Arduino Bootstrap

Question

有人可以解释一下Arduino bootloader作品？我不是在这里寻找高级答案，我已经阅读了代码并了解了它的要点。

Arduino IDE 和引导加载程序代码之间发生了一系列协议(protocol)交互，最终产生了许多内联汇编指令，这些指令通过串行接口(interface)传输的程序对闪存进行自编程。

我不清楚的是第 270 行:

void (*app_start)(void) = 0x0000; 

...我认为这是函数指针的声明和初始化为 NULL。在引导加载程序旨在委托(delegate)执行用户加载的代码的地方有对 app_start 的后续调用。

当然，不知何故 app_start需要在某个时候获得一个非 NULL 值才能将其全部结合在一起。我没有在引导加载程序代码中看到它......它是否被引导加载程序加载的程序神奇地链接了？我认为引导加载程序的 main 是芯片复位后进入软件的入口点。

在大约 70 行汇编代码中包起来的一定是 secret 解码器环，它告诉主程序 app_start 到底在哪里？或者也许是 Arduino IDE 利用了一些隐含的知识？我所知道的是，如果有人不将 app_start 更改为指向 0 以外的某个位置，则引导加载程序代码将永远自转……那么有什么技巧呢？

编辑

我有兴趣尝试将引导加载程序移植到没有用于引导加载程序代码的单独内存空间的 Tiny AVR。很明显，引导加载程序代码依赖于某些 fuse 设置和芯片支持，我想我真正感兴趣的是将引导加载程序移植到没有这些 fuse 和硬件的芯片上需要什么支持(但仍具有自编程能力)？

Answer 1

在 NULL
地址 0 不是空指针。 “空指针”是更抽象的东西:适用的函数应该识别为无效的特殊值。 C 表示特殊值是 0，虽然语言说取消引用它是“未定义的行为”，但在简单的微 Controller 世界中，它通常具有非常明确的效果。
ATmega 引导加载程序
通常，在复位时，AVR 的程序计数器 (PC) 被初始化为 0，因此微 Controller 开始执行地址 0 处的代码。
但是，如果设置了引导复位熔丝(“BOOTRST”)，程序计数器将被初始化为内存上端块的地址(这取决于熔丝的设置方式，请参阅 a datasheet (PDF，7 MB)的细节)。从那里开始的代码可以做任何事情——如果你真的想要你可以把你自己的程序放在那里，如果你使用 ICSP(引导加载程序通常不能覆盖自己)。
但通常情况下，它是一个特殊的程序 - bootstrap — 能够从外部源(通常通过 UART、I2C、CAN 等)读取数据以重写程序代码(存储在内部或外部存储器中，取决于微型)。引导加载程序通常会寻找一个“特殊事件”，它实际上可以是任何东西，但对于开发来说，最方便的是数据总线上的某些东西，它将从中提取新代码。 (对于生产，它可能是引脚上的特殊逻辑电平，因为它几乎可以立即检查。)如果引导加载程序看到特殊事件，它可以进入引导加载模式，在那里它会刷新程序存储器，否则它会通过控制关闭用户代码。
顺便说一句，引导加载程序 fuse 和高端内存块的重点是允许使用引导加载程序而无需修改原始软件(只要它不会一直延伸到引导加载程序的地址)。不是只用原始的 HEX 和所需的 fuse 闪烁，你可以刷新原始的十六进制、引导加载程序和修改后的 fuse ，并快速添加引导加载程序。
无论如何，在 Arduino 的情况下，我相信它使用来自 STK500 的协议(protocol)。 ，它尝试通过 UART 进行通信，如果在分配的时间内没有响应:

uint32_t count = 0;
while(!(UCSRA & _BV(RXC))) { // loops until a byte received
    count++;
    if (count > MAX_TIME_COUNT) // 4 seconds or whatever
        app_start();
}

或者如果它因获得意外响应而出错太多:

if (++error_count == MAX_ERROR_COUNT)
    app_start();

它将控制权传递回位于 0 的主程序。在上面看到的 Arduino 源代码中，这是通过调用 app_start(); 来完成的。 ，定义为 void (*app_start)(void) = 0x0000; .
因为它是一个 C 函数调用，所以在 PC 跳到 0 之前，它会将当前 PC 值推送到堆栈中，该堆栈还包含引导加载程序中使用的其他变量(例如，上面的 count 和 error_count)。这是否会从您的程序中窃取 RAM？好吧，在 PC 设置为 0 之后，公然执行的操作“违反”了正确的 C 函数(最终会返回)应该执行的操作。在其他初始化步骤中，它重置堆栈指针(有效地清除调用堆栈和所有局部变量)，回收 RAM。全局/静态变量初始化为 0，其地址可以与引导加载程序使用的任何内容自由重叠，因为引导加载程序和用户程序是独立编译的。
引导加载程序唯一持久的影响是对硬件(外设)寄存器的修改，一个好的引导加载程序不会让这些寄存器处于有害状态(打开可能在您尝试 sleep 时浪费电力的外设)。完全初始化您将使用的外围设备通常是一种很好的做法，因此即使引导加载程序做了一些奇怪的事情，您也可以按照自己的意愿进行设置。
ATtiny 引导加载程序
在 ATtinys 上，正如您所提到的，引导加载程序 fuse 或内存并不奢侈，因此您的代码将始终从地址 0 开始。您可以将引导加载程序放入更高的内存页面，并将您的 RESET 向量指向它，然后每当你收到一个新的十六进制文件来闪存时，采取地址 0:1 的命令，用引导加载程序地址替换它，然后将替换的地址存储在其他地方以调用正常执行。 (如果是 RJMP(“相对跳转”)，显然需要重新计算该值)