Mikrodenetleyicilerde neden uygulama programımızdan ayrı bir bootloader'a ihtiyacımız var?

Neden bir mikrodenetleyicinin aynı flaş program hafızasında, özellikle bir bootloader denilen STM32F103'te ayrı bir programa ihtiyacımız var?

Ana uygulama programından ayrı tutmak için özel olan nedir?

Genel olarak konuşursak, mikroişlemci tabanlı bir sistemin önyükleyicisi (örneğin PowerPC MPC8270) mikrodenetleyici ile aynı işi yapar (diyelim ki ARM STM32F103) ya da birbirlerinden temel olarak farklı işler yapıyorlar ve her ikisi de 'önyükleyici' olarak adlandırılıyorlar. ?

Bir mikrodenetleyici üzerindeki bir önyükleyici, ana bellenimi programlama başlığından başka bir iletişim kanalı üzerinden güncellemekten sorumludur. Bu, sahadaki ürün yazılımını BLE, UART, I2C, SD kartlar, USB vb. Üzerinden güncellemek için kullanışlıdır. Müşterilerin, aygıtlarını yalnızca aygıtlarında güncellemek için programcı satın almalarını istemek son derece sakıncalıdır.

Bagaj yükleyicinin ayrı tutulmasının nedeni güvenilirlik içindir. Bootloader ve uygulama kodu, ayrı flash bölümlerine yerleştirilir, böylece uygulama kodu, bootloader koduyla ilgili hiçbir şey değiştirmeden bootloader tarafından silinebilir ve yeniden yazılabilir.

Bootloader ve uygulama bir arada tutulursa, herhangi bir bellenim güncellemesi flaşta bootloader kodunu sileceğinden, bootwareer kodunun çalıştırılmadan önce RAM'e kopyalanması gerekir. RAM'deki bootloader kodu ile güç kesilirse ve flaş silinirse, cihaz tuğlalanır.

1. Böylece yükleme işlemi hatalardan kurtulabilir. Yükseltme sırasında bir iletişim hatası olduğunu veya güç bağlantısının kesildiğini varsayalım. Önyükleyici yüklediğiniz uygulamanın bir parçası olsaydı, kullanıcı önyükleyiciye yeniden yönlendirmek için özel bir donanım kullanmadan tekrar deneyemezdi.

2. Bazı mikrodenetleyiciler RAM'den kod yürütemez. Önyükleyici, yazılımın geri kalanıyla karıştırılmışsa, o zaman gerçekten uygulayacağınız flaş sayfalarını silemediğiniz için yazılımınızı yükseltemezsiniz. Çözüm, önce yeni kodu flaşın ikinci yarısına yakmak ve sonra üzerine atlamak. Yeni kod daha sonra kendini flaşın ilk yarısına kopyalar. Tabii ki olumsuz, yanma flaşının genellikle yavaş olması ve şimdi iki kez yapmanız gerekeceği için yükleme işleminin iki kat daha uzun sürmesidir. Ayrıca bu geçici çözüm uygulama boyutunuzu toplam flaşınızın yarısından büyük olmayacak şekilde sınırlar.

3. İyi yazılmış önyükleyiciler, yürütmeyi denemeden önce cihazda geçerli kodun bulunduğunu doğrulamaya çalışır. Önyükleyici ve diğer kod birlikte karıştırılmışsa, tüm kod yüklenmediyse doğrulama yordamının işe yarayacağından nasıl emin olabilirsiniz?

4. Doğrulama. Güvenli önyükleyici, yüklü uygulamanın yürütülmeden önce dijital bir imza ile eşleştiğini doğrulamaya çalışır. Ancak, önyükleyici ve diğer kod birbirine karışmışsa, cihazda neyin çalıştığını kontrol edemezsiniz, çünkü kullanıcı yeni bir kod yüklediğinde, başlangıçta ne olacağını kontrol edemezsiniz.

Ana uygulama programınızı güncellemenize izin vermek için genellikle oradalar.

Dahili flaşın bir kısmını nasıl silip yeniden programlayacağını bilen bir koda ihtiyacınız var, ana program bu olamaz, kendisi silindiğinde yeniden programlanamaz.

Önyükleyici, MCU’nun yeni bir programı kabul etmek, saklamak ve sıfırlama işleminden sonra çalıştırmak için başka bir şeyle iletişim kurmasını sağlar. Bir önyükleyiciniz yoksa, belleğe erişmek ve programı yerine koymak için bir Programlayıcı gerekir.

Ana ürün yazılımının önyükleyiciden yeniden programlanmasına izin verilmesine ilişkin diğer doğru cevaplara ek olarak, önyükleyicinin ayrı olmasını sağlamanın başka bir yararı, çalışma sırasında ihtiyacınız olan koddan "açılışta bir kez yap" görevlerini mantıksal olarak ayırabilmenizdir. Ardından, önyükleyici ilk yapılandırma görevlerini tamamladıktan sonra, ana ürün yazılımı, artık gerekli olmayan tüm koduyla önyükleyiciyi bellekten çıkarabilir ve böylece önemli RAM alanı tasarrufu sağlar. Bunu başka yollarla da yapmak mümkün, ancak bootloader / firmware split birçok mimaride bunu çok daha kolaylaştırıyor.

Kısa cevap, yazılımın harika olmasından kaynaklanıyor.

Bootloader'ın "saf donanım" olabileceği her şeye sahip olabilirsiniz. Ancak, bootloader'ın yazılım olarak yazdığı ve sonra donanım tarafından yorumlandığı görevleri yapmak çok, çok, çok daha kolaydır.

Bu görevler, çalışacak "gerçek" yazılımın donanımını (örneğin, bir Raspberry Pi'de (@ErikF aracılığıyla)) çalıştırmayı ve "gerçek" programı çalıştırmadan önce değiştirecek bir protokolü içerebilir (eğer Bu pin ayarlandıktan sonra gerçek programı yeniden başlatır), hatta "gerçek" program için yazılım ortamını kurar.

Daha az mikro ölçekli bir yazılımda, bir çalıştırılabilir dosyayı çalıştırdığınızda uygulama yükleyici hareket eder, verilerinizin bölümlerini belleğe yüklemek gibi şeyler yapar, bazen adresleri düzeltir, ana ya da diğer genel öğelere argümanlar kurar, işletim sistemi tarafından sağlanan kitaplıkları döndürür ve daha sonra _mainkodun başına atlar . Bunlardan bazıları bir bootloader tarafından yapılabilir.

Bir mikro denetleyicide, bir önyükleyicinin yaptığı görevlerden bazıları programa ayrılabilir. Platformunuz için derleyici, "setup" kodunu her çalıştırılabilir dosyaya otomatik olarak enjekte edebilir.

Ancak, önyükleyicide bulundurmak, aynı derleyicinin farklı donanımlar üzerinde çalışabileceği anlamına gelir, çünkü önyükleyici platformlar arasındaki farkı "gizleyebilir".

Ana programın bir flaşının önyükleyiciyi (ve ana programı yeniden başlatma yeteneğini) riske atmadığı ve önemsiz olmayan bir önyükleyiciye sahip olması gerçeğini göz önünde bulundurun.

Ele alınmayan bir cevap, C dilinin sınırlamaları nedeniyle endişelerin ayrılması gereğidir.

Genel olarak önyükleyiciler, Meclis'teki çok erken önyükleme aşaması ile Assembly ve C'nin bir karışımı halinde yazılır.

Bu gibi bazı şeyleri ayarlamak için yapılır:

• C yığınının tahsis edilmesi
• yığın göstergesinin register içine okunması
• program sayacını sicile okumak
• sıfırlama vektörleri bildirme
• ikinci aşamayı (initramfs) RAM içine yerleştirmek.

Bu atılan adımların kabaca bir yaklaşımı ve ARM önyükleme işlemini açıklıyorum, x86 ve diğer mimariler için yine farklı.

Ancak, ilke nedeni aynı kalır: C yığınının tahsis edilmesi montajdan yapılmalıdır.

Şu ana kadar cevaplanmayan sorunun bir kısmı, mikrodenetleyicilerdeki önyükleyiciler ve mikroişlemci sistemleri arasındaki fark.

Mikrodenetleyici

Çoğu mikrodenetleyici, program kodlarını içeren dahili ROM belleğine sahiptir. Bu kodun değiştirilmesi genellikle mikrodenetleyicinin programlama arabirimine bağlanan bir programlayıcı cihaz gerektirir (örneğin, ATMega üzerindeki ISS). Ancak, bu programlama arayüzleri, genellikle diğer bağlamlara kıyasla, kullanım açısından pek uygun değildir, çünkü verilen bağlamda hazır bulunmayabilirler. Örneğin, hemen hemen her bilgisayarda USB bağlantı noktaları bulunurken, ISS için gereken SPI arabirimi daha nadirdir ve ATXMega'da kullanılan PID arabirimi gibi diğer arabirimler yalnızca özel programlama donanımı tarafından desteklenir.

Örneğin, yazılımı herhangi bir harici donanım olmadan normal bir bilgisayardan güncellemek istiyorsanız, cihazı programlamak için farklı bir arabirimden (örn. Arduino'daki gibi USB üzerinden RS232, USB veya RS232) okuyan bir önyükleyici kullanabilirsiniz ortak arayüzler üzerinden.

Bununla birlikte, bu işlevselliğe ihtiyacınız yoksa, bootloader tamamen isteğe bağlıdır. Mikrodenetleyici hala kodunu bootloader olmadan tamamen çalıştırabilir.

mikroişlemci

Bir mikroişlemcide işler biraz farklıdır. Çoğu mikroişlemci, bir önyükleyici için yeterince büyük bir ROM'a sahip olsa da, bu ROM'lar tam bir işletim sistemine sahip olacak kadar büyük değildir. Öyleyse, önyükleyicinin amacı donanımı başlatmak, önyüklenebilir bir işletim sistemi aramak, yüklemek ve çalıştırmaktır. Bu yüzden bootloader her açılışta kritik öneme sahip.

X86 / x64 sistemlerinde bu önyükleyici ya BIOS ya da UEFI'dir (temel olarak BIOS'un daha yeni bir sürümü).

Bazen bir zincirde çalışan birden çok önyükleyici bile olabilir. Örneğin, Windows ve Linux işletim sistemli çift önyükleme sisteminiz varsa aşağıdakilerle sonuçlanabilir:

• BIOS / UEFI önyükleme yapar ve yüklü GRUB'u bulur. Daha sonra GRUB (= Grand Unified Bootloader) yükler
• GRUB bir çeşit Linux ve Windows Bootloader bulur. Kullanıcı Windows Önyükleyiciyi seçer.
• Windows önyükleyici başlatılır ve Windows 7 ile Windows 10'un yüklü olduğunu bulur. Kullanıcı Windows 10'u seçer.
• Windows 10 sonunda açılıyor.

Yani bu durumda, bir bootloader olarak kabul edilebilecek üç adet yazılım vardı. Hem GRUB hem de Windows Önyükleyici, kullanıcıya BIOS / UEFI'nın verdiğinden daha uygun bir önyükleme seçimi seçeneği sunmak için çoğunlukla oradadır. Aynı zamanda birden fazla işletim sisteminin aynı sabit sürücüden, hatta aynı bölümden başlatılmasını sağlar.

TLDR

Bu yüzden, her iki sistemde de bootloader benzer şeyler yapar (kullanıcının hangi kodu seçeceğini seçmesine yardımcı olur), bunu nasıl yaptıkları ve tam olarak ne yaptıkları konusunda büyük farklılıklar gösterir.