章节概述:
以一个最简单的例子示范IAP程序(没有文件通讯,没有跳转判断),需要借助IDE进行分区数据的划分以及下载。
准备
IDE:keil-MDK 5
MCU: STM32F103ZET6
为例(Flash地址为0x08000000—0x0807ffff,共512KB)。
BSP:STM32-HAL
启动方式:FLASH
启动
- 前32KB存放BootLoader程序(
0x08000000 ~ 0x08007fff
) - 剩余的空间存放APP程序(
0x08008000 ~ 0x0807ffff
)
假定跳转的APP程序的实际物理地址为:
0x08008000
分别新建2个工程,名字可以为:bootLoader
与app
。
从Bootloader跳转到APP
Bootloader
为了区分执行分区的不同,添加串口打印功能。(略)
例如:
printf("Hello Bootloader\r\n");
添加下面的代码以实现跳转功能:
节选自CubeMX的例程:
STM32Cube\Repository\xxx\Projects\Applications\IAP
#define NVIC_VectTab_RAM ((u32)0x20000000)
#define NVIC_VectTab_FLASH ((u32)0x08000000)
#define PHYSICAL_ADDRESS_Flash (0x08000000) // 程序烧写的物理地址
#define APPLICATION_POSADDR (0x0000C000) // APP 偏移量
#define APPLICATION_ADDRESS ((PHYSICAL_ADDRESS_Flash) | (APPLICATION_POSADDR)) // 最终跳转的地址,实际上就是0x08008000
typedef void (*pFunction)(void);
pFunction JumpToApplication;
uint32_t JumpAddress;
void NVIC_SetVectorTable(uint32_t base, uint32_t offset)
{
/* close interruption*/
__set_FAULTMASK(1);
/* set vector table*/
//NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0xffset);
SCB->VTOR = base | offset;
/* open interruption*/
__set_FAULTMASK(0);
}
int main(void)
{
// 在BootLoader程序的中断向量表指向设置中应有这么一句:
NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x0); //设置中断向量表指向
/* Test if user code is programmed starting from address "APPLICATION_ADDRESS" */
if (((*(__IO uint32_t*)APPLICATION_ADDRESS) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000) //①
{
/* Jump to user application */
JumpAddress = *(__IO uint32_t*) (APPLICATION_ADDRESS + 4);// ②
JumpToApplication = (pFunction) JumpAddress;//③
/* Initialize user application's Stack Pointer */
__set_MSP(*(__IO uint32_t*) APPLICATION_ADDRESS); // ④
JumpToApplication(); // ⑤
}
while (1)
{}
}
解析:
①因为用户程序开始位置(0x08008000
处)的前4个字节存放的是堆栈的地址,堆栈地址必定是指向RAM空间的,而STM32的RAM空间起始地址为0x20000000
,所以要进行判断。
APPLICATION_ADDRESS
存放的是用户程序Flash的首地址
(*(volatile u32*)APPLICATION_ADDRESS)
的意思是取用户程序首地址里面的数据,这个数据就是用户代码的堆栈地址,堆栈地址指向RAM,而RAM的起始地址是0x20000000,因此上面的判断语句执行:判断用户代码的堆栈地址是否落在:0x20000000~0x2001ffff区间中,这个区间的大小为128K,笔者查阅STM32各型号的RAM大小,目前RAM最大的容量可以做到192K+4K,时钟频率为168MHZ。一般情况下,我们使用的芯片较多的落在<128K RAM的区间,因此上面的判断语句是没有太大问题的。
②程序跳转地址的确认,前面已经说过0x08008004
处的4个字节存放的是复位函数的入口地址,该句的意思为获得ApplicationAddress + 4
地址处的数据,即为获得新的复位函数入口地址。
③令Jump_To_Application
这个函数指针指向复位函数入口地址。
④堆栈的初始化,调用__set_MSP
重新设定栈顶代地址,把栈顶地址设置为用户代码指向的栈顶地址。
⑤跳转到新的复位函数。设置PC指针为复位地址。
App
为了区分执行分区的不同,添加串口打印功能。(略)
例如:
printf("Hello App\r\n");
添加下面的代码以配合跳转功能:
#define NVIC_VectTab_RAM ((u32)0x20000000)
#define NVIC_VectTab_FLASH ((u32)0x08000000)
#define APPLICATION_POSADDR (0x0000C000) // APP 偏移量
void NVIC_SetVectorTable(uint32_t base, uint32_t offset)
{
/* close interruption*/
__set_FAULTMASK(1);
/* set vector table*/
//NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0xffset);
SCB->VTOR = base | offset;
/* open interruption*/
__set_FAULTMASK(0);
}
int main(void)
{
// 在用户程序的中断向量表指向设置用应有这么一句:
NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, APPLICATION_POSADDR); //设置中断向量表指向
...;
}
工程设置
程序写完了,但是编译还需要进行设置。
BootLoader工程
为了确保
Address Range
不超过0x08008000
,超过会导致app分区被覆盖。
点击:MDK
-Options
-Debug
-Settings
:
-
Flash Download
,勾选Reset and Run
、Program
、Reset and Run
- 点击列表中的Flash(如果没有则需要点击
Add
进行添加)- 修改
Size
为:0x08004000
(只要不超过0x8000
即可)
- 修改
编译,烧写。
APP 工程
为了修改链接地址,以及烧录范围。
MDK
-Options
-Target
-Read/Only Memory Areas
- 勾选
IROM1
:填入0x08008000
。
MDK
-Options
-Target
-Debug
-Settings
:
- 点击
Flash Download
,勾选Reset and Run
、Program
、Reset and Run
- 点击列表中的Flash(如果没有则需要点击
Add
进行添加)- 修改
Start
为:0x08008000
- 修改
Size
为:0x08004000
(只要不超过0x80000
即可)
- 修改
编译,烧写。
现象
观察到下面的打印信息。
Hello Bootloader
Hello app
注意到2段程序都有NVIC_SetVectorTable
函数,可以设置将其注释掉,然后做如下的实验:
-
配置BootLoader中打开了定时器中断,写好对应的处理函数,例如在中断响应中打印"Boot"。
-
配置User app中同样打开了定时器中断,写好了对应的处理函数,例如在中断响应中打印"User"。
观察到,尽管两边都实现了中断以及响应,但是都在执行着BootLoader
的中断响应。
IAP实现总结
STM32的IAP方案实现需要在进行用户程序之前加一段Bootloader
程序。
BootLoader
程序的作用就是:
- 要么:设置新的栈顶指针,直接跳转到用户程序。
- 要么:删除原有的用户程序,读取
*.bin
文件数据并将数据重新写入新的用户程序。
对于用户程序
相比普通的编程只需要做三步改动即可:
- 改变代码存放的地址空间
- 改变中断向量表
- 修改生成
*.bin
文件
实际上的IAP工程
本文介绍了简单的IAP调整,没有对文件的传输以及写入。
传输有很多方法,可以是先把hex文件转换为bin。再通过通讯方式完成文件传输、写入;或者直接传输HEX文件,再在MCU进行解析(难)
我们讨论对FLASH的读写。
对FLASH的读写
问:如何进行对STM32的Flash进行擦除和写入操作。
答:STM32-HAL库的读写非常方便,但是要注意读写地址与页的关系
使用STM32的固件库函数,只需调用几个库函数即可轻松解决,使用的固件库为stm32f10x_flash.c文件,对Flash的操作过程简要为:Flash解锁Flash擦除Flash写入Flash上锁。(对Flash编程的更详细操作参考STM32F10xxx闪存编程手册)
//解锁Flash
FLASH_Unlock();
FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); //因为系统时钟为72M所以要设置两个时钟周期的延时
// 擦除
for(i=0;i<240;i++)
{
if(FLASH_ErasePage(FLASH_ADDR+i*2048) != FLASH_COMPLETE) //一定要判断是否擦除成功
return ERROR;
/*
说明:FLASH_ErasePage(uint32_t Page_Address)即为Flash擦除操作,按页擦除,每页2KB,Page_Address为页的起始地址,如0x08000000是第一页起始地址,0x08000800为第二页起始地址,这里的操作擦除了0x08008000—0x0807ffff地址空间的Flash。
*/
}
#if 0
unsigned char buf[1024]; //假设待写入的代码数据
unsigned short temp; //临时数据
for(i=0;i<512;i++)
{
temp = (buf[2*i+1]<<8) | buf[2*i]; //2个字节整合为1个半字
if(FLASH_ProgramHalfWord(ADDR,temp) != FLASH_COMPLETE) //判断是否写入成功
{
Return ERROR;
}
ADDR +=2; //地址要加2,因为每次写入的是2个字节(1个半字)
}
/*
说明:因为STM32的Flash写入为双字节(1个半字)写入,FLASH_ProgramHalfWord(uint32_t Address, uint16_t Data)函数即为对地址为Address写入1个半字的Data,每次写入完成后地址要加2。
*/
#endif
FLASH_Lock(); //Flash 上锁,一个固件库函数即可实现。
问:怎么进行PC指针的强制跳转,跳转时需要做些什么。
答:关闭中断是可选的,设置栈顶指针是必须的。
- arm内核通用:
disable_irq(); //关闭所有中断 enable_irq();//打开所有中断
- 设置栈顶指针:
__set_MSP();
附录:存储容量与起止地址的关系式
以字节(Byte)为计算单位:存储容量 = 储存单元数 × 储存字长(字节) 。
以Kb为计算单位:储存单元数 × 储存字长(字节)÷ 1024 。
首尾地址的差再加一即是储存单元的个数,每一个储存单元存放一个字节,可以得到总储存单元一共有多少字节;
再根据1M = 1024 K = 1024 × 1024Byte
,那么就可以很容易地计算出三者的关系了。
例如:容量6K,首地址0x0000,末地址为?
解答:6K = 6 × 1024 Byte ,未地址 = 6 × 1024 + 000H = 1800H
附录:确认代码的链接地址
为什么在IDE中设置有关的地址呢,为了解答这个问题就需要我们知道:链接地址、运行地址、加载地址、存储地址关系。
-
运行地址 与 链接地址:是类似的。
-
加载地址 与 存储地址:是等价的。
链接地址
在程序编译的时候,每个目标文件都是由源代码编译得到,最终多个目标文件链接生成一个最终的可执行文件,而链接地址就是指示链接器,各个目标文件的在可执行程序中的位置。
比如,一个可执行程序a.out由a.o、b.o、c.o组成,那么最终的a.out中谁在前、谁在中间、谁在结尾,都可以通过制定链接地址来决定。
链接地址是静态的,在进行程序编译的时候指定的。
注意,CPU不关心链接地址是物理地址还是虚拟地址。
总结:
1、链接地址是给编译器用的,用来计算代码中相关地址偏移的
2、只要和PC值相关的就是位置无关代码(相对偏移),和PC无关的就是位置相关代码(绝对值)
运行地址
程序实际在内存中运行时候的地址,比如CPU要执行一条指令,那么必然要通过给PC赋值,从对应的地址空间中去取出来,那么这个地址就是实际的运行地址。
运行地址是动态的,如果你将程序加载到内存中时,改变存放在内存的地址,那么运行地址也就随之改变了。
注意,CPU同样不关心运行地址是虚拟地址还是物理地址。
链接地址和运行地址区别
首先要区分开两个概念:位置相关代码和位置有关代码。位置无关代码:mov、b或bl等指令,在跳转时,地址是PC+相对偏移量,这样的指令没有绝对地址,都是相对PC的偏移,这样,及时运行地址和链接地址不一样,也不影响实际代码的执行。
位置相关代码:ldr r0, =label
,这里的label
(标签)实际就是链接地址,这条指令实质就是将标号的地址放到PC里实现跳转,但是如果实际运行的地址和链接的地址不一样,这样就会由于跳转的地址不是实际运行地址而出错,这就叫做位置相关代码。
条件相关代码和条件无关代码之间的本质区别就是:指令中相关地址是运行地址还是链接地址,如果是运行地址那么就是位置无关代码,因为运行地址是变化的相对量;如果是加载地址,那么就是绝对量(链接时候指定好的),这就是位置相关代码了。
总结,当链接指定的地址和实际运行的地址一样的时候,链接地址==运行地址;当链接指定的地址和实际运行的地址不一样的时候,如果整个代码中的地址都是相对偏移量,那么整个程序仍然运行畅通无阻,否则,整个程序运行结果就会出错(因为指定运行地址和实际运行地址不符)。
加载地址
每一个程序一开始都是存放在flash中的,而运行是在内存中,这个时候就需要从flash中将指令读取到内存中(运行地址),flash的地址就是加载地址(存储地址)。
指令在flash中存放的存储地址,就是存储地址。
所以,加载地址指的是将代码从一个地址A搬移到地址B,这时候地址A就是加载地址。
附录:STM32F0xx 实现中断向量表重定义
在STM32F103等cortex-m3/m4内核的单片机上可以通过设置SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;
该寄存器的值来实现中断向量表的重定义。
在Coretext-M3与M4核中,在System Control Block中存在一个向量表偏移量寄存器 VTOR(
0xE000ED08
),系统产生中断后,内核通过这个寄存器的值来找到中断向量表的地址,进而执行中断例程代码。当然,此寄存器的值是可以修改的,它的默认值为0。实际上在大部分的M3和M4的工程中,一般都是在
SystemInit
函数中对此寄存器的值进行设置。
由于STM32F0XX采用的是M0核,它是没有这个VTOR寄存器的,那么它又是怎么找到中断向量表的地址的呢?
如何将中断向量表的寻找位置从0x0800 0000
修改到0x0800 3000
(假设为APP的地址)? 我们重新回顾之前的分析,可以得出有2种方法:
- 修改寄存器VTOR的值(M3/M4 使用)
- 内存重映射(M0使用)
通过将SRAM重映射到地址0x0000 0000
,那么,M0系统产生中断后,CPU还是从地址0x0000 0000
寻找中断入口,但是,实际上不再是寻址0x0800 0000
,而是寻址0x2000 0000
,这么一来,接下来我们就只需要将中断向量表整个拷贝到SRAM上,也就是0x2000 0000
上,就这样,CPU就可以正常寻址中断向量表了。
基于内存重映射实现的基本思想:
1、将中断向量表放入到RAM的起始地址(只需要在应用程序中保留RAM其实地址的0x100大小不使用即可)。
2、在bootload中将应用程序的中断向量表从Flash中拷贝到RAM中。
3、设置STM32F0xx中断向量表位于RAM中,主要用到的寄存器如下:
具体实现代码如下:
/*
* Function: void clock_init(void)
* Parameter: none
* Return: none
*/
int main(void)
{
memcpy((void*)0x20000000, (void*)APP_FLASHADDR, VECTOR_SIZE);
SYSCFG->CFGR1 |= 0x03; // SYSCFG_MemoryRemapConfig(SYSCFG_MemoryRemap_SRAM);
JumpToApp();
while (1);
}
memcpy((void*)0x20000000, (void*)APP_FLASHADDR, VECTOR_SIZE);
-
APP_FLASHADDR
是应用程序的起址地址,从这里开始的VECTOR_SIZE字节,存放是的应用程序的中断向量表。 -
VECTOR_SIZE
是指中断向量表的大小,具体多大可以在startup.s
文件里计算得到。
VECTOR_SIZE 的计算:
根据startup.s
中的语句可以推导出来。
每一个DCD都代表一个中断向量,例如:
DCD USART1_IRQHandler ; USART1
;这里的“USART1_IRQHandler"其实就是UART1中断服务程序USART1_IRQHandler这个函数,同时,它也代表这个函数的入口地址。
这张表包括45个元素,每个元素是一个长度为4字节的地址。除了第一个地址是SP(堆栈指针)外,其它的地址都是某个中断服务程序的入口地址。
针对本例,就应该是45*4=180(0xB4)个字节。
在执行完以上两行代码后,若发生中断,CPU就会去SRAM(即0x2000 0000处)取中断向量了,所以,以0x20000000作为起始地址之后的VECTOR_SIZE个字节就不能被改动了。为了达到这VECTOR_SIZE个字节不被修改的目的,如下两种方法可以实现。
在工程文件内修改SRAM的起始地址及长度:
MDK
-Options
-Target
-Read/Write Memory Areas
- 勾选
IRAM1
:填入0x020000B4
(大于或等于0x020000B4
即可)
如果使用了分散加载文件,则在分散加载文件中修改SRAM的起始地址及长度也能达到目的。