nRF5 SDK Bootloader and DFU moudles(1)

在嵌入式操作系统中，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。在一个基于ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。

启动过程

Bootloader启动大多数都分为两个阶段。

第一阶段主要包含依赖于CPU的体系结构硬件初始化的代码，通常都用汇编语言来实现。这个阶段的任务有：基本的硬件设备初始化（屏蔽所有的中断、关闭处理器内部指令/数据Cache等）。为第二阶段准备RAM空间。

如果是从某个固态存储媒质中，则复制Bootloader的第二阶段代码到RAM。
设置堆栈。
在第一阶段中为什么要关闭Cache？通常使用Cache以及写缓冲是为了提高系统性能，但由于Cache的使用可能改变访问主存的数量、类型和时间，因此Bootloader通常是不需要的。
跳转到第二阶段的C程序入口点。
第二阶段通常用C语言完成，以便实现更复杂的功能，也使程序有更好的可读性和可移植性。这个阶段的任务有：
初始化本阶段要使用到的硬件设备。
检测系统内存映射。
将内核映像和根文件系统映像从Flash读到RAM。
为内核设置启动参数。
调用内核。

引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码，称之为Bootloader。BootLoader是Booter和Loader的合写：前者意味着要初始化嵌入式系统硬件使之运行起来，至少是部分运行起来，与PC机中的BIOS作用相似；后者意味着将嵌入式操作系统映像加载到内存中，并跳转过去运行。

将硬盘MBR中的BootLoader读到系统的RAM中，然后将控制权交给OS BootLoader。BootLoader的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到 RAM 中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。

看门狗，又叫watchdog timer，是一个定时器电路，一般有一个输入，叫喂狗(kicking the dog/service the dog），一个输出到MCU的RST端，MCU正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到喂狗端，给 WDT清零，如果超过规定的时间不喂狗（一般在程序跑飞时），WDT定时超过，就会给出一个复位信号到MCU，使MCU复位。防止MCU死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。

主引导记录（MBR，Master Boot Record）是位于磁盘最前边的一段引导（Loader）代码。它负责磁盘操作系统(DOS)对磁盘进行读写时分区合法性的判别、分区引导信息的定位，它由磁盘操作系统(DOS)在对硬盘进行初始化时产生的。

固件（firmware）一般存储于设备中的电可擦除只读存储器EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)或FLASH芯片中，一般可由用户通过特定的刷新程序进行升级的程序。一般来说，担任着一个数码产品最基础、最底层工作的软件才可以称之为固件，比如计算机主板上的基本输入/输出系统BIOS（Basic Input/output System)，在以前其实更多的专业人士叫它固件。

Nordic文档总结

基本引导加载程序将启动位于内存中特定位置的应用程序，因此您可以使用此类引导加载程序，例如，在启动应用程序之前在多个应用程序之间切换或初始化设备。

引导加载程序模块提供的最重要功能是设备固件更新（DFU）功能。 DFU的主要特点是：

更新应用程序，SoftDevice和bootloader，
来自经过身份验证的来源（签名更新）的更新
降级预防，
硬件兼容性验证，
各种运输：（BLE，UART，USBD），
支持使用和不使用SoftDevice进行应用程序更新，
支持使用SoftDevice独立固件替换SoftDevice相关固件，
支持使用SoftDevice相关固件替换SoftDevice独立固件。

下图显示了引导加载程序模块的层架构：、

（BootLoader）引导加载程序模块负责：

启动到应用程序，
激活新固件，
可选地，进入DFU模式，激活DFU传输并传送新固件，
喂养看门狗定时器

Bootloader Settings页面
非易失性存储器中的页面（请参阅存储器布局）用于保存引导加载程序和DFU信息。设置页面包含以下信息：

当前固件 - 大小，CRC-32，
待定固件 - 尺寸，CRC-32，
固件更新的进度，
固件激活的进度，
当前固件版本（应用程序和引导程序），
运输特定的数据。

固件激活
固件激活是固件更新过程的最后一步。 根据启动期间读取的设置页面中的信息触发激活。固件激活涉及复制新固件以代替退出的固件，并更新设置页面以允许新固件启动。引导加载程序可确保复制是电源故障安全的。在更新引导加载程序的情况下，MBR功能用于执行电源故障安全复制（SD_MBR_COMMAND_COPY_BL）。

DFU模式（Device Firmware Upgrade）
在DFU模式下，引导加载程序激活DFU传输，设备已准备好接收新固件。引导加载程序在以下条件下进入DFU模式：

没有有效的应用程序。
SoftDevice已激活，并且存在有效的应用程序。在这种情况下，引导加载程序期望主机可以请求应用程序更新。
进入DFU模式由其中一个可选来源触发：

按钮（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_BUTTON）
引脚复位（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_PINRESET）
GPREGRET寄存器中的特殊值（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_GPREGRET），
从写入设置页面的应用程序请求（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_BUTTONLESS）。

进入DFU模式后，将启动不活动计时器。在计时器到期时，引导加载程序将重置。在任何DFU活动上重新启动不活动计时器。默认情况下，不活动超时设置为NRF_BL_DFU_INACTIVITY_TIMEOUT_MS。如果在SoftDevice激活后进入DFU模式，则超时设置为NRF_BL_DFU_CONTINUATION_TIMEOUT_MS。

启动应用程序
根据设置页面中的信息，引导加载程序确定应用程序是否存在以及它位于何处。引导加载程序在启动之前检查应用程序的完整性。可选地，在某些情况下可以跳过完整性检查以减少启动时间（NRF_BL_APP_CRC_CHECK_SKIPPED_ON_GPREGRET2，NRF_BL_APP_CRC_CHECK_SKIPPED_ON_SYSTEMOFF_RESET）。如果出现下列情况之一，则引导加载程序进入DFU模式：

没有安装应用程序，
完整性检查失败，
没有设置页面。

编程引导加载程序
在系统启动期间，如果安装了引导加载程序，则主引导记录（MBR）负责启动引导加载程序。为此，MBR必须知道引导加载程序的起始地址。此起始地址在MBR本身或UICR.BOOTLOADERADDR中定义。编程引导加载程序时，必须将其设置为正确的值。有关更多详细信息，请参阅S132 SoftDevice规范。

对引导加载程序进行编程需要执行以下步骤：

擦除设备。
编写SoftDevice。有关说明，请参阅编程SoftDevices。
编译引导加载程序。
编程引导加载程序并写入UICR.BOOTLOADERADDR。有关Segger Embedded Studio，Keil，IAR和nrfjprog的说明，请参阅以下部分（如果您使用的是GCC）。

设备固件更新过程

执行设备固件更新需要两个设备：DFU目标和DFU控制器。 DFU目标是使用新固件映像更新的设备，该固件映像可以包含新应用程序，SoftDevice，引导加载程序或SoftDevice和引导加载程序的组合。 DFU控制器是传输镜像的设备。例如，DFU控制器可以是运行app的移动电话，也可以是与nrfutil一起使用的nRF5开发套件。

DFU目标是运行具有至少一个活动DFU传输的DFU的设备。它可以是DFU模式下的引导加载程序，也可以是后台运行DFU的应用程序（DFU over TFTP示例）。然后，DFU控制器可以启动固件映像的传输，该固件映像由DFU目标接收和验证。如果映像有效，则设备将重置，引导加载程序将激活映像以替换现有固件。根据映像的类型，它可能会替换应用程序，SoftDevice，甚至是接收更新的当前引导加载程序。有关图像存储位置及其复制方式的详细信息，请参阅双库和单库更新。

作为DFU控制器，您可以使用以下Nordic工具：

nrfutil (version 2.2.0 or later)
nRF Connect for Desktop
Nordic's mobile apps, such as nRF Connect for Mobile.

以下流程图显示了必须在DFU目标中实现的固件更新所需的步骤：

固件更新过程的事件和过程与所使用的传输协议无关。 DFU模块包含BLE，UART和USB CDC的实现（请参阅DFU协议）。 DFU控制器可以通过在DFU传输上发送相应的消息来触发事件。

DFU程序

nrfutil工具生成一个包含一个或两个更新的zip文件（请参阅使用nrfutil创建固件包）。单个更新包含具有新固件详细信息和二进制数据的init数据包。 DFU控制器发送init数据包并等待DFU目标的确认。 DFU目标验证init数据包并以结果响应。成功验证后，DFU控制器发送二进制数据。一旦DFU目标接收到二进制数据，就会执行后验证。成功验证后，DFU目标将重置，引导加载程序将激活新固件。如果zip文件包含两个更新，则DFU控制器期望DFU目标进入DFU模式并尝试通过建立连接并发送第二个init数据包来执行第二次更新。从DFU控制器应用程序的用户的角度来看，即使以两个步骤执行，这种更新也被视为单个更新。

单个更新可能包含以下元素：

应用程序，
一个SoftDevice，
引导程序，
引导程序和SoftDevice。

如果update必须包含应用程序和SoftDevice（以及引导加载程序），则zip包中包含两个更新。如果引导加载程序依赖于Softdevice（请参阅Bootloader依赖项），则包含Softdevice update的软件包可能包含引导加载程序。

完成第一步后，激活新的SoftDevice（和引导加载程序），应用程序可能仍然有效但由于SoftDevice依赖性损坏而无法运行。必须在第二步中更新它。使用SoftDevice激活软件包后，引导加载程序将进入期望应用程序更新的DFU模式。由于应用程序更新是可选的（在SoftDevice次要版本更新后不需要），因此引导加载程序中的不活动超时设置为与默认值（NRF_BL_DFU_CONTINUATION_TIMEOUT_MS）不同（更短）的值。