1、概述
在嵌入式作業系統中，BootLoader是在作業系統核心運作之前運作的一段代碼。
他的作用就是為作業系統核心準備好運作環境，比如初始化必要的裝置硬體，建立記憶體映射圖等。
bootloader不一定隻有一個，有些作業系統有兩級的bootloader，第一級bootloader和第二級bootloader分别完成不同的功能。
二級bootloader功能如下：
1）提供OTA更新運作環境
OTA的差分及壓縮更新功能，需要一個與OS及APP隔離的運作環境，用于差分恢複運作區版本。該運作環境可以在一級bootloader中實作，但是一級bootloader通常是晶片或者模組廠商提供，而且很多晶片及模組廠商未提供bootloader的源碼，無法保證可以在所有的一級bootlaoder中實作。
2）充分利用記憶體空間
在二級bootloader運作時，OS還未啟動，二級bootloader可以使用全部的記憶體空間，用于差分解壓算法等比較耗記憶體的操作。OS啟動後，将整個系統記憶體重新初始化，也可以使用全部記憶體空間，二級bootloader使用了多少記憶體對OS無影響。這樣可以達到記憶體的充分利用。
3）版本自動復原
可以提供版本復原功能，版本更新後，如果啟動失敗，可以通過二級bootloader自動復原到更新前可正常運作的版本。
4）裝置本地更新。
可以支援裝置在不直接聯網的場景下，通過本地更新功能，作為子裝置更新。
2、二級bootloader總體架構
2.1、實體部署
如上圖所示，二級bootloader介于一級bootloader與OS之間，與一級bootloader及OS共用FLASH空間，運作時獨享系統RAM空間。
2.2、二級bootloader對外功能
1）UART驅動、FLASH驅動級Watchdog驅動，需要獨立運作，不能對一級bootloader及OS産生符号依賴。可以對一級bootloader有功能依賴，不能對OS有功能依賴。
2）FLASH分區表中二級boot相關的配置需要與OS的FLASH分區表二級boot相關的配置完全一緻。
3、二級bootloader詳細設計方案
3.1、二級bootloader啟動流程
3.1.1、二級bootloader加載啟動
對于一級bootloader來說，二級bootloader與OS一樣，是一個被引導啟動的application，是以二級bootloader編譯及啟動方式與OS基本相同。
由于每個MCU，bootloader啟動OS的方式不一樣，是以二級bootloader被一級bootloader引導啟動的方式也不盡相同。目前AliOS Things支援的MCU，通常有下面幾種啟動引導方式：
1）一級bootloader從固定位址跳轉到二級bootloader的入口執行。目前，mk3060及developerkit等采用的這種方式。
2）一級bootloader從固定位址讀取二級bootloader的入口函數位址，再跳轉到二級bootloader入口執行。目前，mk3080采用的是這種啟動方式。
3）有多個固定的FLASH啟動位址，一級bootloader根據FLASH中的固定參數，決定從哪個FLASH位址啟動。developerkit等STM32系列的MCU均是該方式啟動。
注：mk3080的一級bootloader實際也有選擇啟動位址的過程，選擇完後，再按照步驟2啟動。
下面詳述一下一級bootloader加載啟動二級bootloader的流程。
二級bootloader加載啟動流程
二級bootloader加載啟動流程2
FLASH排列規則如下：
注：部分MCU是一級bootloader實作，一級bootloader會将二級bootloader的data段資料拷貝到RAM中。目前mk3060，是二級bootloader自己拷貝的data段資料；mk3080是一級bootloader加載二級bootloader前完成。
該流程，由一級bootloader完成，二級bootloader本身不需要操作，隻需要按照MCU要求OS的編譯連結方式生成bin檔案即可。
3.1.2、二級bootloader記憶體初始化
将data段資料拷貝到RAM中對應位址
該操作，需要在FLASH中找到data段的起始位址和結束位址，以及在RAM中的起始位址和結束位址，然後将FLASH中的data資料拷貝到RAM中。
對于大部分CPU，data段的起始和結束位址，定義在連結腳本中，代碼通過extern變量方式擷取。少量MCU，如mk3080，需要按照特殊方式擷取（3080的特殊方式，可以參加3080二級bootloader加載啟動流程章節）。
bss段資料清0
該操作需要在RAM中找到bss段的起始位址和結束位址，然後将RAM中對應位址的資料清0。
所有的MCU，bss段的起始和結束位址，都可以直接定義在連結腳本中，代碼通過extern變量方式擷取。
動态記憶體管理
二級bootloader在運作OTA差分功能時，需要使用動态記憶體申請及釋放功能。是以要求二級bootloader中支援動态記憶體管理。
二級bootloader中，使用的動态記憶體範圍在二級bootloader的連結腳本中定義，從二級bootloader的bss段結束，到recovery棧空間開始的範圍。記憶體管理使用與OS相同的動态記憶體管理算法。
3.2、二級bootloader引導啟動OS流程
3.2.1、OS啟動流程
二級bootloader引導啟動OS的流程，基本與一級bootloader引導啟動二級bootloader的流程相同。基本也分2種方式：固定位址跳轉和從固定位址讀取入口函數位址跳轉，詳見二級bootloader啟動流程種的描述。
下面以mk3060和mk3080為列，詳述一下二級bootloader加載啟動OS的流程。
二級bootloader加載啟動OS流程
注意：FLASH燒寫，需要4K對齊，是以需要從0x1C000開始燒寫。而OS的起始FLASH位址需要從0x1C01C開始，是以需要在OS的bin檔案頭部補充0x1C byte的填充資料。
3.2.2、中斷向量表
二級bootloader本身不進行中斷，全程禁止中斷運作（序列槽中斷除外），但是在OS啟動後，需要将中斷送給OS。目前有幾種實作方式，如下：
采用逐級中斷向量表跳轉方式，硬體産生中斷後，先進入一級bootloader，一級bootloader轉給二級bootloader，二級bootloader轉給OS。
OS啟動後，直接将中斷注冊給MCU SDK提供的中斷機制。
硬體觸發中斷後，直接調用中斷處理回調函數。
直接修改中斷向量表入口位址
OS啟動後，設定MCU硬體寄存器，将中斷向量表位址設定為OS内部中斷向量表位址。硬體産生中斷後，直接進入OS的中斷向量表。developerkit目前采用的這種方式。
3.3、二級bootloader運作流程
3.3.1、運作流程
說明：1）在recovery中，也會初始化序列槽。
2）一旦進入recovery流程，不能再傳回啟動OS的流程，需要重新開機後再進入。
3）一旦進入指令行模式，不能再傳回啟動OS的流程，需要重新開機後進入。
4）部分MCU，OS的啟動入口位址是寫死的，不需要動态擷取。
3.4、指令行功能
指令行功能，運作開發者通過序列槽輸入指令方式，查詢版本資訊、進行本地更新等操作。
3.4.1、進入流程
在判斷是否需要進入指令行模式時，會持續讀序列槽100ms，如果讀到字元'w'，就會進入指令行模式。
進入後，會列印二級bootloader版本号，以及指令提示資訊。然後等待使用者進一步輸入序列槽指令。
3.4.2、支援指令
1）列印運作區版本号及備份區版本号。
2）Xmodem讀寫flash
3）Ymodem讀寫flash
4）USB更新
5）Canbus更新
6）版本回退到備區
7）reboot
說明，上面指令，支援配置項配置，通過配置項決定是否支援對應功能。
3.5、異常處理
二級bootloader中發生異常時，直接reset。
4、現有系統影響分析
4.1、FLASH空間
4.1.1、FLASH空間消耗增多
增加二級bootloader功能後，相對于沒有實作二級bootloader以及差分更新的裝置，會增加36k的FLASH消耗。對于已經實作差分更新的裝置，會增加16k的FLASH消耗。
增加的FLASH消耗主要是由下面幾方面導緻：
1）增加了二級bootloader的處理邏輯，代碼需要消耗FLASH空間。
2）增加了指令行處理功能，相關代碼需要消耗FLASH空間。
3）增加雙備份及復原功能，相關代碼需要消耗FLASH空間。
4）增加了任意時刻斷點續傳功能，增加了8K的備份資料區。
4.1.2、FLASH空間規劃發生變化
增加二級boot及差分功能後，會導緻FLASH空間規劃發生變化。原因如下：
1）二級bootloader在FLASH中的位置，需要位于一級bootloader之後，OS之前。
2）增加了一個8K備份區，用于備份二級bootloader及差分參數，一級備份斷點續傳資料。
4.2、版本燒寫方式
4.2.1、目前燒寫方式
目前燒寫方式歸納一下，存在下面2種燒寫方式：
OS的bin檔案單獨燒寫。
OS與bootloader的bin作為一個檔案一起燒寫。
4.2.2、增加二級bootloader後燒寫方式
增加二級bootloader後，有下面3種方式：
可行方案：
1）對于一級bootloader可以燒寫的裝置
将二級bootloader與一級bootloader合并成一個bin檔案，單獨燒寫。OS的bin檔案單獨燒寫。
2）對于一級bootloader不可以燒寫（或者不需要燒寫）的裝置
将二級bootloader單獨燒寫。OS的bin檔案單獨燒寫。
4.3、啟動時間
由于需要支援指令行模式，在每次啟動時，會有100ms的等待按鍵輸入的時間。導緻每次啟動會慢100ms。
5、移植說明
5.1、概述
二級bootloader實作，依賴UART驅動、FLASH驅動、WatchDog驅動，需要能夠被一級bootloader啟動，需要能夠加載啟動OS的bin。
5.2、啟動引導
啟動引導，需要實作下列功能：
1）能夠被一級bootloader引導啟動
2）能夠找到OS的data段在flash中的位置，以及在RAM中的位置，啟動OS前，将data段拷貝到RAM中。
2）能夠找到OS的入口位址，啟動OS。
3）能夠将中斷和異常轉給OS。
5.3、UART驅動移植
UART驅動，需要提供下列功能：
5.4、FLASH驅動移植
FLASH驅動，需要提供下列功能：
5.5、WatchDog驅動移植
WatchDog驅動，需要提供下列内容：
5.6、記憶體管理
記憶體管理，主要需要提供動态管理記憶體的起始位址和結束位址，方式如下：
5.7、複位及延時
需提供如下接口：