STM32的BootLoader 從SD卡更新固件

  需要注意的是：BootLoader下載新程序后并不擦除自己（BootLoader程序還在），下次啟動(dòng)依然先運(yùn)行BootLoader程序，又可以選擇性的更新或者不更新程序，所以BootLoader就是用來(lái)管理單片機(jī)程序的更新。

  這是本人的大概理解，大家有不明白請(qǐng)網(wǎng)上搜索一下更詳細(xì)介紹吧。

__initial_spTop就是棧指針，Reset_Handler是復(fù)位向量。這里只顯示了16個(gè)向量，CortexM3單片機(jī)的話總共有256個(gè)向量，也就是從棧指針的地址開始有1KB的區(qū)域?qū)儆谥袛嘞蛄勘怼?/div>單片機(jī)啟動(dòng)默認(rèn)先運(yùn)行BootLoader，所以默認(rèn)的中斷向量表位置是BootLoader的中斷向量表。為了App可以正常運(yùn)行，下載完App后，我們還需要把中斷向量表重新定位到App程序那里。根據(jù)《CortexM3權(quán)威指南》，介紹一下怎樣重定位中斷向量表。
3.2.2   設(shè)置中斷向量表偏移Cortex-M3單片機(jī)有一個(gè)管理中斷向量表的寄存器，叫做向量表偏移量寄存器(VTOR)（地址：0xE000_ED08）。具體可以看看截圖：
STM332程序的起始地址一般在0x08000000。所以BootLoader程序是在0x08000000，不是在0x00000000是因?yàn)?/font>STM32的重映射技術(shù)（不符合Cortex-M3的設(shè)計(jì)，有點(diǎn)搞另類的感覺）。所以BootLoader的中斷向量表在0x08000000那里。如果我們的App程序起始地址在0x08070000，并且App的中斷向量表在起始地址，那么BootLoader程序下載App后，為了App程序能正確運(yùn)行，開始App程序的運(yùn)行后第一步，就要把中斷向量表重定位到0x08070000那里。
具體實(shí)現(xiàn)下面會(huì)再介紹，接下來(lái)介紹分散加載文件相關(guān)內(nèi)容。
3.3       分散加載文件相關(guān)這一節(jié)涉及的內(nèi)容主要屬于分散加載文件，大家具體上網(wǎng)了解，這里只是介紹了能夠?qū)崿F(xiàn)BootLoader的一小部分。
3.3.1   C語(yǔ)言的函數(shù)地址我們知道C語(yǔ)言的函數(shù)名就是函數(shù)的地址，并且STM32單片機(jī)ROM的起始地址是在0x08000000，那么使用編譯器編譯程序的話（這里使用的是RVMDK），函數(shù)的地址默認(rèn)都在以0x08000000為首的一段ROM里面了。比如我們一個(gè)函數(shù)Delay()，它的地址可以是0x08000167（CortexM3中函數(shù)的地址0bit位一般是1），也就是Delay函數(shù)的代碼在0x08000167，C語(yǔ)言函數(shù)調(diào)用Delay時(shí)，就是執(zhí)行0x08000167的代碼。
3.3.2   BootLoader占用的ROM我們需要注意的問(wèn)題是，如果不修改程序默認(rèn)的起始地址的話，那么BootLoader和新App程序的起始地址都是0x08000000，也就是他們重疊了（代碼重疊），這樣的話肯定相互之間有影響，程序是不能正常工作的。
這里的解決方法是，BootLoader程序依然占用0x08000000為首的那段ROM，因?yàn)?/font>STM32的默認(rèn)就是從0x08000000運(yùn)行程序的。保持BootLoader程序先能正確運(yùn)行。然后App使用除BootLoader占用ROM以外的空間。這里需要知道BootLoader到底占用了多少ROM，很簡(jiǎn)單，查看MAP文件就行了。這里以我的BootLoader的MAP文件為例說(shuō)明一下，看截圖：
Memory Map of the image
  Image Entry point :0x08000131
  Load Region LR_IROM1 (Base: 0x08000000,Size: 0x00006da4, Max: 0x00080000, ABSOLUTE)
   Execution Region ER_IROM1 (Base: 0x08000000, Size: 0x00006d54, Max:0x00080000, ABSOLUTE)
主要是這句話“Base:0x08000000, Size: 0x00006da4, Max: 0x00080000”，這句話說(shuō)明了我的BootLoader程序是從0x08000000開始，占用了0x00006DA4大小。只要我們的App不要和BootLoader程序占用的空間沖突就可以了。我的App程序的起始地址選擇為0x08070000，不與BootLoader程序沖突。具體怎么修改ROM起始地址，下面介紹。
3.3.3   修改ROM起始地址編譯新程序的時(shí)候，我們要修改程序的起始地址，我的修改方法如下（開發(fā)環(huán)境是RVMDK）：打開TargetOption...，切換到Target選項(xiàng)卡，如下

修改IROM1的起始地址和長(zhǎng)度：
比如，為了不產(chǎn)生地址沖突，我將起始地址0x08000000修改成0x0807000，將ROM長(zhǎng)度0x80000修改成0x10000。如下圖所示（左圖為修改前、右圖為修改后）：

  

注意：BootLoader程序是不需要修改的，只是App需要修改（App就是使用BootLoader下載的程序）。
3.4       hex文件和bin文件3.4.1   hex文件平時(shí)我們用j-Link或者串口下載程序的話，都是打開hex文件下載的，因?yàn)?/font>hex文件包含地址信息，下載程序的時(shí)候知道程序下載到ROM的哪個(gè)區(qū)域。從另一個(gè)角度上說(shuō)，也就是hex文件是不能直接寫進(jìn)ROM的，一邊寫需要一邊轉(zhuǎn)換（解碼出地址信息，將對(duì)應(yīng)內(nèi)容寫入ROM）。
3.4.2   bin文件bin文件的話，很好理解，是直接的可執(zhí)行代碼。也就是bin文件的內(nèi)容跟下載ROM里面的內(nèi)容是一樣的。bin文件是沒有包含地址信息的，所以在下載之前要知道bin文件是要下載到ROM的那個(gè)區(qū)域。
我們的BootLoader下載的是bin文件，直接寫進(jìn)STM32的Flash里面，地址信息的話就是上一節(jié)的IROM，0x08070000，從0x08070000開始連續(xù)寫入，中間不間斷。
3.5       Bin文件生成默認(rèn)情況下編譯后生成的是hex文件，不過(guò)很輕松可以生成bin文件。介紹具體怎么生成bin文件，工具的話是使用fromelf.exe（目錄一般是在Keil安裝目錄里面，本人的fromelf.exe目錄是在C:\Keil\ARM\ARMCC\bin），我們是使用fromelf工具將axf文件轉(zhuǎn)換為bin文件。
熟悉命令行的同學(xué)可能會(huì)選擇直接敲命令，不過(guò)這里介紹使用RVMDK提供的用戶命令（編譯時(shí)可以自動(dòng)生成bin，省去每次生成bin文件都要敲命令的過(guò)程）。
打開TargetOption...，切換到User選項(xiàng)卡，如下

主要是在運(yùn)行用戶命令，Run#1

具體命令是（記得在Run#1前打勾，才會(huì)在編譯后執(zhí)行用戶命令生成bin文件）：

C:\Keil\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe

--bin

-o

.\Output\MY_STM32.bin

.\Output\MY_STM32.axf

命令可以分為五部分，簡(jiǎn)化后是fromelf --bin  -o xxx.bin  xxx.axf，需要注意的是命令的五個(gè)部分之間要有空格。還需要說(shuō)明的是路徑問(wèn)題，這里的路徑都是相對(duì).uvproj文件的，下面是我的目錄（注意MY_STM32.uvproj文件和Output文件夾）。

我的bin文件和axf文件都在Output文件夾里面，并且路徑是相對(duì)MY_STM32.uvproj的，Output文件夾里的bin文件（MY_STM32.bin）相對(duì)于MY_STM32.uvproj應(yīng)該寫成“.\Output\MY_STM32.bin”。
l      第一部分
這部分是fromelf.exe文件的路徑，根據(jù)自己的安裝目錄而變。我這里因?yàn)?/font>Keil是安裝在C盤的，所以我的路徑如下所示。
參考命令：C:\Keil\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe
l      第二部分
這部分是固定的，--bin表示生成bin文件。
參考命令：--bin
l      第三部分
這部分也是固定的，-o表示輸出。
參考命令：-o
l      第四部分
這部分是生成文件的目錄和文件名，我是輸出在Output文件夾的，也就是bin文件在Output文件夾里面。
參考命令：.\Output\MY_STM32.bin
l      第五部分
這部分是axf文件的目錄和文件名，我們的bin文件是根據(jù)axf文件生成的，也就是說(shuō)axf文件相當(dāng)于輸入，bin文件相當(dāng)于輸出。我的axf文件也在Output文件夾的。
參考命令：.\Output\MY_STM32.axf
介紹了這些基本知識(shí)后，我們可以來(lái)實(shí)現(xiàn)BootLoader了。


4. 分幾步實(shí)現(xiàn)BootLoader有了前面的基礎(chǔ)知識(shí)后，應(yīng)該是比較容易理解BootLoader需要怎么實(shí)現(xiàn)了。這一章，我們分幾個(gè)步驟，一步一步實(shí)現(xiàn)BootLoader。
4.1       跑FAT文件系統(tǒng)我們的BootLoader是從SD卡更新程序的，把在電腦上編譯后的App程序，也就是bin文件，復(fù)制到SD卡中，然后讓單片機(jī)讀取相應(yīng)的bin文件，就可以實(shí)現(xiàn)程序的更新。需要注意的是，App程序需要修改ROM的起始地址，再編譯，并且要生成bin文件才支持正常下載。
我跑的文件系統(tǒng)是FATFS_R0.07c，很經(jīng)典的一個(gè)版本。如果大家對(duì)文件系統(tǒng)方面不了解的話，請(qǐng)自己網(wǎng)上查找教程，或者說(shuō)很多同學(xué)對(duì)這一步應(yīng)該已經(jīng)很熟悉啦。
只要單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)讀取bin文件，結(jié)合Flash寫入程序，就可以實(shí)現(xiàn)程序更新。下面介紹讀寫Flash。
4.2       讀寫Flash程序要實(shí)現(xiàn)BootLoader，還有一個(gè)前提是可以寫入Flash了。如果是STM32單片機(jī)的話是很容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槲覀冇泄俜綆?kù)。本人使用的是3.0.0版本，參考官方例程，很容易實(shí)現(xiàn)Flash的讀寫，這里同樣是為了實(shí)現(xiàn)BootLoader簡(jiǎn)單介紹一下。
4.2.1   Flash寫入步驟l      解鎖Flash
l      擦除Flash
l      寫入Flash
l      驗(yàn)證讀寫是否正確
4.2.2   讀寫Flash調(diào)用的庫(kù)函數(shù)l      voidFLASH_Unlock(void)                                     Flash解鎖
l      FLASH_Status FLASH_ErasePage(uint32_tPage_Address)           Flash擦除
l      FLASH_Status FLASH_ProgramWord(uint32_t Address, uint32_tData)  Flash寫入
4.2.3   實(shí)現(xiàn)Flash讀寫稍微封裝一下STM32的官方庫(kù)函數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)Flash的讀寫，并驗(yàn)證讀寫是否正確，具體我實(shí)現(xiàn)的接口函數(shù)為以下截圖，大家可以參考一下：

來(lái)到這里，我們可以實(shí)現(xiàn)在bin文件寫入Flash了，寫入完后，就要跳轉(zhuǎn)到App程序執(zhí)行了，接下來(lái)繼續(xù)介紹。
4.3       跳轉(zhuǎn)到新程序運(yùn)行

  這一節(jié)要結(jié)合上面提到過(guò)的，Cortex-M3啟動(dòng)做了什么事情，然后我們的BootLoader下載App程序后，App程序就需要做同樣的事情。主要有三個(gè)步驟，其中BootLoader程序需要做的是：

l      跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量

App需要做的是：

l      重定位中斷向量表
l      設(shè)置棧指針
4.3.1   跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量BootLoader程序需要做的是跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量，具體實(shí)現(xiàn)可以參考以下代碼。
( (void (*)()) (Reset))();   //跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量
注意( (void (*)()) (Reset) )();是一去就不返回的，執(zhí)行完這條語(yǔ)句，單片機(jī)就直接跳轉(zhuǎn)到App程序運(yùn)行的，所以BootLoader程序下載完App后，做一些簡(jiǎn)單的處理（根據(jù)自己的應(yīng)用，也可以不做任何處理），就用這條語(yǔ)句跳轉(zhuǎn)到App執(zhí)行。
4.3.2   App開始運(yùn)行BootLoader跳轉(zhuǎn)到App后，App需要做的是先設(shè)置棧指針，然后重定位中斷向量表地址，具體可以參考以下代碼。
__set_MSP( Msp);                 //設(shè)置棧指針
NVIC_SetVectorTable( base, offset);   //重定位中斷向量表
其中Msp是棧指針，也就是中斷向量表第一個(gè)字的內(nèi)容，我們這里的內(nèi)容是*((uint32_t)(0x08070000) )。
base是中斷向量表的基地址，一般情況下就是ROM的起始地址，這里是0x08070000。
至此，BootLoader實(shí)現(xiàn)步驟完了，相信熟悉了這幾個(gè)步驟后，大家可以自己給自己的單片機(jī)寫個(gè)BootLoader。順便說(shuō)一下，Cortex-M4的BootLoader跟Cortex-M3幾乎是一樣的。我在STM32上的實(shí)現(xiàn)完全是參考自己上次在飛思卡爾Cortex-M4上的實(shí)現(xiàn)。下面說(shuō)一下我的主函數(shù)吧，我們?cè)倏纯淳唧w的BootLoader流程，再熟悉一下BootLoader。


5.Bootloader具體流程

  先看看我的主函數(shù)，再啰嗦一下具體流程，可能有的同學(xué)已經(jīng)有點(diǎn)厭煩啦，其實(shí)感覺有點(diǎn)多余。

5.1       主函數(shù)流程先看截圖。

主函數(shù)的流程如下所示：
l      時(shí)鐘初始化
l      LED初始化（無(wú)關(guān)緊要）
l      調(diào)試接口初始化（無(wú)關(guān)緊要）
l      Flash初始化（解鎖Flash）
l      FAT初始化（掛載文件系統(tǒng)）
l      我們的BootLoader（重點(diǎn)，下面展開繼續(xù)介紹）
l      主循環(huán)（實(shí)際不會(huì)運(yùn)行到這里）
然后在具體講解BootLoader_FromSDCard函數(shù)，這就是我們的重點(diǎn)，傳說(shuō)中STM32的BootLoader從SD卡更新固件。
5.2       BootLoader流程

老樣子，先上截圖：

具體流程如下所示：
l      打開bin文件，檢查文件打開是否正確
l      設(shè)置Flash下載起始地址（App程序起始地址）
l      讀取bin文件，檢查讀取是否正確
l      獲取棧指針SP和復(fù)位向量PC
l      進(jìn)入循環(huán)（這里是第5步），條件為如果讀取bin文件字節(jié)數(shù)不為零
l      將讀取到的bin寫入Flash，并判寫入狀態(tài)
l      調(diào)整Flash地址，根據(jù)寫入字節(jié)調(diào)整
l      繼續(xù)讀取bin文件，檢查讀取是否正確，回到5繼續(xù)循環(huán)
來(lái)到這里已經(jīng)是退出循環(huán)了，也就是說(shuō)我們已經(jīng)將bin寫入Flash完成了，準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)到新程序運(yùn)行
5.3       跳轉(zhuǎn)到新程序流程其實(shí)上面已經(jīng)講過(guò)了，這里繼續(xù)啰嗦，截圖：

l      重定位中斷向量
l      設(shè)置棧指針
l      跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量（開始運(yùn)行App程序）
說(shuō)明一下，在這里重定位中斷向量其實(shí)是多余的，App程序執(zhí)行初始化后，又回到STM32初始狀態(tài)，所以在App程序中需要執(zhí)行重定位中斷向量表操作，具體同以上操作相同。
啰嗦了又一遍，BootLoader完全結(jié)束，感謝大家都支持啦~

附錄A 主函數(shù)

#include "main.h"
int main(void)
{
        SystemInit();                                               //配置系統(tǒng)時(shí)鐘為72M
   
   LED_GPIO_Config();                            //初始化LED端口
   Debug_TraceIOEnable();                          //使能調(diào)試printf的IO口
   
   Flash_Init();                                     //初始化Flash
   FAT_Init();                                      //初始化文件系統(tǒng)
   
   BootLoader_FromSDCard();                        //Bootloader從SD卡更新固件

   while(1)
        {
       LED_StatShow( FuncErr);                     //LED顯示Bootloader狀態(tài)
        }      
}



   

附錄B 更新說(shuō)明

l      版本：V1.01
l      時(shí)間：2014-4-8
l      作者：coolweedman
l      更新：說(shuō)明Bootloader程序和App程序需要配合才能實(shí)現(xiàn)BootLoader，App程序需要重定位中斷向量表
l      特別感謝：網(wǎng)友cary_yingj的研究和分享


參考文獻(xiàn)
[1]     《CM3權(quán)威指南CnR2》Joseph Yiu 著  宋巖 譯
[2]     ST官方庫(kù)3.0.0
[3]     《C和指針》KennethA. Reek著  徐波譯
[4]     FATFS文件系統(tǒng)
[5]     其他互聯(lián)網(wǎng)資料