了解BootLoader——基于MPC5744P Bootloader例程

一、BootLoader的作用：BootLoader是固化在PFlash中的一个程序，其作用可以分为两部分：boot和load。

　　（1）boot：MCU上电时首先会运行BootLoader程序（因为它一般位于PFlash最前面的启动区，接下来会谈到启动区Boot location的概念），BootLoader程序会初始化系统时钟、看门狗等以保证系统的正常运行，此外还会初始化CAN（也可以是串口、SPI等）以实现和上位机的通信。

　　（2）load：系统初始化完成后，程序会进入等待状态，如果在预定时间内没有接收到上位机的程序下载请求信号（CAN帧），则跳转并执行MCU内部原有的用户应用程序（位于PFlash的其他启动区）。如果在预定时间内接收到来自上位机的程序下载请求信号，则BootLoader程序进入新程序下载状态。下载过程中，上位机与BootLoader程序之间采用一问一答的方式逐行的下载S19文件（用户应用程序的可执行文件）并进行解析，得到程序地址和程序数据，从而将每一行程序数据按照程序地址写入到PFlash中。程序下载完成后，清除RAM，关闭CAN等BootLoader用到的外设，跳转到新的用户应用程序并开始执行。

二、Boot location的概念：Boot location就是每次MCU复位后运行BAM（Boot Assist Module）时寻找合法复位配置半字RCHW（Reset Configuration Harf-Word）和应用程序开始地址（Application Start Address，也可以叫做应用程序复位向量地址（Reset Vector）的区域。复位后CPU将从Boot location0~7依次查找由正确Boot_ID--0x5A组成的合法复位配置半字和应用程序开始地址，从而执行用户应用程序。MPC5744P有8个Boot location，在Flash Memory Map中标明了哪些block可以作为Boot location，如下图：

 Boot location的组成如下图所示：

Boot location的起始位置是复位配置半字（RCHW），其结构如下所示。

只有设置了真确的BootID，该Boot location才被识别为可启动的，如BootLoader程序和用户应用程序生成的S19文件：

　　

在BootLoader程序的S19文件第二行中，0x00F98000为Boot location_0的起始地址，也就是RCHW的地址，其中存放的数据为0x01_5A，RCHW的VLE位置1，BOOT_ID为0x5A，即配置该Boot location为可启动的。reserve的16-31位默认为0x00

从用户应用程序的S19文件第三行可以看到，0x00FA0004为用户应用程序开始地址（应用程序复位向量地址），其中记录的数据0x0100000为应用程序的复位函数地址，也就是应用程序真正开始执行的地址。因此，一般用如下方法实现到用户应用程序的跳转：

#define APP_StartAddr (*(uint32_t*)0x00FA0004)
(*(void (*)(void))(APP_StartAddr))();

三、BootLoader程序和用户应用程序App在PFlash中的位置关系（Flash分配）

对BootLoader程序和用户应用程序的 link_file做如下设置：

MEMORY  //BootLoader
{

    /*16 KB low flash memory block 2 (boot location 0) from 0x00F98000 to 0x00F9BFFF*/  
    /*16 KB low flash memory block 3 (boot location 1) from 0x00F9C000 to 0x00F9FFFF*/
    /* use the low flash memory block 2 and 3(32KB in total) as bootloader area */
    
    flash_rchw : org = 0x00F98000,   len = 0x4
    cpu0_reset_vec : org = 0x00F98004,   len = 0x4
    
    m_text :    org = 0x00F99000, len = 28K    /*code flash for bootloader interrupt vector table, startup and boot codes*/
    
    m_data :    org = 0x40000000,   len = 384K  /*system SRAM*/
    
    local_dmem  : org = 0x50800000,   len = 64K /*CPU core data tightly coupled memory*/         
}

MEMORY  //User App
{

    flash_rchw : org = 0x00FA0000,   len = 0x4
    cpu0_reset_vec : org = 0x00FA0004,   len = 0x4
        
    m_text :    org = 0x1000000, len = 2048K  
    m_data :    org = 0x40000000,   len = 384K
    
    local_dmem  : org = 0x50800000,   len = 64K    
}

则BootLoader和App的在PFlash中的关系如下：

四、S19文件结构：

五、数据对齐问题：

例程中的对齐函数主体及注释如下：

    stafno = (srcd_t->addr&0x7)>>1;   /* number of uint16_t need to be pre-staffed  */  //if addr is not a multiple of 8-Bytes, get the surplus bytes then >>1
    srcd_t->addr &= 0xFFFFFFF8;           /* align data base address at 4W   */            //about why >>1(divided by 2 regardless odd num addr): maybe there isn't odd address
    
    if(stafno) 
    {
        for(i=srcd_t->dtlen; i>0; i--) 
            srcd_t->data[i+stafno-1] = srcd_t->data[i-1];  // move forward data in number of stafno
        
        srcd_t->dtlen += stafno;    // update dtlen
        
        while(stafno--)    
            srcd_t->data[stafno] = 0xFFFF;           // pre-staff 0xFFFF
    }

    while((srcd_t->dtlen&0x000003)!=0)   // need to append post-staffing uint16_t  //if data num is a multiple of 4(each data is uint_16, so it's a judge of 64bits - 8bytes)
        srcd_t->data[srcd_t->dtlen++] = 0xFFFF; //if not enough 4*uint_16 - 8bytes, padding with 0xFFFF behind data's tail
}
// conclusion: address is aligned with 8bytes by &0xFFFFFFF8, but data field will not move accordingly,
// it just padding with 0xFF in the front of array, so as to accord with origin address(0x0004) correctly
//
//    address     data(uint16)                address     data(uint16)
//    |0x0000|                                |0x0000|<-- 0xFF
//    |0x0002|                     after      |0x0002|    0xFF
//    |0x0004|<-- 0x55(data[0])    =======>>  |0x0004|    0x55
//    |0x0006|    0x66             address    |0x0006|    0x66
//    |0x0008|    0x77             align      |0x0008|    0x77
//    |0x000A|    0x88                        |0x000A|    0x88
//    |0x000C|                                |0x000C|
//
//     note: (1) i guess that 0xFF will not be recognized as a instruction by CPU, so CPU fetch instruction from 0x0000
//                but execute from 0x0004 in fact.
//           (2) and note that the graph above is base on the struct SRecord_t,
//                so that data[0] is always correspond with base address(SRecord->addr)

其中srcd_t的结构如下：

typedef struct {
    uint32_t addr;
    uint32_t  dtlen;  // num of valid data
    uint16_t  data[20];
} SRecord_t;

另外，关于数据对齐问题，可以参考博文：https://blog.csdn.net/maxlovezyy/article/details/70231804

六、其他：下图为建立多核工程时的Flash和RAM资源的分配，可以用来参考以加深对程序在内存中的存储的理解