STM32单片机Bootloader指南

STM32单片机BootLoader扫盲

BootLoader和APP之间的关系

APP就是平时写的单片机上的应用程序,而BootLoader本质上和APP一样,也是平时写的应用程序。BootLoader只不过是拥有从外部接收数据,更新Flash(也就是APP),跳转至APP功能的特殊APP罢了。

以STM32F103为例,如果没有BootLoader,flash分布就如下图左半部分。如果有BootLoader,就如下图右半部分,将flash分为两部分(这里举例用0x800 4000做分界线),存储了两个应用程序(BootLoader和APP)

如何从BootLoader跳转到APP

从外部接收数据,更新Flash,普通的APP也会有这样的需求。不常见的也就是从BootLoader跳转到APP这个功能了。STM32 单片机启动流程中介绍了单片机上电后的启动流程,其实也就主要干了两件事:

  • 将栈顶位置加载到MSP寄存器中
  • 将复位中断服务函数的入口地址给PC寄存器
  • 然后单片机执行复位中断服务函数,在复位中断服务函数中设置中断向量表的偏移地址,准备C环境,最后跳转到main()函数。同理,从Bootloader跳到APP也需要干这两件事情,只不过上电时是单片机自动加载的MSP和PC,而从Bootloader跳到APP则需要我们编写函数进行跳转。

    下面是STM32 跳转到APP的具体函数,在BootLoader函数中调用即可跳转到APP_ADDR,如果该地址存放了APP的bin文件则会运行APP的复位中断服务函数(一定要记得在APP中修改中断向量表偏移地址,如APP中不修改则默认使用BootLoader的中断向量表,APP中发生中断时就会去查BootLoader的中断向量表,从而调用BootLoader的中断服务函数),进而运行APP的main()函数。同理,APP跳转到BootLoader,修改跳转地址 APP_ADDR 为BootLoader地址(这里为0x8000000)即可实现.

    /* 开关全局中断的宏 */
    #define ENABLE_INT() __set_PRIMASK(0)  /* 使能全局中断 */
    #define DISABLE_INT() __set_PRIMASK(1) /* 禁止全局中断 */
    #define APP_ADDR    0x8004000          /* APP地址 */
    /*
    *********************************************************************************************************
    * 函 数 名: JumpToApp
    * 功能说明: 跳转到APP
    * 形    参: 无
    * 返 回 值: 无
    *********************************************************************************************************
    */
    void JumpToApp(void)
    {
      void (*SysMemBootJump)(void);        /* 声明一个函数指针 */
      __IO uint32_t AppAddr = APP_ADDR;    /* APP地址 */
        
      /* 如果初始化了外设,需要反向初始化外设 */
      
      /* 设置所有时钟到默认状态,使用HSI时钟 */
      HAL_RCC_DeInit();
    
      /* 关闭滴答定时器,复位到默认值 */
      SysTick->CTRL = 0;
      SysTick->LOAD = 0;
      SysTick->VAL = 0;
    
      /* 关闭全局中断 */
      DISABLE_INT();
        
      /* 关闭所有中断,清除所有中断挂起标志 */
      for (uint32_t i = 0; i < 8; i++)
      {
        NVIC->ICER[i]=0xFFFFFFFF;
        NVIC->ICPR[i]=0xFFFFFFFF;
      } 
    
      /* 使能全局中断 */
      ENABLE_INT();
    
      /* 设置SysMemBootJump为中断服务函数入口地址,首地址是MSP,地址+4是复位中断服务程序地址 */
      SysMemBootJump = (void (*)(void)) (*((uint32_t *) (AppAddr + 4)));
    
      /* 设置主堆栈指针 */
      __set_MSP(*(uint32_t *)AppAddr);
    
      /* 在RTOS工程,这条语句很重要,设置为特权级模式,SP使用MSP指针 */
      __set_CONTROL(0);
    
      /* 进行跳转 也就是将SysMemBootJump 赋值给PC */
      SysMemBootJump(); 
    
      /* 跳转成功的话,不会执行到这里,用户可以在这里添加代码 */
      while (1)
      {
    
      }
    }
    

    常用的BootLoader+APP框架

    单片机升级的原理大致是:收到升级指令——>MCU复位或者跳转到Boot程序区——>擦除对应的Flash区域——>获取APP数据——>写入FLASH数据——>校验——>跳转到APP应用程序区

    单APP

    单APP方案将Flash分成了三个部分,Boot+APP+Config,Boot负责更新APP;APP实现程序的主要功能;Config区域主要是存放APP是否完整的标志位,协助Boot判断是否要跳转到APP。单APP有个明显的缺点:开始升级时就将原来的APP擦除了,如果升级中断则会一直停留在BootLoader,直至APP升级完成。

    双APP

    双APP方案将Flash分成了四个部分,Boot+APP1+APP2+Config,Boot负责更新APP;APP1实现程序的主要功能;APP2相当于缓冲区,Boot升级APP时,会将接收到的APP数据包写入APP2,当APP数据包全部接收完毕,再将APP2搬运到APP1,这样就避免了单APP方案,升级中断一直停留在BootLoader的尴尬; Config区域主要是存放APP1是否需要升级的标志位,协助Boot判断是否要将APP2的内容搬运至APP1。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1h8UZhVP-1634826311355)(https://note.youdao.com/yws/res/573/WEBRESOURCE9f58c37b82b61bd1f9cb2807c2d1055d)]

    STM32系统BootLoader

    STM32自举具体信息可以去官网查看手册AN2606
    如果BOOT0为高电平,复位后将从系统存储器自举(系统存储区存放着系统bootLoader,出厂时,官方固化在单片机中的一段代码,用户无法修改的。在STM32中,常用的串口下载,DFU就是系统bootLoad中的功能)

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-kkPeB2VH-1634826311356)(https://note.youdao.com/yws/res/3/WEBRESOURCE1bf266619a522750a44281bafa410193)]

    使用系统bootLoader需要在复位时调整BOOT0管脚的电平,使用起来还是比较麻烦的。系统BootLoader也是FLash中的一段程序,只不过是官方烧录的不可修改的,我们可以利用前面说的跳转到APP的方法跳转到系统BootLoader,这样就可以不修改BOOT0管脚电平,直接进入系统BootLoader,利用系统BootLoader的下载功能下载更新程序。

    在手册中的闪存章节,找到系统BootLoader的起始地址0x1FFF F000,将APP_ADDR宏定义改为系统BootLoader地址即可跳转到系统BootLoader

    /* 开关全局中断的宏 */
    #define ENABLE_INT() __set_PRIMASK(0)  /* 使能全局中断 */
    #define DISABLE_INT() __set_PRIMASK(1) /* 禁止全局中断 */
    #define APP_ADDR    0x1FFFF000         /* 系统bootloader地址 */
    /*
    *********************************************************************************************************
    * 函 数 名: JumpToApp
    * 功能说明: 跳转到APP
    * 形    参: 无
    * 返 回 值: 无
    *********************************************************************************************************
    */
    void JumpToApp(void)
    {
      void (*SysMemBootJump)(void);        /* 声明一个函数指针 */
      __IO uint32_t AppAddr = APP_ADDR;    /* 跳转地址 */
        
      /* 如果初始化了外设,需要反向初始化外设 */
      
      /* 设置所有时钟到默认状态,使用HSI时钟 */
      HAL_RCC_DeInit();
    
      /* 关闭滴答定时器,复位到默认值 */
      SysTick->CTRL = 0;
      SysTick->LOAD = 0;
      SysTick->VAL = 0;
    
      /* 关闭全局中断 */
      DISABLE_INT();
        
      /* 关闭所有中断,清除所有中断挂起标志 */
      for (uint32_t i = 0; i < 8; i++)
      {
        NVIC->ICER[i]=0xFFFFFFFF;
        NVIC->ICPR[i]=0xFFFFFFFF;
      } 
    
      /* 使能全局中断 */
      ENABLE_INT();
    
      /* 设置SysMemBootJump为中断服务函数入口地址,首地址是MSP,地址+4是复位中断服务程序地址 */
      SysMemBootJump = (void (*)(void)) (*((uint32_t *) (AppAddr + 4)));
    
      /* 设置主堆栈指针 */
      __set_MSP(*(uint32_t *)AppAddr);
    
      /* 在RTOS工程,这条语句很重要,设置为特权级模式,SP使用MSP指针 */
      __set_CONTROL(0);
    
      /* 进行跳转 也就是将SysMemBootJump 赋值给PC */
      SysMemBootJump(); 
    
      /* 跳转成功的话,不会执行到这里,用户可以在这里添加代码 */
      while (1)
      {
    
      }
    }
    

    从APP跳转到系统BootLoader后,利用STM32CubeProgrammer工具更新程序

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