Zephyr Bootloader 开发指南¶
本文介绍 zephyr bootloader 基本功能、使用方法、Flash 区域划分，以及 Image 生成与签名等内容。
Zephyr 支持一个名为 mcuboot 的开源 Bootloader 框架， 其工程源码位置：
MCUBoot for Zephyr：
01_SDK\bootloader/mcuboot/boot/zephyr
本文将分两部分介绍 Zephyr Bootloader 相关内容：
功能说明：介绍 mcuboot 的基本功能及 Flash 区域划分等内容
Image 与编译说明：介绍 SDK 中 Image 签名方法，如何烧录默认的 mcuboot image，以及如何编译自己的 mcuboot image 等内容
1 功能说明¶
mcuboot 为 Zephyr 官方推荐并支持的 bootloader，其本身支持多个平台（包括 zephyr/mynewt 等），mcuboot 可为 Zephyr 提供 Image 签名验证、搬运升级、信息标记等能力。
参考官方连接：
zephyr 中关于 mcuboot 升级功能介绍：
mcuboot 官方文档介绍：
mcuboot 关于 zephyr 应用介绍：
1.1 Flash 区域划分¶
目前 SDK 中各 EVB 板默认的 Flash 区域划分如下：
Zephyr Flash 区域划分¶
Boot Partition：用于存放 MCUBoot Image
LL Controller Partition：用于存放 BLE LL Controller Image
Slot0 Partition：用于存放用户 App Image (Zephyr OS + BLE HOST + APP)
Slot1 Partition：DFU / OTA 的时候用于临时存放从远端接收的 LL Controller 或 App Image，供 Bootloader 在启动的时候（搬移）使用
Scratch Partition：临时存放固件的扩展交换区域（可选，未用可删除）
Storage Partition：存放 Zephyr App Data（NVS / Settings）的区域
注1：各 EVB Board 的 FLash 区域划分具体地址及大小，请参考各自 board 目录（01_SDK\zephyr\boards\arm）下的 dts 文件：
pan108xxb1_evb.dts/pan108xxb5_evb.dts(1MB Flash)：... &flash0 { partitions { compatible = "fixed-partitions"; #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; boot_partition: partition@0 { label = "mcuboot"; reg = <0x00000000 0x00010000>; read-only; }; llctlr_partition: partition@10000 { label = "llcontroller"; reg = <0x00010000 0x00020000>; }; slot0_partition: partition@30000 { label = "image-0"; reg = <0x00030000 0x00040000>; }; slot1_partition: partition@70000 { label = "image-1"; reg = <0x00070000 0x00040000>; }; scratch_partition: partition@B0000 { label = "image-scratch"; reg = <0x000B0000 0x00040000>; }; storage_partition: partition@f0000 { label = "storage"; reg = < 0xf0000 0xF000 >; }; }; };
pan108xxa1_evb.dts/pan108xxa3_evb.dts(512KB Flash)：... &flash0 { partitions { compatible = "fixed-partitions"; #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; boot_partition: partition@0 { label = "mcuboot"; reg = <0x00000000 0x00010000>; read-only; }; llctlr_partition: partition@10000 { label = "llcontroller"; reg = <0x00010000 0x00020000>; }; slot0_partition: partition@30000 { label = "image-0"; reg = <0x00030000 0x00026000>; }; slot1_partition: partition@56000 { label = "image-1"; reg = <0x00056000 0x00026000>; }; scratch_partition: partition@7C000 { label = "image-scratch"; reg = <0x0007C000 0x00001000>; }; storage_partition: partition@7D000 { label = "storage"; reg = <0x0007D000 0x00002000>; }; }; };注2：实际项目中，除 Boot Partition 和 LL Controller Partition 外，其他分区的起始地址和大小均可根据实际情况进行修改（注意各个分区起始地址和大小均应确保4KB对齐，且修改分区后需要重新编译 MCUBoot，方法请参考 2.3 小节的介绍）
注3：对于 PAN108X SoC 来说，1MB 的 Flash，用户实际可用的区域为 1020 KB；512 KB 的 Flash，用户实际可用的区域为 508 KB。这是因为 PAN108x SoC 保留了 4KB 的 Flash 空间（称为 INFO Area），用于存放一些特殊的数据（无法存放代码）。
1.2 Image 格式¶
在使能 Bootloader 后，App Image 起始的 512 Bytes 被配置为 Image Header，用于存放固件版本、固件大小等信息。
当使用签名工具对 App Image 进行签名后：
Image Header 中会被填入 Magic、Version、Load Address、Image Size 等信息
Image 尾部会被增量写入 Hash、签名等信息，用于 Image 的完整性和合法性校验。
1.2.1 Image Header¶
大小：512 Bytes = 0x200
位置：Image 文件头部
作用：存放固件版本固件大小等信息，
ih_load_addr用做将固件搬运至的区域信息（slot0_partition/llctlr_partition）格式：
struct image_version { uint8_t iv_major; uint8_t iv_minor; uint16_t iv_revision; uint32_t iv_build_num; }; /** Image header. All fields are in little endian byte order. */ struct image_header { uint32_t ih_magic; uint32_t ih_load_addr; uint16_t ih_hdr_size; /* Size of image header (bytes). */ uint16_t ih_protect_tlv_size; /* Size of protected TLV area (bytes). */ uint32_t ih_img_size; /* Does not include header. */ uint32_t ih_flags; /* IMAGE_F_[...]. */ struct image_version ih_ver; uint32_t _pad1; };
1.2.2 Image TLV¶
位置：Image 文件尾部
大小：根据尾部信息可以检索出4字节
tlv_header，其中包含it_tlv_tot为TLV区域总大小作用：存放 hash 值及签名信息
格式：
Image TLV 位于 Image 尾部
前 4 字节为
tlv_header接下来 4 字节为
it_type+it_len之后跟随
it_len长度的it_type类型信息以当前 tlv 格式来说，具有 3 种
it_type，依次为：IMAGE_TLV_SHA256(hash检查)IMAGE_TLV_KEYHASH（key）IMAGE_TLV_RSA2048_PSS（签名验证）
/* * ECSDA224 is with NIST P-224 * ECSDA256 is with NIST P-256 */ /* * Image trailer TLV types. * * Signature is generated by computing signature over the image hash. * Currently the only image hash type is SHA256. * * Signature comes in the form of 2 TLVs. * 1st on identifies the public key which should be used to verify it. * 2nd one is the actual signature. */ #define IMAGE_TLV_KEYHASH 0x01 /* hash of the public key */ #define IMAGE_TLV_PUBKEY 0x02 /* public key */ #define IMAGE_TLV_SHA256 0x10 /* SHA256 of image hdr and body */ #define IMAGE_TLV_RSA2048_PSS 0x20 /* RSA2048 of hash output */ #define IMAGE_TLV_ECDSA224 0x21 /* ECDSA of hash output */ #define IMAGE_TLV_ECDSA256 0x22 /* ECDSA of hash output */ #define IMAGE_TLV_RSA3072_PSS 0x23 /* RSA3072 of hash output */ #define IMAGE_TLV_ED25519 0x24 /* ed25519 of hash output */ #define IMAGE_TLV_ENC_RSA2048 0x30 /* Key encrypted with RSA-OAEP-2048 */ #define IMAGE_TLV_ENC_KW 0x31 /* Key encrypted with AES-KW 128 or 256*/ #define IMAGE_TLV_ENC_EC256 0x32 /* Key encrypted with ECIES-EC256 */ #define IMAGE_TLV_ENC_X25519 0x33 /* Key encrypted with ECIES-X25519 */ #define IMAGE_TLV_DEPENDENCY 0x40 /* Image depends on other image */ #define IMAGE_TLV_SEC_CNT 0x50 /* security counter */ #define IMAGE_TLV_BOOT_RECORD 0x60 /* measured boot record */ /* * vendor reserved TLVs at xxA0-xxFF, * where xx denotes the upper byte * range. Examples: * 0x00a0 - 0x00ff * 0x01a0 - 0x01ff * 0x02a0 - 0x02ff * ... * 0xffa0 - 0xfffe */ #define IMAGE_TLV_ANY 0xffff /* Used to iterate over all TLV */ /** Image TLV header. All fields in little endian. */ struct image_tlv_info { uint16_t it_magic; uint16_t it_tlv_tot; /* size of TLV area (including tlv_info header) */ }; /** Image trailer TLV format. All fields in little endian. */ struct image_tlv { uint16_t it_type; /* IMAGE_TLV_[...]. */ uint16_t it_len; /* Data length (not including TLV header). */ };
1.3 imgtool¶
imgtool 是 mcuboot 提供的给 Image 签名的工具，其源码位于bootloader\mcuboot\scripts 目录下。
当我们想给 Image 签名的时候，需执行如下形式的指令：
python bootloader\mcuboot\scripts\imgtool.py sign --key bootloader\mcuboot\root-rsa-2048.pem --header-size 0x200 --align 8 --version 1.x --slot-size 0x10000 --pad --confirm build\hello_world_prj_pan108xxb5_evb\zephyr\zephyr.bin build\hello_world_prj_pan108xxb5_evb\zephyr\signed1.x.bin
各参数含义如下：
–key ：签名 key 信息，需要与 Bootloader config 宏所对应的解签方式对应
CONFIG_BOOT_SIGNATURE_TYPE_RSA–header-size ：header 大小固定 0x200 (Bytes)
–align ：8
–version ：version 版本1.x
–slot-size 0x10000：image tailer 存放末尾位置
–pad：为 image 添加 tailer，升级固件所必须的 pad magic 的添加命令
–confirm：为 image tailer 添加 confirm 信息，存在则升级方式为 permanent，否则为 test 方式
后接原始文件路径及生成固件路径
注：在编译 App Image 的时候，编译系统会自动调用此工具给编译生成的 Image 进行签名（签名后的 Image 会带有
*.signed.hex/bin形式的后缀），此处仅做了解即可。
1.4 升级方式¶
目前 SDK 中默认提供的 MCUBoot Image，被配置为 Boot Upgrade Only 的方式，即在芯片启动后，Bootloader 首先检查 Slot1 Partition 中是否存在有效的待升级 Image，如果有，则根据Image Header 中包含的地址信息，直接将其搬运到 Slot0 Partition 或 LL Controller Partition，搬运结束后，会将Slot1 Partition区域擦除。
对应的 MCUBoot Kconfig 定义：
config BOOT_UPGRADE_ONLY
bool "Overwrite image updates instead of swapping"
help
If y, overwrite the primary slot with the upgrade image instead
of swapping them. This prevents the fallback recovery, but
uses a much simpler code path.
2 Image 与编译说明¶
PAN108x SDK 从 v0.6.0 版本开始，默认使能了 Bootloader（即CONFIG_MCUBOOT=y）。
2.1 App Images 生成与签名¶
当 App 程序编译成功后，编译系统会自动对生成的 Image 进行签名（用于 DFU/OTA 固件升级）与合并（用于 SWD 方式烧录）等操作。例如，一个典型的 蓝牙 App 工程，会生成如下这些 Images：
mcuboot.bin：二进制格式的 Bootloader Imagemcuboot.hex：十六进制文本格式的 Bootloader Imagellcontroller.bin：二进制格式 BLE LL Controller Imagellcontroller.hex：十六进制文本格式 BLE LL Controller Imagellcontroller.signed.bin：签名后的二进制格式的 BLE LL Controller Image，可用于 DFU/OTAllcontroller.signed.hex：签名后的十六进制文本格式的 BLE LL Controller Imagezephyr.elf：编译输出的带调试信息的 App Imagezephyr.bin：编译输出的二进制格式 App Imagezephyr.hex：编译输出的十六进制文本格式 App Imagezephyr.signed.bin：签名后的二进制格式的 App Image，可用于 DFU/OTAzephyr.signed.hex：签名后的十六进制文本格式的 App ImagezImageMerged.bin：合并了 Bootloader 和 签名后 App、BLE LL Controller 等 Image 的二进制格式 Image，用于 SWD 方式烧录zImageMerged.hex：合并了 Bootloader 和 签名后 App、BLE LL Controller 等 Image 的十六进制文本格式 Image，用于 SWD 方式烧录
注1：上述 Images 中，
mcuboot.bin/hex与llcontroller.bin/hex是 SDK 提供的预编译好的固件，它们原始文件分别位于以下两个目录：
mcuboot：01_SDK\modules\hal\panchip\panplat\pan1080\bootloader\images
llcontroller：01_SDK\modules\hal\panchip\panplat\pan1080\ble\images
注2：
llcontroller.signed.bin/hex是 App 编译过程中，对llcontroller.bin/hex进行签名后的 Image，其：
使用与 App Image 相同的签名密钥（RSA Key）（均由
CONFIG_MCUBOOT_SIGNATURE_KEY_FILE配置指定）使用 Panchip 内部维护的版本号（Image Verison）进行签名（即无法由 App 的
CONFIG_MCUBOOT_EXTRA_IMGTOOL_ARGS配置指定）注3：
zephyr.bin/hex/elf是 App 编译的原始输出文件，其中的 elf 文件可用于调试，而 bin/hex 文件则无法直接烧录使用。注4：
zephyr.signed.bin/hex是 App 编译过程中，对zephyr.bin/hex进行签名后的 Image，其：
签名密钥（RSA Key）由
CONFIG_MCUBOOT_SIGNATURE_KEY_FILE配置指定版本号（Image Verison）由
CONFIG_MCUBOOT_EXTRA_IMGTOOL_ARGS配置指定，例如，我们希望将 App 版本号签名为v1.2.3，则应指定如下的形式的参数：CONFIG_MCUBOOT_EXTRA_IMGTOOL_ARGS="--version 1.2.3"注5：
zImageMerged.bin/hex是合并后的 Image，可以方便使用 ZAL / VS Code / JFlash 等工具进行 Image 烧录。
2.2 SDK 提供的默认 MCUBoot Image¶
上一小节有提到，SDK 中默认提供了一些预编译好的 MCUBoot Image，其位于 01_SDK\modules\hal\panchip\panplat\pan1080\bootloader\images 目录下。此目录下目前有 4 个 Images，分别用于不同的场景：
mcuboot_pan108xxa1.hex：512KB Flash 的 SoC，在未开启 DCDC（即未使能CONFIG_SOC_DCDC_PAN1080）时会默认使用此 Imagemcuboot_pan108xxa1_dcdc.hex：512KB Flash 的 SoC，在开启 DCDC（即使能CONFIG_SOC_DCDC_PAN1080）时会默认使用此 Imagemcuboot_pan108xxb1.hex：1MB Flash 的 SoC，在未开启 DCDC（即未使能CONFIG_SOC_DCDC_PAN1080）时会默认使用此 Imagemcuboot_pan108xxb1_dcdc.hex：1MB Flash 的 SoC，在开启 DCDC（即使能CONFIG_SOC_DCDC_PAN1080）时会默认使用此 Image
2.3 重新编译 MCUBoot Image¶
当有修改 Flash Partition、修改签名密钥（RSA Key）、调试 MCUBoot 等需求时，我们需要重新编译 mcuboot：
使用 ZAL 工具选择正确的 Board，然后在 Project List 中选择
bootloader\mcuboot\samples\zephyr（位于列表末尾），并根据需求选择 Config，编译后可以直接运行下载进行烧录；需要注意此方式为临时烧录 Bootloader 的方式，如果后续重新烧录了 App 工程中的zImageMerged.hex/bin文件，则新修改的 MCUBoot Image 会被覆盖。若希望后续编译 App 的时候一直使用新的 MCUBoot Image，则在编译完 MCUBoot Image 后，需要从其 build 目录下拷贝
mcuboot*.hex文件，手动替换掉modules\hal\panchip\panplat\pan1080\bootloader\images目录下替换掉已有的 MCUBoot Image。注：也可以自行修改
modules\hal\panchip\panplat\pan1080\bootloader目录下的 CMakeLists.txt 文件，强制使用新的 MCUBoot Image。