導語：嵌入式系統(tǒng)BootLoader設計分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：IAP技術為嵌入式產(chǎn)品的程序燒寫提供了一種很好的實現(xiàn)方式，適合各種復雜的應用工況。針對IAP，本文提出了一種基于Ethernet的嵌入式系統(tǒng)bootloader設計方案，重點闡述了方案中涉及到的幾個關鍵技術點，例如中斷向量表重定位、LwIP協(xié)議棧應用等。

關鍵詞：IAP；BootLoader；中斷向量表；LwIP

隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術已經(jīng)深入到我們生產(chǎn)、生活中，應用廣泛。在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)及應用中，程序燒寫技術是必備技術之一，在有些應用場合中甚至至關重要。目前，嵌入式微控制器（MCU）程序燒寫方式主要有以下三種：①ICP：通過仿真器連接MCU調試端口對MCU進行程序燒寫；②ISP：通過MCU廠商預置的BootLoader程序引導燒寫；③IAP：針對MCU對外通信接口（例如UART、Eth－ernet等），用戶自行設計代碼實現(xiàn)BootLoader功能，對正在應用的MCU進行程序燒寫。無論是ICP還是ISP技術，都需要一些涉及嵌入式產(chǎn)品內部的機械性操作，若產(chǎn)品的電路已經(jīng)被外殼封裝，要利用ICP或ISP對產(chǎn)品進行程序更新勢必極為不便，某些特定應用場合甚至無法實現(xiàn)。但若應用IAP技術，通過預留的外部通信端口可方便實現(xiàn)程序更新，甚至可以實現(xiàn)遠程或無線更新，極大降低了維護成本。針對IAP技術，本文提出了一種基于Ethernet的嵌入式系統(tǒng)BootLoader設計方案。

1IAP原理

IAP是MCU通過運行用戶自己編寫的引導程序完成對用戶FLASH指定區(qū)域的程序燒寫，可實現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品后通過預留的通信接口對固件進行升級。IAP功能涉及兩段用戶編寫的代碼：第一段為引導程序（即BootLoader），實現(xiàn)對用戶APP程序的更新；第二段為用戶APP程序，即產(chǎn)品真正的功能代碼。這兩段代碼同時燒寫在用戶FLASH中，當MCU上電復位后，首先執(zhí)行BootLoader代碼，一般執(zhí)行步驟如下：①檢查是否需要對用戶APP進行更新；②若不需要更新，則直接執(zhí)行步驟④；③若需要更新，則執(zhí)行更新操作；④跳轉至用戶APP并復位執(zhí)行。

2關鍵技術點

現(xiàn)以IAP技術在STM32Fxxx系列［1］MCU應用為例，重點闡述基于Ethernet的嵌入式系統(tǒng)BootLoader設計過程中的幾個關鍵技術點。

2．1MCU配置

現(xiàn)以CortexM3／M4內核的MCU（用戶FLASH分配參考第2．1．1節(jié)）為例，講一講IAP技術中的中斷向量表重定位，通過配置向量表偏移量寄存器VTOR來實現(xiàn)。正常地，MCU啟動模式會選擇從用戶FLASH處啟動（由BOOT0／BOOT1引腳實現(xiàn)配置），用戶FLASH空間會被重映射到0x00000000處，VTOR的具體配置過程如下（見圖2）：①上電復位后，MCU默認從0x00000000地址處取程序中斷向量表（復位向量），此時MCU取到的是Boot－Loader程序中斷向量表并開始執(zhí)行復位中斷程序，其中將VTOR寄存器設置為0x08000000（默認值），即中斷向量表被重定位于0x08000000處；②程序更新操作執(zhí)行完成后，BootLoader程序從0x08010000處（用戶APP程序起始地址）取中斷向量表（復位向量），這里不建議修改復位中斷程序中VTOR默認值，可在跳轉到用戶APP程序主函數(shù)后立即修改VTOR值為0x08010000。

2．2以太網(wǎng)實現(xiàn)

在本方案中，以太網(wǎng)通信是關鍵技術之一，而LwIP協(xié)議棧是以太網(wǎng)通信設計的最大難點，本文重點講述一下LwIP的應用經(jīng)驗。2．2．1LwIP是什么LwIP［2－3］是一個輕量化的TCP／IP，是瑞典計算機科學院的AdamDunkels開發(fā)的一個小型開源TCP／IP協(xié)議棧。LwIP的設計初衷就是用少量的資源消耗實現(xiàn)一個完整的TCP／IP協(xié)議棧，非常適合嵌入式產(chǎn)品的以太網(wǎng)應用。2．2．2LwIP的應用LwIP是一種數(shù)據(jù)通信機制，本質上就是對數(shù)據(jù)進行處理。了解LwIP協(xié)議棧數(shù)據(jù)管理機制以及如何實現(xiàn)與外部的數(shù)據(jù)交互，是嵌入式開發(fā)者掌握LwIP應用的最合適切入點。（1）LwIP內存管理及數(shù)據(jù)緩沖眾所周知，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量是非常大的，而作為一個針對嵌入式應用的TCP／IP協(xié)議棧，LwIP的內存管理策略及數(shù)據(jù)緩沖機制顯得非常重要。在LwIP中，內存分配策略有動態(tài)內存堆（HEAP）分配及動態(tài)內存池（POOL）分配，兩種分配策略混合使用，提高了內存使用效率。至于如何合理使用上述兩種分配策略，具體就涉及到LwIP數(shù)據(jù)包的緩沖機制。LwIP采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構體pbuf來描述數(shù)據(jù)包，協(xié)議棧各層之間的數(shù)據(jù)共享避免了數(shù)據(jù)包在傳輸過程中的層層復制以提高數(shù)據(jù)處理效率（TCP／IP分層模型：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、網(wǎng)絡接口層，LwIP未遵循嚴格的TCP／IP分層機制）。針對種類繁多的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，LwIP提供了4種類型的pbuf：①PBUF＿RAM類型：通過內存堆分配得到，協(xié)議棧中應用的最多，要發(fā)送的數(shù)據(jù)和應用程序要傳送的數(shù)據(jù)一般采用此類型。②PBUF＿POOL類型：通過內存池分配得到，由于分配時間短，網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)時，LwIP一般使用這種類型的pbuf存儲接收到的數(shù)據(jù)。③PBUF＿ROM類型：通過內存池分配得到，分配的空間不含數(shù)據(jù)區(qū)域，數(shù)據(jù)存放于非協(xié)議棧內存的ROM空間。此類型的pbuf用于應用程序要發(fā)送的數(shù)據(jù)放置在應用程序管理的ROM區(qū)域，可降低協(xié)議棧內存空間的消耗。④PBUF＿REF類型：通過內存池分配得到，與PBUF＿ROM類型的pbuf類似，區(qū)別為數(shù)據(jù)存放于非協(xié)議棧內存的RAM空間。特別說明，對于一個數(shù)據(jù)包，它可能使用任意類型的pbuf進行描述，也可能使用多種不同的pbuf一起描述。（2）網(wǎng)卡協(xié)議棧網(wǎng)絡數(shù)據(jù)是在網(wǎng)卡（即網(wǎng)絡接口）進入?yún)f(xié)議棧網(wǎng)絡接口層，反之亦然。網(wǎng)絡接口層提供的不是具體協(xié)議，而是一種網(wǎng)絡接口規(guī)范。在LwIP中，采用數(shù)據(jù)結構體netif來描述網(wǎng)絡接口，結構體中定義了網(wǎng)卡IP地址、網(wǎng)絡接口輸入／輸出函數(shù)聲明、MAC地址、網(wǎng)卡名稱等。由于netif是LwIP抽象出來的網(wǎng)絡接口，用戶還須自己提供網(wǎng)卡底層接口函數(shù)，ethernetif．c文件即為LwIP提供的底層接口驅動模板，用戶編寫網(wǎng)卡驅動時參照模板修改即可。當有數(shù)據(jù)需要交互時，LwIP調用網(wǎng)卡底層接口函數(shù)即可。（3）協(xié)議棧應用程序一般地，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議棧層層處理之后，在傳輸層或者應用層將數(shù)據(jù)交給應用程序，區(qū)別在于，傳輸層給出的是二進制數(shù)據(jù)流，應用層將傳輸層給出的二進制數(shù)據(jù)轉換成特定數(shù)據(jù)格式；反之亦然。本方案選擇采用傳輸層協(xié)議UDP實現(xiàn)BootLoader功能，程序結構簡單、數(shù)據(jù)傳輸高效。同時，針對LwIP協(xié)議棧提供的RAWAPI、NetconnAPI、SocketAPI三種編程接口，本方案也選擇執(zhí)行效率高的RAWAPI編程接口實現(xiàn)以太網(wǎng)UDP通信，以下是相關的應用經(jīng)驗。首先，RAWAPI是內核回調型API，如果LwIP收到了一個數(shù)據(jù)包，會立即調用一個注冊在LwIP內核中的數(shù)據(jù)處理函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，這個函數(shù)稱為回調函數(shù)。回調函數(shù)中有你想要的業(yè)務邏輯，可以自由處理接收到的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送任何數(shù)據(jù)。在本方案中，回調函數(shù)根據(jù)自定義的應用協(xié)議解析來自上位機的用戶APP程序二進制代碼，然后將其直接寫入指定的FLASH區(qū)域。其次，利用RAWAPI提供的功能函數(shù)建立UDP連接及數(shù)據(jù)交互，主要功能函數(shù)包括udp＿new、udp＿bind、udp＿recv、udp＿connect、udp＿send等。這里需著重提一下其中的3個函數(shù)：①udp＿new用于創(chuàng)建UDP控制塊udppcb，記錄本地／遠程端口號、本地／遠程IP地址、回調函數(shù)等UDP通信相關信息；②udp＿bind用于綁定本地IP和端口號，即為UDP連接綁定特定網(wǎng)絡接口和應用／進程；③udp＿connect用于綁定遠程IP和端口號，以建立UDP通信的一對一連接，這樣可以提高UDP通信的穩(wěn)定性和效率。如果確實存在多個客戶端，也可以在服務器端創(chuàng)建多個UDP控制塊udppcb以實現(xiàn)與多個客戶端間的通信。

3軟件流程圖

在本方案中，軟件設計的核心是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的收發(fā)：①首先，軟件升級包幀頭的接收包含升級包包長、版本號、更新時間等信息，解析之后向上位機發(fā)出應答幀。②之后，升級包的接收與處理，升級包按500字節(jié)進行分包，單包的前面增加2個字節(jié)存放包序號。判斷升級包序號是否正確，若正確，則直接將數(shù)據(jù)幀內容依次寫入用戶FLASH指定區(qū)域（如果系統(tǒng)RAM空間足夠大，可以先將升級數(shù)據(jù)緩存一下，確保FLASH內原有程序遭到破壞）；反之，則申請重發(fā)。③最后，升級包長校驗，若正確反饋升級成功，則等待復位命令，反之則申請重新操作。BootLoader軟件流程圖如圖3和圖4所示。

4IAP升級測試

本方案中，BootLoader設計需求源于基于以太網(wǎng)構建的工業(yè)控制局域網(wǎng)中的嵌入式控制產(chǎn)品固件升級，將安裝有配套開發(fā)的固件升級上位機的計算機連接產(chǎn)品自身預留的以太網(wǎng)口或者局域網(wǎng)交換機公共端口，通過上位機操作即可實現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品固件升級。經(jīng)實驗室／現(xiàn)場測試，本方案設計的BootLoader功能正常，符合產(chǎn)品設計需求，固件升級上位機界面如圖5所示。

5結語

本文是IAP技術的一個簡單應用，完成了基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)BootLoader設計，可實現(xiàn)局域網(wǎng)內的嵌入式產(chǎn)品固件升級，而真正能體現(xiàn)以太網(wǎng)＋IAP技術給嵌入式產(chǎn)品帶來巨大便捷的應用為遠程在線升級或無線升級，這些技術對嵌入式系統(tǒng)固件更新或者現(xiàn)場維護具有一定的實用價值。

參考文獻

［1］孟博宇．STM32自學筆記［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2011：134．

［2］劉火良，楊森．LwIP應用開發(fā)實戰(zhàn)指南：基于STM32［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2019．

［3］AdamDunkels．DesignandImplementationoftheLwIPTCP／IPStack［J］．SwedishInstitudeofComputerScience，2001，20（2）．

作者：黃鈺強 岳偉 單位：中車株洲電力機車有限公司