Arduino 引导加载程序

Question

有人可以解释一下Arduino 引导加载程序 工作吗？我不是在这里寻找高级答案，我已经阅读了代码并且了解了它的要点。

Arduino IDE 和引导加载程序代码之间会发生大量协议交互，最终产生许多内联汇编指令，这些指令通过通过串行接口传输的程序对闪存进行自编程。

我不清楚的是第 270 行：

void (*app_start)(void) = 0x0000; 

...我认为这是函数指针的声明和初始化为 NULL。在引导加载程序打算委托执行用户加载的代码的地方，有对 app_start 的后续调用。

当然，app_start 需要在某个时刻获得一个非 NULL 值才能将其组合在一起。我在引导加载程序代码中没有看到这一点...它是否被引导加载程序加载的程序神奇地链接起来？我认为引导加载程序的主要部分是芯片重置后软件的入口点。

包裹在大约 70 行汇编代码中的一定是秘密解码器环，它告诉主程序 app_start 到底在哪里？或者也许是 Arduino IDE 利用了一些隐式知识？我所知道的是，如果有人不将 app_start 更改为指向 0 以外的某个位置，引导加载程序代码将永远自行旋转......那么有什么技巧呢？

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我有兴趣尝试将引导加载程序移植到 Tiny AVR，该 AVR 没有用于引导加载程序代码的单独内存空间。对我来说，引导加载程序代码显然依赖于某些保险丝设置和芯片支持，我想我真正感兴趣的是如何将引导加载程序移植到没有这些保险丝和硬件的芯片上支持（但仍具有自编程能力）？

Answer 1

On NULL

地址 0 不构成空指针。 “空指针”是更抽象的东西：适用的函数应将其识别为无效的特殊值。 C 表示特殊值为 0，虽然语言表示取消引用它是“未定义的行为”，但在微控制器的简单世界中，它通常具有非常明确的效果。

ATmega 引导加载程序

通常，复位时，AVR 的程序计数器 (PC) 初始化为 0，因此微控制器开始执行地址 0 处的代码。

但是，如果设置了引导复位熔丝（“BOOTRST”），则程序计数器将被初始化到存储器上端的块的地址（这取决于熔丝的设置方式，请参见数据表（PDF，7 MB）了解详细信息）。从那里开始的代码可以做任何事情——如果你真的想要的话，如果你使用ICSP，你可以把你自己的程序放在那里（引导加载程序通常不能覆盖自己）。

但通常情况下，它是一个特殊的程序 - 引导加载程序 - 能够从外部源读取数据（通常通过 UART、I²C 、CAN 等）来重写程序代码（存储在内部或外部存储器中，具体取决于微控制器）。引导加载程序通常会寻找“特殊事件”，它实际上可以是任何东西，但对于开发来说，最方便的是数据总线上的东西，它将从中提取新代码。 （对于生产，它可能是引脚上的特殊逻辑电平，因为它几乎可以立即检查。）如果引导加载程序看到特殊事件，它可以进入引导加载模式，在该模式下它将重新刷新程序存储器，否则它会传递控制权关闭到用户代码。

顺便说一句，引导加载程序熔丝和上部内存块的目的是允许使用引导加载程序，而无需对原始软件进行任何修改（只要它不一直延伸到引导加载程序的地址）。您可以刷新原始 HEX、引导加载程序和修改后的保险丝以及添加的引导加载程序，而不是仅使用原始 HEX 和所需的保险丝进行刷新。

无论如何，就 Arduino 而言，我相信它使用 STK500 中的协议，它尝试通过 UART 进行通信，如果在指定时间内没有得到响应：

uint32_t count = 0;
while(!(UCSRA & _BV(RXC))) { // loops until a byte received
    count++;
    if (count > MAX_TIME_COUNT) // 4 seconds or whatever
        app_start();
}

或者如果由于得到意外响应而出错过多：

if (++error_count == MAX_ERROR_COUNT)
    app_start();

它将控制权传递回位于 0 的主程序。在 Arduino 源代码中可以看到上面，这是通过调用 app_start(); 来完成的，定义为 void (*app_start)(void) = 0x0000;。

因为它是 C 函数调用，所以在 PC 跳转到 0 之前，它会将当前 PC 值推送到堆栈上，该堆栈还包含引导加载程序中使用的其他变量（例如 count 和 error_count（来自上面）。这会从你的程序中窃取 RAM 吗？好吧，在 PC 设置为 0 后，所执行的操作公然“违反”了正确的 C 函数（最终会返回）应该执行的操作。在其他初始化步骤中，它重置堆栈指针（有效地删除调用堆栈和所有局部变量），回收 RAM。全局/静态变量初始化为 0，其地址可以与引导加载程序使用的任何内容自由重叠，因为引导加载程序和用户程序是独立编译的。

引导加载程序唯一持久的影响是对硬件（外设）寄存器的修改，好的引导加载程序不会使其处于有害状态（打开外设，当您尝试睡眠时可能会浪费电力）。通常最好的做法是完全初始化您将使用的外围设备，因此即使引导加载程序做了一些奇怪的事情，您也会按照您想要的方式设置它。

ATtiny 引导加载程序

在 ATtinys 上，正如您所提到的，引导加载程序熔丝或内存并不奢侈，因此您的代码将始终从地址 0 开始。您也许可以将引导加载程序放入一些更高的内存页中，并将 RESET 向量指向然后，每当您收到要闪存的新十六进制文件时，请获取地址 0:1 处的命令，将其替换为引导加载程序地址，然后将替换的地址存储在其他位置以调用正常执行。 （如果是RJMP（“相对跳转”），则该值显然需要重新计算）

Answer 2

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我有兴趣尝试将引导加载程序移植到小型 AVR，该 AVR 没有用于引导加载程序代码的单独内存空间。对我来说，引导加载程序代码显然依赖于某些保险丝设置和芯片支持，我想我真正感兴趣的是如何将引导加载程序移植到没有这些保险丝和硬件的芯片上支持（但仍具有自编程能力）？

根据您的最终目标，创建自己的引导加载程序可能比尝试移植引导加载程序更容易。您实际上只需要学习该部分的一些内容。

1) uart tx

2) uart rx

3) 自闪存编程

可以单独学习，然后组合成 bootloader。您将需要一个可以使用 spi 或其他任何东西来写入闪存的部件，这样，如果您的引导加载程序无法工作或附带的任何部件弄乱了，您仍然可以继续开发。

无论您移植还是自己推出，您仍然需要了解与该部分相关的三个基本知识。