代码收藏家技术教程 2023-06-07

GD32（7）芯片程序烧录和运行详解

简介

微控制器在硬件中作为核心，通过执行保存在内部存储器中的程序，运行各种外设，并通过引脚，控制其它电路，而将程序保存在微控制器内部存储器的过程，被称为烧录。

烧录的方式可分为以下三种：

ICP（In-Circuit Programmer，在电路编程）

ISP（In-System Programming，在系统编程）

IAP（In-Application Programming，在应用编程）

在介绍不同烧录方式的区别前，先介绍一下微控制器的启动方式。

启动方式

微控制器的启动方式有引脚Boot0和Boot1的电平决定，一般通过拨码开关或引脚+跳线帽的方式控制，根据组合有以下三种启动方式，其中‘x‘表示高电平或低电平（即高低电平皆可）。

Boot0=0，Boot1=x

当Boot0=0, Boot1=x时，上电复位后微控制器从内部Flash的主存储区开始运行程序，该地址一般是0x0800 0000。

设置该启动模式前，程序应该被保存在内部Flash主存储区的最前面。

Boot0=1，Boot1=0

当Boot0=1, Boot1=0时，上电复位后微控制器自动运行引导装载程序，即内部Flash信息块中的Bootloader区，通过运行该程序将代码引导装载至内部Flash中，完成程序烧录。

Bootloader区的地址可能随着微控制器的不同而改变，主要是由于内部Flash的主存储区大小变化。

Boot0=1，Boot1=1

当Boot0=1, Boot1=1时，上电复位后微控制器从内部SRAM开始运行程序，该地址一般是0x2000 0000。

同理，设置该启动模式前，程序应该被保存在内部SRAM的最前面，并且由于SRAM掉电后不会保留数据，因此不能进行复位等操作，一般该启动模式用于调试程序。

烧录方式

ICP

ICP（In-Circuit Programmer）指在电路中编程，需要ST-Link、J-Link等烧录器进行烧录（此时使用JTAG、SWD等接口），使用该烧录方式时，通过烧录器连接计算机和微控制器后通过keil5进行程序烧录（听说除了keil5还有其它软件，但都需要烧录器），此时烧录文件为编译后产生的bin文件。

通过ICP进行烧录时，启动方式设置为第1种，即Boot0=0，Boot1=x，以在烧录完成并复位后直接从内部Flash开始运行。

虽然这时候在硬件设置启动方式为Boot0=0，Boot1=x，但烧录器会在下载时调整为Boot0=1，Boot1=0以进行程序烧录，但这不影响后续复位后的程序运行。

ISP

ISP（In-System Programming）指在系统编程，不需要烧录器，但同样需要将计算机和微控制器连接，用于作为程序的数据进行传输，可以使用USB、USB转串口模块（常用）等方式进行烧录，在烧录时计算机需要打开ISP烧录软件，并选择对应的模式，一般不同微控制器使用的ISP软件不同，下图分别是ST和GD使用的ISP软件。

红框中为烧录时选择模式，DTR（Data Terminal Ready）表示数据终端准备好，RTS（Request To Send）表示请求发送。可以看到都是通过串口进行烧录的（当然还有其它的ISP软件）。

通过ISP烧录时，启动方式设置为第2种，即Boot0=1，Boot1=0，运行引导装载程序以将传输的数据作为程序存储在内部Flash最前面，烧录完成后需要修改启动方式为第1种。

通过ISP方式烧录到程序文件通常是hex文件。

当然，使用此种模式一般将Boot0接到按键上，然后不按下接高电平，按下后接低电平，此时通过ISP烧录前按住按键即可。

IAP

IAP（In-Application Programming）指在应用编程，不需要通过烧录器、USB等设备与计算机连接，但需要从SD卡等存储设备获取新程序（bin文件）进行自我更新（当然，通过USB、UART等接口获取的程序也可行）。

IAP烧录方式的烧录逻辑是：在内部Flash的最前面烧录第1个程序（称为Bootloader程序），其次在相对0800 0000具有偏移的位置存储第2个程序（称为APP程序）。在Bootloader程序中，完成APP程序的更新，以及跳转至APP程序执行。

APP程序则和上述两种烧录方式烧录的程序相同，为正式运行的程序。

IAP的作用

IAP一般可以用于产品的程序更新，避免更新时需要对其进行收回、拆解等步骤，并且方便用于自行操作。

IAP与ICP、ISP的运行差别

ICP和ISP都是将1个程序存储到内部Flash中并运行，程序在内部Flash中的存储空间分布如下图所示，最前面是栈顶地址，其次是各个中断向量，然后是各个中断向量对应的中断程序入口，最后是main函数入口。

程序运行时，栈指针指向复位中断向量，其次通过该向量跳转至复位中断程序中运行，复位中断程序一般在startupxx.s文件中定义，用于初始化系统并跳转至main函数运行，最后进入main函数执行循环。当中断请求出现时，栈指针指向对应中断向量，并通过该向量跳转至对应的中断程序中运行，运行结束后再回到原位置，继续运行循环中的内容。

IAP是从Bootloader程序中跳转至APP程序中运行，因此在内部Flash中的空间分布略有不同，如下图所示，在执行Bootloader程序的main函数时，进行APP函数的跳转过程，最后执行APP程序中的main函数。当中断请求出现时，栈指针指向Bootloader程序中断向量表中对应中断向量，并通过该向量及程序偏移值跳转至对应的中断程序中运行，运行结束后再回到原位置，继续运行循环中的内容。

IAP的Bootloader程序实现

Bootloader程序主要完成APP程序的更新以及跳转，其中APP程序的更新即从接口或存储设备中获取后存放在内部Flash对应区域中接口（相对首地址有偏移量）。

APP程序的跳转可参考以下代码，其中& 0x2FFE0000并与0x20000000判断是否相等，表示该地址在0x20000000 ~ 0x2001 0000之间（理论上可修改，在内部SRAM中即可）。

void GotoApp(u32 appAddr)
{
  //App复位中断服务函数
  void (*appResetHandler)(void); 

  //延时变量
  u32 delay;

  //检查栈顶地址是否合法.
  if(0x20000000 == ((*(u32*)appAddr) & 0x2FFE0000)) 
  {
    //获取App复位中断服务函数地址，用户代码区第2个字为程序开始地址(复位地址)
    appResetHandler = (void (*)(void))(*(u32*)(appAddr + 4));

    //设置App主栈指针，用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址
    SetMSP(*(u32*)(appAddr));

    //跳转到App
  	__set_FAULTMASK(1);//关闭所有中断
	NVIC_SystemReset();//系统复位
  }
}

其中SetMSP为汇编程序编写的函数，如下所示，其中r0为addr的地址，具体可参考ARM架构基本寄存器一文及该专栏。

__asm static void SetMSP(u32 addr)
{
  MSR MSP, r0
  BX r14
}

IAP的APP程序实现

APP程序为用户程序，实际上任意程序都可以，但需要进行相应的配置，配置步骤如下：

设置起始地址和存储空间
在keil中设置起始地址和存储空间的大小，如下图所示，在Options for Target 'Target1’对话框中，打开Target标签页，勾选IROM1选项，并将起始地址设置为0x8010000，大小为0x70000（即448KB，可修改，用于存放APP程序），此时APP程序代码存放地址即为Flash起始地址加上相对偏移量X（这里将偏移量X设置为10000），即0x08010000。

2. 设置中断向量表偏移量

在APP程序的main函数执行硬件初始化前，加入以下代码，设置相对偏移量X为0x10000。

nvic_vector_table_set(FLASH_BASE,0x10000);

设置bin文件生成
通过上面两个步骤即可生成APP程序，但keil默认生成hex文件，因此需要设置生成bin文件：如下图所示，在Options for Target 'Target1’对话框中，打开Target标签页User标签页，勾选Run#1选项，并在对应的User command栏中添加格式转换工具fromelf.exe路径、bin文件存放路径和用户程序路径，3个路径之间通过空格隔开。