基于RT-Thread完整版搭建的极简Bootloader

项目背景

Agile Upgrade:用于快速构建 bootloader 的中间件。

• example文件夹提供 PC 上的示例

特性

1. 适配RT-Thread官方固件打包工具 (图形化工具及命令行工具)

2. 使用纯 C 开发，不涉及任何硬件接口，可在任何形式的硬件上直接使用

3. 加密、压缩支持如下：

• AES256

• fastlz

• quicklz

• 原生适配file及fal操作接口

• 移植简单，实现自定义的后端只需适配几个操作接口

• 使用简单，几行代码即可实现固件升级

• 全过程日志输出

• 提供过程回调，可将过程及进度显示在自定义硬件上

• 基于RT-Thread 4.1.0版本

• 基于正点原子探索者开发板

代码地址：

https://github.com/loogg/agile_upgrade_mcu_demos

https://github.com/loogg/agile_upgrade

（请复制至外部浏览器打开）

• 目录结构

2、Bootloader

一般Bootloader实现的逻辑如下：

这种方式适合于简单的裸机程序或可控的 OS 程序（即所有外设硬件都可把控），在准备环境的时候将其全部关闭。

但对于一些复杂的或者 OS 中轮子已造好的程序，有一些因素不花时间研究无法把控，在准备环境时很可能就会遗漏一些未关闭导致出各种各样的问题。

这里提供一种万能方法：

- 利用芯片中的不受软件复位影响的可供用户使用的寄存器 (如 STM32 中的备份寄存器)。
- 在需要跳入 APP 运行时将该寄存器赋值然后软件复位。
- 在 OS 还没初始化时判断该寄存器值，如果需要跳转只需要简单的准备环境即可跳转。

该方法可以使Bootloader就作为一个 OS 应用程序开发，需要跳转的时候就操作一下寄存器并软件复位即可。

该仓库下所有的Bootloader例子均使用此方法。

以正点原子探索者开发板的STM32F4为例，将system_stm32f4xx.c文件的SystemInit函数修改：

1voidboot_start_application(void);
2voidSystemInit(void)
3{
4boot_start_application();
5
6...
7}

boot_start_application的实现为：

 1typedefvoid(*boot_app_func)(void);
 2voidboot_start_application(void){
 3__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
 4HAL_PWR_EnableBkUpAccess();
 5
 6RTC_HandleTypeDefRTC_Handler={0};
 7RTC_Handler.Instance=RTC;
 8uint32_tbkp_data=HAL_RTCEx_BKUPRead(&RTC_Handler,BOOT_BKP);
 9HAL_RTCEx_BKUPWrite(&RTC_Handler,BOOT_BKP,0);
10
11if(bkp_data!=0xA5A5)return;
12
13boot_app_funcapp_func=NULL;
14uint32_tapp_addr=BOOT_APP_ADDR;
15if(((*(__IOuint32_t*)(app_addr+4))&0xff000000)!=0x08000000)return;
16
17/*栈顶地址在128KRAM间*/
18if(((*(__IOuint32_t*)app_addr)-0x20000000)>=(STM32_SRAM_SIZE*1024))return;
19
20app_func=(boot_app_func)*(__IOuint32_t*)(app_addr+4);
21/*Configuremainstack*/
22__set_MSP(*(__IOuint32_t*)app_addr);
23/*jumptoapplication*/
24app_func();
25}

设置寄存器并软件复位的实现为：

1staticvoidboot_app_enable(void){
2__disable_irq();
3RTC_HandleTypeDefRTC_Handler={0};
4RTC_Handler.Instance=RTC;
5HAL_RTCEx_BKUPWrite(&RTC_Handler,BOOT_BKP,0xA5A5);
6HAL_NVIC_SystemReset();
7}

3、RT-Thread 完整版、RT-Thread Nano 及裸机对比

3.1、RTOS 与裸机

很多人都会觉得裸机开发比 RTOS 简单并且编译出来的空间小的多，但以我的开发经验来说并非如此。

1. 开发难易程度

• 裸机

  裸机开发经常使用的是前后台框架，一个有多步执行操作的task基本上都是使用switch case方式。

  一级延时很好处理只需要改变task的再一次进入时间即可。

  嵌套延时则需要加状态位并在函数中嵌套switch case，程序非常臃肿。

• RTOS

  RTOS 中多步操作只需按顺序调用函数即可，挂起也只需调用系统提供的 API ，代码精简且逻辑清晰。

• 资源占用

  以RT-Thread Nano举例，官方给出的数据如下：

1在运行两个线程(main 线程+ idle 线程)情况下，ROM 和 RAM 依然保持着极小的尺寸。
2以下是基于CortexM3的MDK工程编译结果(优化等级3)
3
4TotalROSize(Code+ROData)4000(3.91kB)
5TotalRWSize(RWData+ZIData)1168(1.14kB)
6TotalROMSize(Code+ROData+RWData)4092(4.00kB)
7

从数据中可以得知资源占用并没有相差非常大。

3.2、RT-Thread 完整版与 RT-Thread Nano

许多人对于这两个的争议在于：RT-Thread 完整版资源占用太大，小芯片用不了等等。

这里我就用事实来证明并非如此，完全可以裁剪到Nano一样的大小，并且RT-Thread 完整版还支持menuconfig不需要自己添加代码文件，真香。

同时RT-Thread还有许多纯 C 语言的不涉及硬件的软件包，使用menuconfig拿来即用，真香。

这里我以正点原子探索者开发板bsp为例，基于RT-Thread v4.1.0版本，具体工程查看 RTT_Template。

• CubeMX生成的 MDK 工程编译结果 (优化等级 0)

1TotalROSize(Code+ROData)8120(7.93kB)
2TotalRWSize(RWData+ZIData)1832(1.79kB)
3TotalROMSize(Code+ROData+RWData)8136(7.95kB)
4

• 在运行两个线程 (main 线程 + idle 线程) 情况下的 MDK 工程编译结果 (优化等级 0), 适配了rt_hw_console_output

1TotalROSize(Code+ROData)13256(12.95kB)
2TotalRWSize(RWData+ZIData)3136(3.06kB)
3TotalROMSize(Code+ROData+RWData)13396(13.08kB)
4

• 两者比较差值

1TotalROSize(Code+ROData)5136(5.02kB)
2TotalRWSize(RWData+ZIData)1304(1.28kB)
3TotalROMSize(Code+ROData+RWData)5260(5.14kB)
4

从上述数据可以得出结论：RT-Thread 完整版通过裁剪可以完全媲美RT-Thread Nano，所以首选RT-Thread 完整版。

4、Bootloader 工程使用

tools文件夹下包含了固件打包工具和应用层固件app.bin，起始地址为0x08080000。

应用层分区如下：

在应用程序中下载固件需要使用ymodem_ota -p [dst]命令，[dst]为目标分区download_w25q或download_onchip。

以下工程编译结果都是基于优化等级 0。

4.1、MinimalistBoot 使用

该工程下提供 3 个配置文件，通过ENV工具的menuconfigLoad配置并save为.config后执行scons --target=mdk5 -s即可生成工程。

该工程未使用动态内存分配，故编译结果即为真实内存使用。

配置文件分别为：.config.minimal、.config.w25q_qlz和.config.shell_qlz。

• .config.minimal

极简Bootloader，不支持压缩和加密类型固件，下载分区为download_onchip。

• .config.w25q_qlz

支持quicklz方式压缩的固件，下载分区为download_w25q。

• .config.shell_qlz

支持quicklz方式压缩的固件，升级失败可通过敲击键盘Enter键进入Shell，下载分区为download_onchip。

4.2、FalBoot 使用

该工程基于FAL组件，提供 4 个配置文件，通过ENV工具的menuconfigLoad配置并save为.config后执行scons --target=mdk5 -s即可生成工程。

配置文件分别为：.config.minimal、.config.dev_qlz、.config.w25q_dev_qlz和.config.shell_dev_qlz。

• .config.minimal

不支持压缩和加密类型固件，下载分区为download_onchip。

• .config.dev_qlz

使用了设备框架，支持quicklz方式压缩的固件，下载分区为download_onchip。

• .config.w25q_dev_qlz

使用了设备框架，支持quicklz方式压缩的固件，下载分区为download_w25q。

• .config.shell_dev_qlz

使用了设备框架，支持quicklz方式压缩的固件，升级失败可通过敲击键盘Enter键进入Shell，下载分区为download_onchip。

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