，產(chǎn)品可采用方案二，即：App本身在RAM中執(zhí)行。啟動(dòng)過程中，二級(jí)boot將App復(fù)制到RAM中并中轉(zhuǎn)到APP的目標(biāo)地址執(zhí)行。

（圖9：內(nèi)存系統(tǒng)描述）

采用該方案時(shí)，需要注意以下三點(diǎn)：

二級(jí)boot所使用的RAM不應(yīng)和用戶App所在RAM區(qū)域重疊，否則在拷貝中會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

二級(jí)boot在跳轉(zhuǎn)到用戶App前需要恢復(fù)中斷到默認(rèn)狀態(tài)（關(guān)閉中斷）。

boot采用flash link的編譯方式，APP要采用ram link的編譯方式，即APP是通過內(nèi)存方式的鏈接腳本，因此APP編譯后無法通過下載到flash的方式調(diào)試，必須使用USB或者其他的方式下載固件到0x80100000處。

（圖10：工作示意圖）

以下為boot里面的鏈接修改，供大家參考：

（圖11：Boot鏈接腳本參考）

（圖12：App ram link方式鏈接文件參考）

在方案二中，二級(jí)boot需要做的操作比flash boot的方式多了一個(gè)步驟，需要先將APP分區(qū)的代碼拷貝至內(nèi)存，然后再跳轉(zhuǎn)至內(nèi)存執(zhí)行。

（圖13：代碼拷貝至內(nèi)存）

（圖14：代碼跳轉(zhuǎn)至內(nèi)存執(zhí)行）

注意跳轉(zhuǎn)前，需要關(guān)閉各種中斷。

（圖15：運(yùn)行效果示意圖）

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注意事項(xiàng)

選擇鏈接腳本時(shí)，要注意看左側(cè)的鏈接腳本是否正確，如下圖所示：

（圖16：鏈接腳本示意圖）

如果鏈接腳本不能執(zhí)行，請(qǐng)檢查下圖的設(shè)置。

（圖17：勾選newlib-nano）

編譯的時(shí)候，需要把nerlib-nano勾選上，否則當(dāng)使用memcpy的時(shí)候，有可能會(huì)出現(xiàn) “非法指令” 的錯(cuò)誤。