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摘 要 ：本文主要介绍了基于ARM Cortex-M3内核的BootLoader技术的源代码组成、结构和设计思路,通过掌握其启动原理,以便于更好地应用BootLoader.
关 键 词 ：ARM Cortex-M3 ； 源代码；启动原理；BootLoader技术
中图分类号：TP273文献标识码：A
1．引言
现今嵌入式系统越来越受到人们的重视.随着系统复杂程度的提高,小型化和网络化也成为嵌入式系统发展的必然趋势.如何利用现成的通信网络,安全、快捷的对各个节点控制器进行在线软件升级（ISP）,成为了嵌入式系统发展的一项重要课题,对工业控制、航空航天、通信等领域意义重大.而实现这一功能,需要一段核心代码的支持,这段代码就是BootLoader.
2． BootLoader 简介
2.1 功能介绍
BootLoader 是位于 Flash 起始地址处的一小段代码,占据空间默认为 2K.如果没有BootLoader,硬件启动成功后,将直接运行用户应用程序（Application）.反之,BootLoader的启动代码（Start-up Code）将先被执行,进行一系列的初始化操作后,根据预先设定的条件,选择执行用户应用程序（Application）或升级控制程序（Updater）.
Updater在升级Flash的过程中,需要与上位机通信,通信的端口可选用UART,SSI,I2C或以太网端口.为了保证数据的无差错传输,BootLoader采用了控制传输的通信协议：UART,SSI,I2C端口均采用了自定义的串行加载协议；而以太网采用了UDP协议.对接收到的格式正确且校验成功的数据包,Updater能够将其解包,并将得到的加载命令转化为对Flash底层寄存器的操作.
2.2 源代码组成
BootLoader的源代码由多个文件组成,如表1所示.
表1：BootLoader 源代码组成
文件分类 文件名 文件说明
启动代码 bl_startup_ewarm.S BootLoader 启动代码
配置文件 bl_config.h 定义 BootLoader 配置选项
bl_config.c
数据包收发 bl_packet.h 定义 Updater 命令及响应代码
bl_packet.h 串行数据包收发控制
bl_packet.c
数据传输 bl_e.c 以太网端口数据传输
UART bl_uart.h UART 端口数据传输
bl_uart.c
bl_autobaud.h
SSI bl_ssi.h SSI 端口数据传输
bl_ssi.c
I2C bl_i2c.h I2C端口数据传输
bl_i2c.c
升级控制 bl_check.h 检测 Updater 运行条件
bl_check.c
bl_main.c 升级控制主程序及升级端口配置
其它 bl_decrypt.h Application 代码加密控制
bl_decrypt.c
bl_link.xcl IAR EWARM 链接器脚本文件
3．BootLoader 技术
3.1BootLoader 的启动原理
3.1.1 Cortex-M3 存储及启动机制
Cortex-M3 内核具有固定的存储器映射,这使得相同内核的芯片具有了更好的兼容性.
特定厂商
专用外设总线
外部总线
外部RAM
片内外设
SRAM（保留区）
SRAM
代码（保留区）
Flash
图1：Cortex-M3 存储器系统示意图
如图1所示,Cortex-M3 的地址空间中,0～0.5G被映射为Flash空间,0.5G～1G被映射为SRAM空间.由于SRAM是易失性存储器,故系统上电时,SRAM中并没有内容,系统必须从Flash开始启动.
Flash 空间起始地址处必须存放向量表.向量表是异常产生时获取异常处理函数入口的一块连续内存,每一个异常都在向量表固定的偏移地址处（偏移地址以字对齐）,通过该偏移地址可以获取异常处理函数的入口指针.向量表中前4个字分别为：栈顶地址、复位处理函数地址、NMI ISR 地址、硬故障 ISR 地址.一张向量表至少由这四项组成.
在程序代码开始运行后,向量表的基地址也可以改变.通过软件设置 NVIC 中的向量表偏移寄存器（NVIC_VTABLE,0xE000ED08）,可以在任意 32 字对齐处建立向量表.
启动原理如下：硬件复位时,NVIC_VTABLE 复位为 0,向量表默认位于 Flash 空间起始地址处（0x00000000）.内核读取向量表第 1 个字设置主堆栈（SP_main）,读取第 2 个字设置 PC 指针,之后跳转到复位处理函数中运行.自此,系统的控制权交由软件接管.
3.1.2 BootLoader 启动代码原理
BootLoader 启动需先执行以下一系列操作：
, 配置向量表
, 初始化存储器
, 复制 BootLoader 代码到 SRAM
, 从 SRAM 中执行代码
BootLoader 的作用之一,是提供运行时修改 Flash 的功能.这样,如果内核直接从 Flash 中加载修改其自身的指令,则既容易造成时序上的混乱,又有可能因 Flash 中某些关键指令被自修改而导致整个系统崩溃.
针对这个问题,采取的方案为：在SRAM中建立BootLoader的映像,即把BootLoader复制到SRAM中,然后从SRAM中加载指令.如图2所示.这样,指令的加载源（SRAM）与修改操作的目标（Flash）相分离,一定程度上保证了软件升级的可靠性和安全性.这样的存储器映射允许修改Flash的全部代码.此外,BootLoader也提供了保护机制,用于保护Flash中的BootLoader代码本身,以及Flash空间顶部的一段存储区（保存即使Flash升级也不需要擦除的代码）.除非相应的配置选项使能,否则,这两段代码不可随意修改.
图2： BootLoader 内存示意图
在IAR集成开发环境的BootLoader版本中,启动代码包含在bl_startup_ewarm.S文件中.BootLoader复位处理函数ResetISR将首先调用ProcessInit子函数,来实现BootLoader的复制,见程序清单1.
程序清单1ProcessInit 子函数
ProcessorInit
movsr0, #0x00000000
ldrr1, 等于0x20000000
ldrr2, 等于B(DATA_Z)
copy_loop
ldrr3, [r0], #4
strr3, [r1], #4
cmpr1, r2
bltcopy_loop,复制 BootLoader 到 SRAM
movsr0, #0x00000000