一文读懂Bootloader：从原理到OTA应用

无际单片机编程

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文 | 无际（微信:2777492857）
全文约4976字，阅读大约需要 10 分钟
在2016年，我在做一个网关项目时，需要实现远程固件升级功能，也就是大家常听到的OTA。
           
当时，我对此一窍不通，Bootloader、IAP、OTA都是啥玩意？全部都是我的知识盲区。
           
公司也没人教，我只能硬着头皮去学习，记得之前对接的是云智易，整个项目前前后后搞了一年，才勉强做稳定，其实还有一些BUG，APP获取子设备信息不稳定，平台的协议没设计好，链路交互不够精简。
           
这个项目其中有个功能就是OTA，当时我啥也不懂，厚着脸皮，这里问问，那里搜搜，又从他们平台技术支持的嫖一点，在他爱搭不理的状态下，慢慢磨出来的经验。
           
一、Bootloader到底是个啥玩意儿？
简单来说，Bootloader就是单片机上电或复位后，在你的主应用程序（也就是你辛辛苦苦写的业务逻辑代码）运行之前，先跑起来的一小段特殊程序。
           
你可以把它想象成电脑开机时的BIOS/UEFI。电脑按下电源键，不是直接就进Windows或MacOS了对吧？得先有个东西检查下硬件，做点初始化，然后再去加载操作系统。
           
单片机的Bootloader干的也是类似的事情，只不过规模小得多，目标也更专一：初始化必要的硬件，然后决定是启动主应用程序，还是进入某种特殊模式（比如，准备接收新的固件）。
           
它通常被烧录在单片机内部或者外部Flash存储器的一个特定区域，这块区域往往还带有写保护，防止被应用程序不小心破坏掉。毕竟，如果连Bootloader都挂了，那设备很可能就真的“启动不能”了，到时候返厂维修，那成本可就上去了。   
           
二、为啥我们需要Bootloader？直接跑应用它不香吗？
           
直接跑应用当然行，很多简单的项目就是这么干的。代码编译、烧录、运行，一条龙。但问题来了，如果你的产品已经卖出去了，部署到了天南海北，这时候发现一个bug，或者想加个新功能，咋办？
           
总不能让用户把设备拆开，拿出J-Link/ST-Link，吭哧吭哧连上电脑，重新烧录吧？这用户体验也太差了，而且很多场景下根本不现实。
           
这时候，Bootloader的价值就体现出来了。它最重要的使命之一，就是实现固件的远程更新，也就是我们常说的IAP（In-Application Programming，在应用编程）或者更时髦的OTA（Over-The-Air，空中升级）。
           
有了Bootloader，我们就可以通过预留的通信接口（比如串口UART, USB, CAN, 以太网, 甚至无线方式如蓝牙, Wi-Fi, LoRa, NB-IoT等），给设备发送新的应用程序固件。Bootloader负责接收这些固件数据，把它写入到应用程序的存储区域，然后重新启动，加载新的程序。
           
总结一下Bootloader的核心优势：
1.固件更新能力：无需物理接触和专用烧录工具，即可更新设备功能或修复bug，极大降低维护成本。
2.灵活性：产品可以先发布，后续通过软件升级迭代。
3.可靠性（如果设计得好）：可以设计成即使应用程序损坏，也能通过Bootloader进行恢复。   
           
所以你看，对于需要持续维护和升级的产品来说，Bootloader不是可有可无的点缀，而是实实在在的刚需。
           
三、Bootloader的工作原理
           
咱们来深入一点，看看Bootloader内部是怎么运作的。
           
1. 启动流程：
?单片机上电或复位。
?CPU根据内部设定，从一个固定的地址（通常是Flash的起始地址，也就是复位向量表所在位置）取出第一条指令。
?如果Bootloader被放置在这个起始地址，那么CPU就开始执行Bootloader的代码。
           
2. 硬件初始化：
           
?Bootloader不需要像主应用程序那样初始化所有的外设。它只需要初始化最基本的硬件，满足它的核心功能需求即可。
           
?这通常包括：
?时钟系统：让CPU和外设跑起来。
?GPIO：可能需要用来检测某个引脚状态，判断是否进入升级模式，或者控制LED指示状态。   
?通信接口：用于接收新固件的接口，比如UART, SPI, I2C, CAN, USB等。
           
3. 决策逻辑：跑应用还是搞升级？
           
这是Bootloader的一个关键环节。初始化完成后，它需要决定接下来干什么。常见的判断方式有：
           
?检测特定GPIO引脚：比如，上电时长按某个按钮，Bootloader检测到这个引脚是低电平，就进入升级模式。
           
?检查共享内存区域的标志位：应用程序可以在某个不易失存储（如Flash的特定扇区）写入一个标志，请求下次启动时进入升级模式。Bootloader启动时读取这个标志。
           
?通信接口等待：启动后，在一定时间内（比如1-2秒）监听某个通信接口，如果收到了特定的“进入升级”指令，就进入升级模式；否则超时后就去启动应用程序。
           
?检查应用程序有效性：计算应用程序区域的校验和（Checksum/CRC），如果校验和错误或者程序区域为空，可能强制进入升级模式。
           
这个决策过程，有点像Bootloader每天都要面对的灵魂拷问：“今天，我是该跳转到应用，还是留下来等等更新？”
           
4. 跳转到应用程序：   
           
如果决定运行主应用程序，Bootloader需要做几件重要的事情（以ARM Cortex-M为例）：
           
?设置主堆栈指针 (MSP)：应用程序有自己的堆栈，Bootloader需要从应用程序的向量表（通常位于应用程序Flash区域的起始处）的第一个字读取MSP的初始值，并设置到CPU的MSP寄存器。
           
?获取复位处理函数地址：应用程序的入口点不是main函数，而是复位处理函数（Reset_Handler）。这个函数的地址通常存储在应用程序向量表的第二个字。
           
?执行跳转：获取到地址后，通过函数指针或者汇编指令，直接跳转到应用程序的Reset_Handler执行。
           
注意：如果应用程序使用了中断，还需要考虑中断向量表的重定向问题。通常通过修改NVIC的VTOR（Vector Table Offset Register）寄存器，将中断向量表的基地址指向应用程序的向量表。这一步可以在Bootloader跳转前完成，也可以由应用程序自己初始化时完成。
           
5. 进入升级模式 (IAP过程)：
           
如果决定进入升级模式，Bootloader会：
           
?初始化通信接口：准备接收数据。
           
?遵循预定义的通信协议：与上位机（发送固件的工具或服务器）进行交互。协议可能很简单（比如，握手->发数据块->应答->结束），也可能比较复杂（带加密、分包、重传机制）。   
           
?接收固件数据：通常按块（Packet/Frame）接收。
           
?数据校验：每接收一块数据，都要进行校验（如CRC校验），确保数据在传输过程中没有损坏。
           
?擦除Flash：在写入新数据之前，必须先擦除应用程序占用的Flash扇区。Flash存储器的特性是写之前必须先擦除，而且通常是按扇区（Sector）或块（Block）擦除的。
           
?写入Flash：将校验通过的数据块写入到Flash的对应位置。
           
?状态反馈：向上位机报告接收和写入的状态（成功、失败、重传请求等）。
           
?完成与验证：全部数据接收并写入完成后，可能会进行一次整体的固件校验。然后向上位机发送完成信号。
           
?复位：升级完成后，通常会触发一次软件复位，让CPU重新从头开始执行。这次，Bootloader检查发现无需升级（或者升级标志已被清除），就会跳转到刚刚写入的新应用程序。
           
四、Bootloader, IAP, OTA，别再傻傻分不清
               
这三个词经常一起出现，关系紧密但含义不同：
           
?Bootloader：是那段程序本身，它提供了加载应用程序和执行固件更新的基础能力。
           
?IAP (In-Application Programming)：是一种技术或过程，指的是在设备运行状态下（通常是在Bootloader的引导下，或者有时甚至是应用程序自己调用特定代码）对自身的程序存储器进行擦写，以达到更新固件的目的。
           
?OTA (Over-The-Air)：是一种固件交付方式，特指通过无线通信（Wi-Fi, Bluetooth, 蜂窝网络等）将新的固件包发送到设备。设备接收到OTA包后，通常会利用其IAP能力来完成实际的烧录更新。
           
所以，可以说：OTA是实现远程固件更新的一种高级方式，它依赖于设备的IAP能力，而IAP能力的实现往往离不开一个健壮的Bootloader。
           
五、动手写一个简单的Bootloader？
           
想自己动手写一个Bootloader？完全可以！虽然细节不少，但核心思路是清晰的。你需要关注以下几个方面：
           
1. 内存规划
你需要精确规划Flash的内存布局。哪部分给Bootloader，哪部分给应用程序，可能还需要一块用于Bootloader和应用程序通信的共享区域（比如存放升级标志）。  
               
这通常通过修改编译器的链接脚本来实现。你需要告诉链接器，Bootloader的代码和数据放在哪里，应用程序的代码和数据从哪个地址开始放。
           
例如，我们可以在Keil里面设置APP程序从哪个地址开始放。

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通过上图设置，告诉编译器，我们的应用程序代码是从0x800C800这个地址开始，而Bootloader的，则是从0x8000000开始。

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2. 通信协议设计
           
拿我们无际单片机项目6举例，这个项目实现了OTA升级，设备通过WiFi和4G连接我们开发的云平台。   

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WiFi和4G之间通过MQTT，而单片机到WiFi和4G模块之前通过串口通讯。

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这样，就需要设计一个串口协议。
           

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例如，定义几个命令：
?查询服务器是否有新的固件版本(0x21,0x22)
?MCU申请获取OTA升级固件内容(0x24,0x25)
           
           
3. 核心逻辑实现
Bootloader的main函数：
?初始化时钟、GPIO、通信接口。
?检查是否需要进入升级模式（CheckIfUpdateRequest()）。
?如果需要升级，调用 EnterUpdateMode()。
?如果不需要升级，调用 JumpToApplication()。
           
跳转函数的实现（C语言示例，ARM Cortex-M）：   

#define APP_ADDRESS    (uint32_t)0x800C800 // 假设应用程序起始地址typedef void (*pFunction)(void); // 定义函数指针类型void JumpToApplication(void){    uint32_t jumpAddress;    pFunction applicationEntry;    // 检查应用程序起始地址是否有效 (至少包含向量表)    if (((*(volatile uint32_t*)APP_ADDRESS) & 0x2FFE0000) == 0x20000000)     {        // 1. 获取应用程序的堆栈顶地址 (向量表第一个字)        uint32_t appStack = *(volatile uint32_t*)APP_ADDRESS;        // 2. 设置主堆栈指针 MSP        __set_MSP(appStack);        // 3. 获取应用程序的复位处理函数地址 (向量表第二个字)        jumpAddress = *(volatile uint32_t*)(APP_ADDRESS + 4);        applicationEntry = (pFunction)jumpAddress;        // 4. 跳转到应用程序的复位处理函数        applicationEntry();    }    else    {       // 应用程序无效，可以在这里处理，比如闪烁LED报错       while(1)        {       }    }}
升级模式的实现 (EnterUpdateMode())：
?循环等待接收命令。
?根据命令处理：擦除Flash、接收数据、校验数据、写入Flash。
?使用芯片厂商提供的Flash驱动库来执行擦写操作。注意处理好擦写的时序和错误。
           
应用程序的注意事项：
?应用程序的链接脚本也要相应修改，确保它被链接到正确的地址（APP_ADDRESS）。
?如果使用了中断，应用程序需要在初始化时设置NVIC的VTOR寄存器指向自己的向量表。

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六、从IAP走向OTA
           
实现了基本的IAP Bootloader，除了IAP的基础，OTA还需要考虑：
               
1. 无线通信栈
           
需要在Bootloader（或者一个专门的、可更新的下载器应用）中集成无线通信协议栈（如Wi-Fi, BLE）。这对Bootloader的大小和复杂度提出了更高的要求。有时会采用两阶段Bootloader，第一阶段极简，负责加载第二阶段（带通信能力）或应用程序。
           
2. 安全性
           
这是OTA的重中之重！
           
?固件签名与验签：防止恶意固件被刷入。服务器用私钥对固件签名，设备用公钥验证签名，确认固件来源可靠且未被篡改。
?传输加密：防止固件在传输过程中被窃听或篡改，可以使用TLS/DTLS等安全传输协议。
?安全存储：密钥的安全存储也是个挑战。
           
3. 健壮性
           
?断点续传：无线环境不稳定，传输中断是常事。需要机制能从中断的地方继续传输。
?电源管理：升级过程中断电怎么办？需要保证设备不会变砖。常用的方法是“双备份区（Dual-Bank）”或者使用日志/状态记录来确保更新的原子性（要么完全成功，要么回滚到旧版本）。
?版本管理与回滚：如果新版本有问题，需要有机制能回滚到上一个稳定版本。
               
4. 后端支持
           
需要有服务器来存储固件、管理设备、推送更新任务，比如我们无际单片机的项目，通过自研的云平台，配合上自己设计的协议，就能打造一套完整的物联网OTA系统。
           
七、Bootloader开发的“坑”
           
开发Bootloader时，要特别小心，因为一旦出错，后果可能很严重。几个常见的“坑”和建议：
           
?大小限制：Bootloader占用的空间越小越好，给应用程序留出更多空间。代码要精简，避免引入不必要的库。
           
?稳定性压倒一切：Bootloader是设备的“最后防线”，必须极其稳定。充分测试各种边界条件和异常情况（如通信错误、Flash擦写失败）。
           
?别忘了看门狗(Watchdog)：在Bootloader执行擦写Flash等耗时操作时，一定要记得“喂狗”，防止看门狗超时导致复位，让设备陷入无限重启的循环。
           
?日志与调试：Bootloader调试起来比应用程序困难，因为它运行在系统最早期。可以利用一个UART输出最关键的日志信息，或者通过调试接口（JTAG/SWD）单步跟踪。但要小心，连接调试器可能会影响某些硬件的正常初始化。
           
?保护机制：Flash的写保护功能一定要用起来，保护Bootloader自身不被意外修改。   
           
?版本意识：Bootloader和应用程序都需要有明确的版本号，方便管理和问题追溯。升级时可能需要进行版本兼容性检查。
           
           
好了，关于Bootloader的原理、应用到OTA的演进，我们就聊到这里。希望这篇有点啰嗦但力求实在的文章，能帮你揭开Bootloader的神秘面纱。它虽然只是一段“开场前的小程序”，但却肩负着让设备具备“进化”能力的关键使命。从简单的串口IAP到复杂的安全OTA，Bootloader技术的发展也见证了嵌入式系统功能的不断强大。
           
掌握Bootloader，不仅能让你在项目开发中更加游刃有余，也是衡量一个单片机工程师能力的重要标尺之一。
               
end

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