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引導(dǎo)加載器支持產(chǎn)品固件的現(xiàn)場更新。引導(dǎo)加載器可使用 UART、I2C、SPI 或 USB 等常見通信接口更新固件，而引導(dǎo)加載器主機(jī)和目標(biāo)之間通常采用有線連接方式。在藍(lán)牙到串行適配器的幫助下，這個引導(dǎo)加載操作能通過無線方式實(shí)現(xiàn)。如果目標(biāo)所處的位置難以物理地訪問，或者目標(biāo)位于密封設(shè)備內(nèi)，那么這種無線連接功能就會特別有用。
使用引導(dǎo)加載器的第一步就是配置產(chǎn)品，讓引導(dǎo)加載器（而不是應(yīng)用）去執(zhí)行。一旦引導(dǎo)加載器運(yùn)行，主機(jī)就會通過通信通道發(fā)送“start bootload”命令。如果引導(dǎo)加載器發(fā)出“OK”回應(yīng)，那么就會開始引導(dǎo)加載。在引導(dǎo)加載期間，主機(jī)讀取新應(yīng)用文件，將其解析為閃存寫入命令，并發(fā)送命令到引導(dǎo)加載器。在整個文件發(fā)送后，引導(dǎo)加載器會確認(rèn)文件完整性，并發(fā)送控制到新應(yīng)用。
采用藍(lán)牙到串行適配器的無線引導(dǎo)加載過程可在任何支持 UART 引導(dǎo)加載器的目標(biāo)上進(jìn)行，無需使用藍(lán)牙串行端口配置文件（SPP）對運(yùn)行在目標(biāo)設(shè)備上的主機(jī)或引導(dǎo)加載器固件進(jìn)行任何修改。藍(lán)牙配置文件是指定藍(lán)牙設(shè)備一般行為的藍(lán)牙核心規(guī)范上額外的協(xié)議，可用于支持藍(lán)牙設(shè)備與其它具有相同配置文件的設(shè)備進(jìn)行通信。
SPP 基于仿真 RS-232 串行端口的射頻通信（RFCOMM）協(xié)議，它定義了如何設(shè)置兩個設(shè)備之間的虛擬串行端口，如何利用藍(lán)牙互聯(lián)。支持藍(lán)牙功能的 PC 能連接到目標(biāo)側(cè)的藍(lán)牙串行適配器，并進(jìn)行引導(dǎo)加載操作。引導(dǎo)加載命令可通過發(fā)送串行命令到當(dāng)前運(yùn)行在目標(biāo)器件上的應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)無線觸發(fā)。
引導(dǎo)加載器
引導(dǎo)加載過程會通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口更新嵌入式系統(tǒng)的固件。主機(jī)可以是帶引導(dǎo)加載器主機(jī)應(yīng)用工具的 PC，也可以是另一個微控制器。引導(dǎo)加載器是加電啟動或系統(tǒng)重設(shè)后將要執(zhí)行的第一行代碼。引導(dǎo)加載器會預(yù)編程到微控制器中，與主機(jī)通信，并獲得新的應(yīng)用鏡像，將其寫入微控制器的內(nèi)部閃存。在引導(dǎo)加載操作成功后，微控制器會開始執(zhí)行新的應(yīng)用固件。如果沒有從主機(jī)接收到新的應(yīng)用，那么引導(dǎo)加載器會執(zhí)行微控制器中現(xiàn)有的應(yīng)用。
應(yīng)用固件鏡像的格式取決于使用的微控制器。舉例來說，PSoC 控制器使用 .cyacd（應(yīng)用代碼和數(shù)據(jù)）作為引導(dǎo)加載應(yīng)用的格式。如果采用標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙到串行適配器，那么我們可在支持 UART 引導(dǎo)加載器的目標(biāo)器件上無線執(zhí)行同樣的引導(dǎo)加載操作。
在利用藍(lán)牙到串行適配器進(jìn)行無線引導(dǎo)加載的情況下，基本的引導(dǎo)加載操作保持不變。不過，我們需要在主機(jī)和目標(biāo)器件之間建立虛擬串行連接，通過藍(lán)牙無線發(fā)送應(yīng)用鏡像。SPP 定義了如何設(shè)置虛擬串行端口和兩個藍(lán)牙設(shè)備的互聯(lián)，隨后允許設(shè)備進(jìn)行 RS232（或類似的）串行線纜仿真。這種配置文件涵蓋的情境能支持傳統(tǒng)應(yīng)用，這里藍(lán)牙作為線纜連接的替代，使用虛擬串行端口抽象。利用 SPP，互聯(lián)設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)就像互聯(lián)的 RX 和 TX 線路一樣。
圖 1 顯示了 SPP 中使用的協(xié)議和實(shí)體。基帶、LMP 和 L2CAP 是 OSI 中的第 1 層和第 2 層藍(lán)牙協(xié)議。RFCOMM 是藍(lán)牙版 GSM TS 07.10 標(biāo)準(zhǔn)，GSM 手機(jī)用它在一個物理串行線纜上多路復(fù)用多個流，為串行端口仿真提供通信協(xié)議。SDP 是藍(lán)牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議，支持藍(lán)牙設(shè)備發(fā)現(xiàn)其它藍(lán)牙設(shè)備提供的服務(wù)和相關(guān)參數(shù)。
圖 1：配置文件協(xié)議棧包括 SPP 使用的不同協(xié)議和實(shí)體。
就使用 SPP 的無線引導(dǎo)加載而言，兩側(cè)運(yùn)行的應(yīng)用為 PC 上的引導(dǎo)加載器主機(jī)應(yīng)用或主機(jī)微控制器上的 UART 接口以及目標(biāo)系統(tǒng)上的 UART 引導(dǎo)加載器。
Bluefruit EZ-Link 模塊或 JY-MCU 模塊等標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙到串行適配器能配對具備藍(lán)牙功能的計算機(jī)，并顯示為串行 COM 端口。將藍(lán)牙模塊和 PC 配對后，設(shè)備管理器中會列出兩個串行 COM 端口。之所以會出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)樗{(lán)牙串行端口是基于 RFCOMM，與物理串行端口不同，它在建立藍(lán)牙虛擬連接時同時需要服務(wù)器和客戶端。
設(shè)備管理器中列出的一個端口是入站端口（服務(wù)器），另一個則是出站端口（客戶端）。然而，用其中一個串行端口建立連接后，它就是雙向的。如果 PC 發(fā)起與藍(lán)牙模塊的連接，則使用出站端口。如果藍(lán)牙模塊發(fā)起連接，則使用入站端口。對于目標(biāo)系統(tǒng)的無線引導(dǎo)加載而言，必須使用出站端口，因?yàn)?PC 是主機(jī)，它必須發(fā)起與藍(lán)牙模塊的連接。
藍(lán)牙模塊必須連接到運(yùn)行 UART 引導(dǎo)加載器的目標(biāo)系統(tǒng)上的 UART 接口。舉例來說，在關(guān)閉電路板的 USB 到串行部分以無線引導(dǎo)加載 PSoC 4 的情況下，藍(lán)牙模塊可連接到 CY8CKIT-049 PSoC 4 原型設(shè)計套件。PSoC 4 原型設(shè)計板易于使用，成本較低，能在主板兼容報頭上提供 PSoC 4 微控制器的所有 I/O 引腳，從而支持快速原型設(shè)計，而且配套提供預(yù)編程的 UART 引導(dǎo)加載器。
藍(lán)牙模塊的波特率應(yīng)匹配目標(biāo)系統(tǒng)上引導(dǎo)加載器配置的波特率。大多數(shù)藍(lán)牙模塊支持 AT 命令來配置模塊的波特率，這需要用到 USB-UART 橋接器或配備 UART 接口的微控制器。PSoC 4 原型設(shè)計板的 USB- 串行器件部分也可利用 AT 命令配置藍(lán)牙模塊的波特率。引導(dǎo)加載器主機(jī)應(yīng)用工具則用藍(lán)牙虛擬串行端口來無線執(zhí)行引導(dǎo)加載操作。
圖 2：系統(tǒng)級方框圖顯示主機(jī)和目標(biāo)系統(tǒng)的不同組件。
如果引導(dǎo)加載器主機(jī)是另一個微控制器，那么無線引導(dǎo)加載程序仍會在其它藍(lán)牙到串行適配器（連接到主機(jī)微控制器 UART 接口）的幫助下進(jìn)行。對于不支持藍(lán)牙的 PC 而言，標(biāo)準(zhǔn)的 USB 藍(lán)牙收發(fā)器可用來建立藍(lán)牙模塊連接。
成功引導(dǎo)加載后，目標(biāo)系統(tǒng)會開始執(zhí)行新的應(yīng)用。如果需要引導(dǎo)加載另一個新應(yīng)用，那么目標(biāo)系統(tǒng)必須重啟，以再次啟動引導(dǎo)加載器。如果應(yīng)用調(diào)用引導(dǎo)加載器，就能避免這一過程。引導(dǎo)加載的應(yīng)用響應(yīng)于某種外部事件，如按下按鍵或主機(jī)發(fā)出的具體數(shù)據(jù)命令，從而再次啟動引導(dǎo)加載操作，在目標(biāo)系統(tǒng)上載入新的應(yīng)用。
此外，低功耗藍(lán)牙（BLE）模塊也可用于無線引導(dǎo)加載。與傳統(tǒng)藍(lán)牙不同的是，低功耗藍(lán)牙不使用 SPP。不過，對于低功耗藍(lán)牙而言，所有配置文件和服務(wù)支持全部位于應(yīng)用空間內(nèi)。產(chǎn)品開發(fā)人員能在通用屬性配置文件（GATT）基礎(chǔ)上開發(fā)自己的串行端口服務(wù)，滿足 BLE 模塊需求，并將其用于無線引導(dǎo)加載。
引導(dǎo)加載器的設(shè)計考慮因素：
穩(wěn)健可靠的引導(dǎo)加載器應(yīng)當(dāng)能夠檢測、報告并有效處理無線引導(dǎo)加載過程中出現(xiàn)的錯誤，如傳輸過程中的數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)損壞和閃存寫入錯誤等。通過存儲應(yīng)用的校驗(yàn)和或循環(huán)冗余碼（CRC），可以執(zhí)行閃存錯誤校驗(yàn)。在引導(dǎo)加載操作開始后，位會被清空。如果應(yīng)用成功下載并安裝，就會更新。舉例來說，如果在引導(dǎo)加載時斷電，那么在重啟時引導(dǎo)加載器應(yīng)檢測無效的校驗(yàn)位，而且不會讓部分加載的應(yīng)用獲得控制權(quán)，而是等待主機(jī)啟動新的引導(dǎo)加載操作。
一旦新應(yīng)用實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)加載，那么引導(dǎo)加載器必須確認(rèn)引導(dǎo)加載鏡像是否有效，并讓新應(yīng)用獲得控制權(quán)。引導(dǎo)加載器還應(yīng)當(dāng)能檢查閃存中的自身鏡像，判斷其是否有效。另一個重要考慮因素是避免應(yīng)用覆蓋引導(dǎo)加載器本身。如果引導(dǎo)加載器損壞或被應(yīng)用覆蓋，那么系統(tǒng)就無法工作，需要對系統(tǒng)的引導(dǎo)加載器進(jìn)行重新編程。為了避免這種情況，閃存的引導(dǎo)加載器區(qū)域必須進(jìn)行保護(hù)，避免引導(dǎo)加載器代碼被意外覆蓋。
引導(dǎo)加載器設(shè)計的另一個重要考慮因素就是何時開始與主機(jī)通信。在確認(rèn)應(yīng)用有效后，引導(dǎo)加載器可等待一定時間讓主機(jī)開始新的引導(dǎo)加載操作。如果等待時間過短，主機(jī)可能還無法可靠啟動通信。如果等待時間過長，產(chǎn)品的整體啟動時間就會太長。與引導(dǎo)加載新應(yīng)用時避免設(shè)備重啟的解決方案類似，這個時序問題可通過讓應(yīng)用調(diào)用引導(dǎo)加載器進(jìn)行解決。
為了確保目標(biāo)系統(tǒng)無錯誤，我們可用多應(yīng)用引導(dǎo)加載器在閃存中存儲多個應(yīng)用鏡像。如果引導(dǎo)加載器檢測到某個應(yīng)用鏡像被損壞，那么引導(dǎo)加載器能跳到另一個應(yīng)用鏡像。能夠保存的應(yīng)用數(shù)量取決于目標(biāo)系統(tǒng)的閃存大小。
此外，引導(dǎo)加載器中還可包含簡單的調(diào)試功能，可用 UART 接口和 Tera Term 等終端仿真程序?qū)崿F(xiàn)，從而在 PC 上顯示調(diào)試信息。調(diào)試信息還能用相同的藍(lán)牙到串行調(diào)試器無線發(fā)送。
定制引導(dǎo)加載器主機(jī)工具：
不同微控制器可直接使用標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)加載器主機(jī)工具應(yīng)用，無需對 SPP 的無線引導(dǎo)加載進(jìn)行任何修改。然而，引導(dǎo)加載器主機(jī)工具可以進(jìn)行定制，從而更好地滿足無線引導(dǎo)加載需求，并嵌入終端仿真器窗口，以查看調(diào)試信息，甚至能通過 SPP 無線發(fā)送具體數(shù)據(jù)來從應(yīng)用中調(diào)用引導(dǎo)加載器。圖 3 顯示了具有嵌入式終端仿真器窗口的定制引導(dǎo)加載器主機(jī)工具應(yīng)用實(shí)例。為充分利用終端仿真器，引導(dǎo)加載到目標(biāo)系統(tǒng)的任何新應(yīng)用都必須包含 UART 接口，并能在主機(jī)向目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)送具體數(shù)據(jù)時調(diào)用引導(dǎo)加載器。UART 接口可在引導(dǎo)加載器和應(yīng)用之間共享。
圖 3：具有嵌入式終端仿真器窗口的定制引導(dǎo)加載器主機(jī)工具應(yīng)用實(shí)例。
如果采用稍微復(fù)雜的多應(yīng)用引導(dǎo)加載器設(shè)計，我們也能利用 SPP 從主機(jī)向目標(biāo)系統(tǒng)無線發(fā)送不同消息，從而在閃存中切換存儲的多個應(yīng)用，這就能節(jié)約新應(yīng)用引導(dǎo)加載所需的時間。
