海可枯石可爛，程序存儲(chǔ)的空間也會(huì)變

在這個(gè)薄情的世界上，沒有什么東西是不會(huì)變的。

曾經(jīng)的情比金堅(jiān)，愛意綿綿，到如今一刀兩斷，愛情的小船翻了船，高調(diào)秀過(guò)的恩愛被無(wú)情地打臉。曾經(jīng)的義結(jié)金蘭，并肩向前，也架不住權(quán)力游戲?qū)γ篮眯撵`的摧殘，昨日推杯換盞，今日一拍兩散，說(shuō)翻臉就翻臉，陰謀刺激堪稱政變。

海也沒有枯，石也沒有爛，但是倔強(qiáng)的時(shí)間一往無(wú)前，將說(shuō)好的永遠(yuǎn)打得凌亂。

謎一樣的人類就是這么靠不住，所以有人說(shuō)：“人類靠得住，母豬會(huì)上樹”！

相比之下，外在的物質(zhì)世界就穩(wěn)當(dāng)多了。

古巴比倫王頒布了漢謨拉比法典，刻在黑色的玄武巖，距今已經(jīng)三千七百多年。杰倫說(shuō)，“幾十個(gè)世紀(jì)后出土發(fā)現(xiàn)，泥板上的字跡依然清晰可見。”

萬(wàn)里長(zhǎng)城跨越一座座高山，迎來(lái)送往過(guò)一次次的刀鋒雪劍，至今仍在接待全球各地笑意冉冉的旅行團(tuán)。金字塔歷經(jīng)五千年的歲月輪轉(zhuǎn)，走過(guò)王朝更替的狼煙，依然在如血的殘陽(yáng)中傲然矗立，默默無(wú)言。

但是，時(shí)代畢竟發(fā)展了。以前的時(shí)間很慢很慢，一封家書都要走上小半年，現(xiàn)在的時(shí)間變得很快很快，瞇一會(huì)兒就從塞北來(lái)到了江南。

所以，現(xiàn)如今，基本上所有的東西都打上了一個(gè)叫做“保質(zhì)期”的標(biāo)簽。在電子產(chǎn)品那里，有一個(gè)更為專業(yè)一點(diǎn)的術(shù)語(yǔ)，叫做“產(chǎn)品生命周期”。

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電子產(chǎn)品的“生命周期”或者說(shuō)壽命可長(zhǎng)可短，作為一個(gè)物件，它當(dāng)然有被自然規(guī)律支配的客觀一面，同時(shí)，作為人類的一種工具，它還取決于人類主人隨性隨機(jī)的主觀意愿。

就拿手機(jī)來(lái)說(shuō)吧，小青年們基本上一年一換，像我這種老朽也撐不過(guò)三年，從主觀層面上來(lái)說(shuō)，平均壽命不過(guò)兩年。但是，從客觀上來(lái)說(shuō)，電池不行了換電池，屏幕不好了換個(gè)屏，或者主觀思想停留在上個(gè)世紀(jì)，不怕卡頓，不嫌難看，手機(jī)的壽命興許可以到十年。

手機(jī)用上十年當(dāng)然很恐怖，但是對(duì)于一般的嵌入式產(chǎn)品而言，十年卻是小菜一碟。試問(wèn)你那開了十年、跑了二十萬(wàn)公里的愛車?yán)?，有多少電子控制部件沒有更換過(guò)？

說(shuō)起來(lái)，嵌入式產(chǎn)品是個(gè)耐用品，只要硬件不壞，軟件支持升級(jí)，用個(gè)十年八年實(shí)屬稀松平常。但是，天畢竟有不測(cè)風(fēng)云，有的時(shí)候，它就壞上那么一點(diǎn)點(diǎn)，就這么一點(diǎn)點(diǎn)，你就得跟它說(shuō)再見。

比如，程序存儲(chǔ)空間的二進(jìn)制數(shù)據(jù)暴走，發(fā)生突變。

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各位看官可能納了悶了，二進(jìn)制數(shù)據(jù)在程序存儲(chǔ)空間里呆得好好的，一直做著安靜的美男子，竟也會(huì)發(fā)生突變的么？

一般情況下自然是不會(huì)的。但是，二般情況下呢？

就像向身體倍棒、看著能活到兩百歲的你推銷保險(xiǎn)的那些人，他們經(jīng)常帶著對(duì)人生偶然性的深刻關(guān)切向你拋出直擊靈魂深處的一問(wèn)：你能保證永遠(yuǎn)不生病嗎？

為了說(shuō)明二進(jìn)制程序的暴走，照例，先給大家簡(jiǎn)單地科下普。說(shuō)句題外話，對(duì)于很多看官來(lái)說(shuō)，灑家的科普都是“禿子頭上的虱子明擺著的事”，但是為了擴(kuò)大受眾，灑家還是要多言幾句。

“在很多嵌入式電子產(chǎn)品中，都是由微控制器里的Nor Flash存儲(chǔ)并運(yùn)行系統(tǒng)程序，Nor Flash的特點(diǎn)是Excute In Place，即不必把程序代碼讀到系統(tǒng)RAM中，程序可以直接在Flash內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)然，如果有需要，你也可以把它讀到RAM中運(yùn)行。微控制器及其片內(nèi)的Nor Flash是基于CMOS工藝的集成電路芯片，隨著工作頻率越來(lái)越快、集成度越來(lái)越高、工藝尺寸越來(lái)越小，微控制器及其內(nèi)部Flash越來(lái)越容易受到輻射效應(yīng)的影響。輻射效應(yīng)可能造成Nor Flash數(shù)據(jù)的破壞，從而使得基于程序指令運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用邏輯發(fā)生混亂，帶來(lái)不可意料的問(wèn)題?！?/em>

毋庸多言，程序數(shù)據(jù)的一致性對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的功能穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性尤為重要，而電子產(chǎn)品的壽命一般都在10年以上，那是夜也長(zhǎng)夢(mèng)也多，做為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，不能沒心沒肺地對(duì)程序數(shù)據(jù)可能的破壞視而不見。

所以，得設(shè)計(jì)一種方法，檢驗(yàn)電子產(chǎn)品程序Flash數(shù)據(jù)的一致性。

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可是，程序數(shù)據(jù)那么多，不同產(chǎn)品的程序規(guī)模又不一致，怎么設(shè)計(jì)一個(gè)盡量通用的方法，驗(yàn)證程序空間數(shù)據(jù)的一致性呢？

要回答這個(gè)問(wèn)題，先要搞明白程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)什么樣子。

大家都知道，現(xiàn)在的IDE把應(yīng)用程序編譯、鏈接后會(huì)生成幾種格式的程序數(shù)據(jù)文件，有elf格式、bin格式、s19格式。每種格式都有自己的歷史淵源和用武之地，灑家分享的方法里用到的是S19文件格式。

說(shuō)到S19，那是孩子沒娘說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)，但是咱們長(zhǎng)話短說(shuō)。

“S19的全稱為Motorola format for EEPROM programming，是摩托羅拉公司為程序和數(shù)據(jù)文件定義的一種可打印的ASCII形式編碼的s格式文件，以實(shí)現(xiàn)在不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)之間傳輸程序代碼和數(shù)據(jù)。

S19文件中的每一行數(shù)據(jù)為一條SRecord，以S0型SRecord開始，以S9型SRecord結(jié)束，以S2型SRecord存放Flash寫入地址、程序數(shù)據(jù)、程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息?！?/p>

聰明的小伙伴是不是發(fā)現(xiàn)了什么?

對(duì)滴，程序數(shù)據(jù)就在S19文件里的S2型SRecord里面，我們可以用一個(gè)PC端的軟件很容易地把程序數(shù)據(jù)的地址、內(nèi)容、長(zhǎng)度解析出來(lái)。篇幅有限，解析方法就不再贅述，小伙伴們可以自行腦補(bǔ)。

解析出來(lái)以后呢？當(dāng)然是做某種運(yùn)算，用這個(gè)運(yùn)算結(jié)果來(lái)“標(biāo)識(shí)”程序數(shù)據(jù)了。

這個(gè)套路是不是很熟悉？想想編程的本質(zhì)是什么？就是數(shù)據(jù)+運(yùn)算呀！

運(yùn)算是一種模式pattern，你盡可以自由選擇，可以對(duì)數(shù)據(jù)累加求和，或者求異或同或，也可以進(jìn)行加密運(yùn)算，當(dāng)然，也可以選擇用得非常之廣的CRC32運(yùn)算。

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妥了，程序數(shù)據(jù)解析出來(lái)了，標(biāo)識(shí)這個(gè)程序完整性的CRC32結(jié)果也出來(lái)了，這些信息提取工作都是在PC端進(jìn)行的，電子產(chǎn)品的MCU端怎么辦？

這就要借助一個(gè)叫做bootloader的東西了。

Bootloader在linux中用得非常普遍，它做好板級(jí)初始化后把flash數(shù)據(jù)導(dǎo)到RAM里，然后加載操作系統(tǒng)。但是在這里的bootloader不是這種概念。

這里的bootloader是獨(dú)立于應(yīng)用程序的一段代碼，它用來(lái)接收應(yīng)用程序數(shù)據(jù)，把程序數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)地址的flash地址處，然后把程序完整性標(biāo)識(shí)-CRC32結(jié)果存儲(chǔ)下來(lái)，標(biāo)記應(yīng)用程序的有效性。

有了bootloader之后，你就可以從PC端下載應(yīng)用程序了，這里指的是第一臺(tái)產(chǎn)品。換句話說(shuō)，第一臺(tái)產(chǎn)品是不能用燒寫器來(lái)下載的，要通過(guò)專屬的協(xié)議來(lái)下載，后面的產(chǎn)品可以完全復(fù)制第一臺(tái)產(chǎn)品里的程序數(shù)據(jù)用燒寫器下載。

什么樣的專屬協(xié)議呢？這就要看你的產(chǎn)品上有什么接口了。RS232-RS485-CAN都行，總之，在下載應(yīng)用程序Flash數(shù)據(jù)的過(guò)程中，上位機(jī)解析S19文件，把一條條SRecord發(fā)給下位機(jī)，bootloader解析出來(lái)地址和數(shù)據(jù)，調(diào)用flash driver把程序數(shù)據(jù)存到程序地址空間中，說(shuō)句題外話，S19文件實(shí)際包括好幾段，每個(gè)段都有多條SRecord，bootloader要把分段信息提取出來(lái)并存儲(chǔ)。

解析并存儲(chǔ)的過(guò)程中，bootloader同時(shí)對(duì)程序數(shù)據(jù)做著CRC32運(yùn)算，下載完程序后，上位機(jī)把CRC32結(jié)果發(fā)下來(lái)，兩相對(duì)照，兩者一致則表明應(yīng)用程序燒錄正確，然后在MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)Flash中存儲(chǔ)校驗(yàn)信息，并將應(yīng)用程序有效標(biāo)志置為0x55，存入數(shù)據(jù)Flash中。

程序存好了，完整性標(biāo)識(shí)-CRC32運(yùn)算結(jié)果也存好了，應(yīng)用程序標(biāo)志為有效了，接下來(lái)，就萬(wàn)事俱備只欠東風(fēng)了-MCU上電后要做程序一致性驗(yàn)證了！

在產(chǎn)品運(yùn)行階段，上電后，MCU首先跳入Bootloader的地址空間運(yùn)行，檢查應(yīng)用程序有效標(biāo)志，如果讀取到的有效標(biāo)志為0x55，MCU跳入應(yīng)用程序的地址空間運(yùn)行。

在應(yīng)用程序的初始化階段，讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)Flash中的校驗(yàn)信息，根據(jù)校驗(yàn)信息中的分段尺寸，讀取各個(gè)分段中的Flash數(shù)據(jù)，進(jìn)行CRC32校驗(yàn)，并將計(jì)算結(jié)果和校驗(yàn)信息中的CRC32校驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，如果數(shù)據(jù)一致，表明程序Flash數(shù)據(jù)沒有損壞，系統(tǒng)正常運(yùn)行，如果不一致，表明程序Flash數(shù)據(jù)被損壞，進(jìn)入跛行模式。

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掰扯了半天，里面的知識(shí)點(diǎn)不少，不知道各位看官有沒有完全理解。怎奈篇幅有限，不能鋪展太過(guò)。灑家的本意當(dāng)然是：“緊緊地握住您的手，熱情的話兒說(shuō)不完。”

當(dāng)然，說(shuō)一千道一萬(wàn)，灑家只是想提醒諸位：?？煽菔蔂€，程序存儲(chǔ)的空間也會(huì)變！