STM32 IAP固件升级实验系列文章
- 一、Flash和RAM的区域划分、工程建立、程序分散加载、程序烧写
- 二、Stm32 bootloader、application、firmware 程序的分析和编写
- 三、使用DMA收发串口的不定长数据
- 四、通信协议的设计
- 五、STM32 IAP程序的设计
- 六、上位机的程序的编写
一、STM32F1XX的启动过程
在《Cortex-M3权威指南》有讲述:芯片复位后首先会从向量表里面取出两个值(下图来自Cortex-M3权威指南)；
- 从0x0000 0000地址取出MSP(主堆栈寄存器)的值
- 从0x0000 0004地址取出PC(程序计数器)的值
- 然后取出第一条指令执行
Cortex-M3权威指南 复位序列
二、STM32启动文件的分析
1、启动文件源代码分析
分析startup_stm32f10x_hd.s启动文件时会涉及到到一些汇编指令，如果不认识的指令可以到mdk集成开发工具 的 help -> μVision Help 里面搜索；如下图:
代码块如下:
;******************** (C) COPYRIGHT 2011 STMicroelectronics ********************
;* File Name : startup_stm32f10x_hd.s
;* Author : MCD Application Team
;* Version : V3.5.0
;* Date : 11-March-2011
;* Description : STM32F10x High Density Devices vector table for MDK-ARM
;* toolchain.
;* This module performs:
;* （上电复位后会做下面的几件事情）
;* - Set the initial SP（设置堆栈，就是设置MSP的值）
;* - Set the initial PC == Reset_Handler（设置PC的值）
;* - Set the vector table entries with the exceptions ISR address（设置中断向量表的地址）
;* - Configure the clock system and also configure the external （设置系统时钟;如果芯片外部由挂载SRAM,还需要配置SRAM,默认是没有挂外部SRAM的）
;* SRAM mounted on STM3210E-EVAL board to be used as data
;* memory (optional, to be enabled by user)
;* - Branches to __main in the C library (which eventually (调用C库的__main函数，然后调用main函数执行用户的)
;* calls main()).
;* After Reset the CortexM3 processor is in Thread mode,
;* priority is Privileged, and the Stack is set to Main.
;* <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>>
;*******************************************************************************
; THE PRESENT FIRMWARE WHICH IS FOR GUIDANCE ONLY AIMS AT PROVIDING CUSTOMERS
; WITH CODING INFORMATION REGARDING THEIR PRODUCTS IN ORDER FOR THEM TO SAVE TIME.
; AS A RESULT, STMICROELECTRONICS SHALL NOT BE HELD LIABLE FOR ANY DIRECT,
; INDIRECT OR CONSEQUENTIAL DAMAGES WITH RESPECT TO ANY CLAIMS ARISING FROM THE
; CONTENT OF SUCH FIRMWARE AND/OR THE USE MADE BY CUSTOMERS OF THE CODING
; INFORMATION CONTAINED HEREIN IN CONNECTION WITH THEIR PRODUCTS.
;*******************************************************************************
; Amount of memory (in bytes) allocated for Stack
; Tailor this value to your application needs
; <h> Stack Configuration
; <o> Stack Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
; </h>
; ------------------分配栈空间----------------
Stack_Size EQU 0x00000400 ;EQU指令是定义一个标号；标号名是Stack_Size； 值是0x00000400(有点类似于C语言的#define)。Stack_Size标号用来定义栈的大小
AREA STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 ;AREA指令是定义一个段；这里定义一个 段名是STACK，不初始化，数据可读可写，2^3=8字节对齐的段(详细的说明可以查看指导手册)
Stack_Mem SPACE Stack_Size ；SPACE汇编指令用来分配一块内存；这里开辟内存的大小是Stack_Size；这里是1K，用户也可以自己修改
__initial_sp ;在内存块后面声明一个标号__initial_sp，这个标号就是栈顶的地址；在向量表里面会使用到
; <h> Heap Configuration
; <o> Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8>
; </h>
; ------------------分配堆空间----------------
;和分配栈空间一样不过大小只是512字节
Heap_Size EQU 0x00000200
AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base ;__heap_base堆的起始地址
Heap_Mem SPACE Heap_Size ；分配一个空间作为堆空间,如果函数里面有调用malloc等这系列的函数，都是从这里分配空间的
__heap_limit ;__heap_base堆的结束地址
PRESERVE8 ;PRESERVE8 指令作用是将堆栈按8字节对齐
THUMB;THUMB作用是后面的指令使用Thumb指令集
; ------------------设置中断向量表----------------
; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY ;定义一个段，段名是RESET的只读数据段
;EXPORT声明一个标号可被外部的文件使用，使标号具有全局属性
EXPORT __Vectors ;声明一个__Vectors标号允许其他文件引用
EXPORT __Vectors_End ;声明一个__Vectors_End标号允许其他文件引用
EXPORT __Vectors_Size ;声明一个__Vectors_Size标号允许其他文件引用
;DCD 指令是分配一个或者多个以字为单位的内存，并且按四字节对齐，并且要求初始化
;__Vectors 标号是 0x0000 0000 地址的入口,也是向量表的起始地址
__Vectors DCD __initial_sp ;* Top of Stack 定义栈顶地址；单片机复位后会从这里取出值给MSP寄存器,
;* 也就是从0x0000 0000 地址取出第一个值给MSP寄存器 (MSP = __initial_sp)
;* __initial_sp的值是链接后，由链接器生成
DCD Reset_Handler ;* Reset Handler 定义程序入口的值；单片机复位后会从这里取出值给PC寄存器,
;* 也就是从0x0000 0004 地址取出第一个值给PC程序计数器(pc = Reset_Handler)
;* Reset_Handler是一个函数，在下面定义
;后面的定义是中断向量表的入口地址了这里就不多介绍了，想要了解的可以参考《STM32中文手册》和《Cortex-M3权威指南》
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler
; External Interrupts
DCD WWDG_IRQHandler ; Window Watchdog
DCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line detect
DCD TAMPER_IRQHandler ; Tamper
DCD RTC_IRQHandler ; RTC
DCD FLASH_IRQHandler ; Flash
DCD RCC_IRQHandler ; RCC
.....由于文件太长这里省略了部分向量表的定义,完整的可以查看工程里的启动文件
DCD DMA2_Channel1_IRQHandler ; DMA2 Channel1
DCD DMA2_Channel2_IRQHandler ; DMA2 Channel2
DCD DMA2_Channel3_IRQHandler ; DMA2 Channel3
DCD DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
__Vectors_End ;__Vectors_End向量表的结束地址
__Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors ;定义__Vectors_Size标号，值是向量表的大小
AREA |.text|, CODE, READONLY ;定义一个代码段，段名是|.text|，属性是只读
;PROC指令是定义一个函数，通常和ENDP成对出现(标记程序的结束)
; Reset handler
Reset_Handler PROC ;定义 Reset_Handler函数；复位后赋给PC寄存器的值就是Reset_Handler函数的入口地址值。也是系统上电后第一个执行的程序
EXPORT Reset_Handler [WEAK] ;*[WEAK]指令是将函数定义为弱定义。所谓的弱定义就是如果其他地方有定义这个函数，
;*编译时使用另一个地方的函数，否则使用这个函数
;*IMPORT 表示该标号来自外部文件，跟 C 语言中的 EXTERN 关键字类似
IMPORT __main ;*__main 和 SystemInit 函数都是外部文件的标号
IMPORT SystemInit ;* SystemInit 是STM32函数库的函数，作用是初始化系统时钟
LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__main ;* __main是C库的函数，主要是初始化堆栈和代码重定位，然后跳到main函数执行用户编写的代码
BX R0
ENDP
; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)
;下面定义的都是异常服务函中断服务函数
NMI_Handler PROC
EXPORT NMI_Handler [WEAK]
B .
ENDP
.....由于文件太长这里省略了部分函数的定义,完整的可以查看工程里的启动文件
SysTick_Handler PROC
EXPORT SysTick_Handler [WEAK]
B .
ENDP
Default_Handler PROC
EXPORT WWDG_IRQHandler [WEAK]
EXPORT PVD_IRQHandler [WEAK]
.....由于文件太长这里省略了部分中断服务函数的定义,完整的可以查看工程里的启动文件
EXPORT DMA2_Channel2_IRQHandler [WEAK]
EXPORT DMA2_Channel3_IRQHandler [WEAK]
EXPORT DMA2_Channel4_5_IRQHandler [WEAK]
WWDG_IRQHandler
PVD_IRQHandler
TAMPER_IRQHandler
.....由于文件太长这里省略了部分标号的定义,完整的可以查看工程里的启动文件
DMA2_Channel1_IRQHandler
DMA2_Channel2_IRQHandler
DMA2_Channel3_IRQHandler
DMA2_Channel4_5_IRQHandler
B .
ENDP
ALIGN ;四字节对齐
;*******************************************************************************
; User Stack and Heap initialization
;*******************************************************************************
;下面函数是初始化堆栈的代码
IF :DEF:__MICROLIB
;如果定义了__MICROLIB宏编译下面这部分代码，__MICROLIB在MDK工具里面定义
;这种方式初始化堆栈是由 __main 初始化的
EXPORT __initial_sp ;栈顶地址 （EXPORT将标号声明为全局标号，供其他文件引用）
EXPORT __heap_base ;堆的起始地址
EXPORT __heap_limit ;堆的结束地址
ELSE
;由用户初始化堆
;否则编译下面的
IMPORT __use_two_region_memory ;__use_two_region_memory 由用户实现
EXPORT __user_initial_stackheap
__user_initial_stackheap
LDR R0, = Heap_Mem ；堆的起始地址
LDR R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)；栈顶地址
LDR R2, = (Heap_Mem + Heap_Size)；堆的结束地址
LDR R3, = Stack_Mem ；栈的结束地址
BX LR
ALIGN
ENDIF
END
;******************* (C) COPYRIGHT 2011 STMicroelectronics *****END OF FILE*****
2、小结
STM32的启动步骤如下:
- 上电复位后，从
0x0000 0000地址取出栈顶地址赋给MSP寄存器(主堆栈寄存器)，即MSP = __initial_sp。这一步是由硬件自动完成的 - 从
0x0000 0004地址取出复位程序的地址给PC寄存器(程序计数器)，即PC = Reset_Handler。这一步也是由硬件自动完成 - 调用SystemInit函数初始化系统时钟
- 跳到C库的__main函数初始化堆栈(初始化时是根据前面的分配的堆空间和栈空间来初始化的)和代码重定位(初始RW 和ZI段)，然后跳到main函数执行应用程序
三、bootloader分析
1.bootloader分析
由于芯片复位启动后执行的是bootloader程序，而bootloader的主要作用之一就是可以启动application。又因为application的空间和bootloader的空间是独立的。所以要顺利启动application。bootloader还要做以下处理:
- 设置application的MSP的值; 从0x0800 C000地址取出栈顶地址的值赋给MSP。（0x0800 C000 是application的起始地址 ）
- 从 0x0800 C004 地址取出application第一个执行的函数地址赋值给函数指针fun_point
- 使用fun_point函数针跳到application执行
- 跳到application后需要设置中断向量表的偏移；也就是设置VTOR寄存器的值（VTOR寄存器可以到《Cortex-M3权威指南》查看）。为什么要设置向量表偏移?原因也很简单。因为发生中断后，cpu要到application的空间找到中断服务程序的；如果不设置偏移，默认是从bootloader空间找到中断服务程序的。
简单总结一下
其实从bootloader跳到application执行和上电复位启动bootloader差不多。两者的差别就是前者需要开发者自己设置，后者是由硬件自动完成的。
2.bootloader 程序
typedef void(*App_Fun_t)(void);
typedef void(*Firm_Reload_Fun_t)(void);
/* 定义一个函数指针，主要用于跳到app */
App_Fun_t app_main ;
/* 定义一个函数指针，主要用于调用firmware区的重定位 */
Firm_Reload_Fun_t firm_fun;
int main(void)
{
/* 初始化串口和滴答定时器 */
Sys_Init();
firm_fun = (Firm_Reload_Fun_t)*(vu32*)(0x0807c000);
/* frimware的RW和ZI段重定位 */
firm_fun();
/* 串口输出一些信息 */
Sys_Printf("hello bootloader\r\n");
Sys_Delay_ms(10);
/* app的起始地址是0x0800C000 */
/* 简单的判断一下app区域的向量表的数据正不正确 */
if(((*(vu32*)(0x0800C000+4))&0xFF000000)==0x08000000){
/* 设置应用程序的堆栈 */
/*
* MSR_MSP 是一个函数，原型如下:
* __asm void MSR_MSP(u32 addr) //__asm的作用是将告诉编译器，函数体内部的代码是汇编指令
* {
* // 由 ATPCS 规则，汇编跟C语言传参使用的是R0-R3寄存器(参数小于等于4个的情况下)，所以r0的值就是addr
* MSR MSP, r0 //MSR指令是将r0寄存器的值赋给MSP(主堆栈寄存器)
* BX r14 //r14是lr寄存器(连接寄存器)，保存返回地址的。这条指令的作用是函数执行完返回
* }
*/
MSR_MSP(*(vu32*)(0x0800C000));
/* 从0x0800C004地址取出app第一个执行的函数入口 */
app_main = (App_Fun_t)*(vu32*)(0x0800C004);
/* 设置中断向量表偏移 */
/* 其实中断向量的偏移值在这里设置也可以，不过需要注意的是在app的SystemInit函数又重新设置为0了，
* 所以可以注释掉app的 SystemInit 的 SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;语句，
* 或者将VECT_TAB_OFFSET宏定义为: #define VECT_TAB_OFFSET 0xC000
*/
SCB->VTOR = (FLASH_BASE | 0xC000);
/* 跳转到应用程序执行 */
/* 这里跳过去就不会回来了 */
app_main();
}else{
Sys_Printf("boot addr error\r\n");
}
while(1);
三、application
从bootloader跳到application后,application的程序也会做下面的几件事情：
执行SystemInit函数（这个是application空间的函数了）
执行__main(这个也是application空间的函数),然后跳到main函数执行业务程序
application 需要注意的就是，如果使用官方的启动文件，需要注释 SystemInit 函数的 SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;语句。或者修改VECT_TAB_OFFSET的值。否者在bootloader设置的向量表偏移又会被设置为0了。然后app程序根据业务编写程序就好。
四、firmware
1、firmware程序的分和实现
通过上面分析启动文件后，编写firmware也是比较简单了。firmware跟application和bootloader都不在一个同一个工程，所以不能通过函数名调用firmware的区域的函数。要调用firmware区的函数时只能通过函数指针调用。所以在编写完firmware区域的函数后，还需要将函数的入口地址暴露出来。怎么暴露出来才能让其他的地方能正确的调用到呢? 其实我们也可以仿照中断向量表的方式，将函数firmware的所有函数定义成一张表，这张表放在firmware区域的前面地址。函数表的定义如下代码块:
PRESERVE8
THUMB
; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
AREA RESET, DATA, READONLY
EXPORT __Vectors
EXPORT __Vectors_End
EXPORT __Vectors_Size
;__Vectors 是firmware的起始地址
;使用DCD指令将函数的入口地址存放在表中。
;下面是我自己实现的函数,感兴趣的可以自己定义或者修改
__Vectors DCD RW_And_ZI_Init ;初始化RW段和ZI段
DCD Num_Inc ;数字自增
DCD Num_Dec ;数字自减
DCD Get_Num ;获取数字的值
DCD Get_Num1
DCD Get_Num_Addr
DCD Get_Flag
DCD Swap_Num ;交换数据
DCD My_Men_Copy ;内存copy
__Vectors_End
__Vectors_Size EQU __Vectors_End - __Vectors
;使用AREA指令定义一个代码段。然后定义所有的函数在下面。
AREA |.text|, CODE, READONLY
EXPORT RW_And_ZI_Init [WEAK]
EXPORT Num_Inc [WEAK]
EXPORT Num_Dec [WEAK]
EXPORT Get_Num [WEAK]
EXPORT Get_Num1 [WEAK]
EXPORT Get_Num_Addr [WEAK]
EXPORT Get_Flag [WEAK]
EXPORT Swap_Num [WEAK]
EXPORT My_Men_Copy [WEAK]
RW_And_ZI_Init
Num_Inc
Num_Dec
Get_Num
Get_Num1
Get_Num_Addr
Get_Flag
Swap_Num
My_Men_Copy
B .
END
2、firmware注意事项
a.注意事项一
由于firmware没有初始化堆所以firmware区域的函数不能使用malloc和calloc这一系列的函数。同时firmware区域的函数是由application或者bootloader调用执行的，firmware区域不需要初始化和设置栈。
b.注意事项二
因为firmware区域不会调用C库__main，如果有使用全局变量，则需要自己实现代码重定位函数。并且需要在application或者bootloader调用执行一次。重定位的程序如下代码块:
unsigned int flag;
void RW_And_ZI_Init (void)
{
/* flag是一个全局变量，但是在执行if判断的时候并没有进行重定位，所以这个值是一个随机值(不确定的) */
/* flag的作用是防止 RW_And_ZI_Init函数 被调用 */
if(flag!=0xf55faa55){ /* 一般第一次执行的时候不会等于0xf55faa55。如果你执行的时候等于0xf55faa55，那么恭喜你，这运气你可以去买彩票了 */
/**********这些变量都是是由链接器链接的时候生成确定的***********/
extern unsigned char Image$$ER_IROM1$$Limit; //&Image$$ER_IROM1$$Limit;只读段的末尾地址,也是可读可写数据段的起始地址
extern unsigned char Image$$RW_IRAM1$$Base; //&Image$$RW_IRAM1$$Base是可读可写数据段的重定位的起始地址
extern unsigned char Image$$RW_IRAM1$$RW$$Limit; //&Image$$RW_IRAM1$$Base是RW数据段的重定位的结束地址，也是ZI数据段的重定位的起始地址
extern unsigned char Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit; //&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit 是ZI数据段的重定位的结束地址
/**********这些变量都是是由链接器链接的时候生成确定的***********/
unsigned char * psrc, *pdst, *plimt;
psrc = (unsigned char *)&Image$$ER_IROM1$$Limit;
pdst = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$Base;
plimt = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$RW$$Limit;
/* 数据copy，也就是将存在flash空间的数据copy到RAM空间 */
while(pdst < plimt){
*pdst++ = *psrc++;
}
psrc = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$RW$$Limit;
plimt = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit;
/* 初始化ZI段 */
while(psrc < plimt){
*psrc++ = 0;
}
/* 执行到这里flag的值和一些未初始化全局变量的值都是0 */
flag=0xf55faa55; //将flag的值设置0xf55faa55防止再次被重定位
}
}
c.注意事项三
在调用firware区域的函数时,需要定义的函数指针的格式(即参数和返回值)一定要一致，否则可能发生一些不可预判的错误