单片机成长之路（avr基础篇）- 003 AVR单片机的BOOT区

Posted 2020-11-06 极客先锋

　　BOOT区的由来基于一个简单的道理，即单片机的程序是保存在FLASH中的，要运行程序就必须不停的访问FLASH存储器。对于一般的FLASH存储器，数据的写入需要一定的时间来完成，在数据写入完成之前，存储器中所有的数据都是不可读的，这就在运行旧程序和写入新程序之间造成了一个矛盾。

　　使用BOOT区是解决这个矛盾的方法之一，它将FLASH存储器从物理上分为两个独立的区域，对其中的一个区的数据写入不会影响到另一个区的数据读取操作。我们可以让单片机的程序在其中一个区（通常是BOOT区）运行，而运行着的程序代码写入另外一个区（通常为应用程序区）内。

　　AVR高档单片机ATmega系列中含有BOOT代码区,即程序引导区,也可称器件自身监控区,有了此BOOT区监控,该器件就可对自己器件的Flash程序存储器及EEPROM数据存储器进行读、写操作,即实现自编程功能,也可称IAP在系统应用中编程,这种自编程程序区我们称其用户管理程序,简称用户程序。

　　BOOT区大小可根据实际需要用寄存器设定,并可锁定加密,使外界无法读取其监控。如果BOOT区监控设计得好,可把该器件的主要、关键控制对象放在BOOT区监控内(如中断控制),其它工作让用户自己设计,可变成傻瓜式控制器、检测仪,可远程对嵌入式设备进行检测、维护、升级等操作。也可通过有线、无线网络监控设备。实现秀才不出门,也可管世界。这种带BOOT区监控的AVR器件,可应用于程序、数据需变动的场合;可用于自适应、自修正场合;可用于闭环控制,人工智能; 可用于统一计量、计价,又必须在同一时间内快速调正的设备中(例:IC卡计费电话机); 可用于……
　　有了BOOT区监控,用户程序可通过单片机通讯口与PC机RS232接口来写用户程序,可省去AVR串行或并行下载电缆,这对外出维护设备带来方便。双龙SL-MEGA8开发实验器出厂就提供BOOT区演示监控,用标准RS232通讯电缆就可做程序下载实验(对Flash程序存储器及EEPROM数据存储器实验擦、写、读取)。这样对有的AVR高档单片机编程方法有:编程器编程,ISP串行、并行下载编程,JTGA线编程,IAP在应用中编程(仅用串行通讯线)多种形式,给科研、生产带来方便。可以自己设计编程器件，对用户将提供BOOT区监控方案框架,你只需简单连接,就可组成自己的BOOT区监控。以上设计思想也适合所有AVR高档单片机ATmega系列中含带有BOOT代码区的器件。

  　　AVR的BOOTLOAD功能同其它一些芯片不同，它的BOOTLOAD程序没有固化在芯片内部（出厂为空），而是需要由用户设计实现（实际上，你第一次下载BOOTLOAD程序还必须使用其它的方式编程，如ISP、JTAG等），因此对一般的用户掌握起来有一定的困难，不如一些其它芯片的BOOTLOAD使用方便。但对高手来讲，可以根据实际需要编写高级、高效、专用的BOOTLOAD程序，如从一个U盘读取数据，更新用户的应用程序；编写一个时间炸弹，或对用户的密码进行验证，10次不对则将系统程序销毁等等。简单意味着使用方便，但灵活和适应性差，而灵活性需要你具备更高的能力去驾驭它。可能会有一天，在单片机的系统上也出现了“病毒”程序，其原因就是使用了固化的BOOTLOAD程序。由于固化的程序必须有统一开放的接口，那么用一个带“病毒”的应用程序更新原来的应用程序也就轻而易举了。

 

相关问题的总结：

1.AVR自编程是如何实现的？
答：要想回答这个问题必须先了解AVR的FLASH的分区结构：AVR单片机FLASH分成RWW(READ-WHILE-WRITE)和NRWW(NO-READ-WHILE-WRITE)两个区;其中RWW区的含义是：如果Boot Loader 软件是对RWW 区内的某一页进行编程，则可以从Flash 中读取代码，但只限于NRWW 区内的代码。在Flash 编程期间，用户软件必须保证没有对RWW 区的读访问。如果用户软件在编程过程中试图读取位于RWW 区的代码( 如通过call/jmp/lpm指令或中断)，软件可能会终止于一个未知状态。为了避免这种情况的发生，需要禁止中断或将其转移到Boot Loader 区。Boot Loader 总是位于NRWW 存储区。只要 RWW 区处于不能读访问的状态，存储程序存储器控制和状态寄存器(SPMCSR) 的RWW 区忙标志位RWWSB 置位。编程结束后，要在读取位于RWW 区的代码之前通过软件清除RWWSB。而NRWW区的含义是：在Boot Loader 软件更新RWW 区的某一页时，可以读取位于NRWW 区的代码。当 BootLoader 代码更新NRWW 区时，在整个页擦除或写操作过程中CPU 被挂起。而且AVR还自带读写程序区的指令（LPM读程序区指令，SPM写程序区指令），实现程序的更新操作。
================================================================================
2.能否在进行自编过程中，修改复位中断向量的位置（从APP区移至BOOTLOADER区或者相反）？
答：不能。我们一般通过编程Boot复位熔丝位使得复位向量指向Boot 区的起始地址。这样，复位后BOOT Loader 立即就启动了。加载了应用代码后，程序再开始执行应用代码。但，有一点必须指出的是，MCU 本身不能改变熔丝位的设置。也就是说，一旦Boot 复位熔丝位被编程，复位向量将一直指向Boot 区的起始地址。熔丝位只能通过串行或并行编程的方法来改变。故，在自编程过程中，无法实现修改复位中断向量的位置。
================================================================================
3.如何将一个函数定义在BOOT区呢？
答：首先对函数进行连接编译声明，再先修改MAKEFILE里连接编译的相关选项如M16里想将GETCHAR(VOID)定位在BOOT区里则：
(1)声明GETCHAR(VOID __attribute__ ((section (".bootloader")));
(2)在"LDFLAGS=-Wl,-Map=$(TRG).map,--cref"行加进",--section=.bootloader=0x3800"声明即可
================================================================================ 
4.如何将整个工程连接编译的起始地址定义在BOOT区首地址
答：只需修改MAKEFILE里的TEXT段的值即可
如："LDFLAGS=-Wl,-Map=$(TRG).map,--section-start=.text=0x3800"
================================================================================
5.在编译BOOTLOADER时设置引导程序的起始，为什么与STUDIO显示的设置RWW区大小显示的不一样如设置M16时会显示(Boot Flash size = 1024 words Boot start address=$1c00;[BOOTSZ=00]:default而在MAKEFILE里则是.startsection.bootsection=0x3800呢？
答：在STUDIO里是用字描述地址，而在GCC却用字节描述。
================================================================================
6.实现AVR的BOOTLOADER工作需要注意那些事项？
答：

(1)了解AVR的FLASH的结构分区的含义及APPLICATION；
(2)理解AVR GCC的BOOT.H库文件的例子，并进行测试；
(3)懂得利用AVR GCC的MAKFILE连接编译选项，修改函数或者程序的编译时重定位操作；
(4)进行简单仿真的测试；
(5)策划正确而安全的通讯协议与上位机软件进行通讯；