STM32的BootLoader 从SD卡更新固件

预备知识 我们这里是为ARM的Cortex-M3单片机写的BootLoader，需要了解一下M3内核的架构，并且要了解M3单片机是怎么启动的等等。这个方面的知识，可以参考《Cortex-M3权威指南》，这里的话我只是为了实现BootLoader简单介绍一下，大家有什么不清楚的请参考权威指南。并且这里是以STM32为例说明问题的，使用的开发环境是RVMDK（Keil）。

　　这里参考的是《Cortex-M3权威指南》的3.8节，复位序列。

　　M3单片机复位后，从0x00000000取栈指针（SP）， 从0x00000004取复位向量（PC），有了栈指针和复位向量后，单片机就按照正常流程运行了，在BootLoader里面，我们更新完程序后需要做的步骤之一就是设置栈指针，跳转到复位向量。

　　栈是一种数据结构，后进先出LIFO。借用百度百科的解释：栈由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。它使用的是一级缓存，他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放。

　　复位向量是一个函数地址，在Cortex M3单片机里是复位函数的地址。也就是单片机启动后第一个执行的函数。

　　这里参考《Cortex-M3权威指南》的7.3节，向量表。

　　BootLoader是一个完整的程序，下载的新程序（以下称为App）也是一个完整的程序。都包含中断向量表，所以的话，我们是有两个中断向量表，相信因为有两个向量表，大家都知道我们应该需要对这两个向量表做点什么吧。

　　的中断向量表 我们只看前16个向量，因为其余的向量属于外设使用，与Cortex M3内核无关。

　　__Vectors DCD __initial_spTop ; Top of Stack

　　DCD Reset_Handler ; Reset Handler

　　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

　　__initial_spTop就是栈指针，Reset_Handler是复位向量。这里只显示了16个向量，CortexM3单片机的话总共有256个向量，也就是从栈指针的地址开始有1KB的区域属于中断向量表。

　　单片机启动默认先运行BootLoader，所以默认的中断向量表位置是BootLoader的中断向量表。为了App可以正常运行，下载完App后，我们还需要把中断向量表重新定位到App程序那里。根据《Cortex M3权威指南》，介绍一下怎样重定位中断向量表。

　　Cortex-M3单片机有一个管理中断向量表的寄存器，叫做向量表偏移量寄存器(VTOR)（地址：0xE000_ED08）。具体可以看看截图：

　　



　　STM332程序的起始地址一般在0x08000000。所以BootLoader程序是在0x08000000，不是在0x00000000是因为STM32的重映射技术（不符合Cortex-M3的设计，有点搞另类的感觉）。所以BootLoader的中断向量表在0x08000000那里。如果我们的App程序起始地址在0x08070000，并且App的中断向量表在起始地址，那么BootLoader程序下载App后，为了App程序能正确运行，开始App程序的运行后第一步，就要把中断向量表重定位到0x08070000那里。

　　具体实现下面会再介绍，接下来介绍分散加载文件相关内容。

　　这一节涉及的内容主要属于分散加载文件，大家具体上网了解，这里只是介绍了能够实现BootLoader的一小部分。

　　语言的函数地址 我们知道C语言的函数名就是函数的地址，并且STM32单片机ROM的起始地址是在0x08000000，那么使用编译器编译程序的话（这里使用的是RVMDK），函数的地址默认都在以0x08000000为首的一段ROM里面了。比如我们一个函数Delay()，它的地址可以是0x08000167（Cortex
M3中函数的地址0bit位一般是1），也就是Delay函数的代码在0x08000167，C语言函数调用Delay时，就是执行0x08000167的代码。

　　占用的ROM 我们需要注意的问题是，如果不修改程序默认的起始地址的话，那么BootLoader和新App程序的起始地址都是0x08000000，也就是他们重叠了（代码重叠），这样的话肯定相互之间有影响，程序是不能正常工作的。

　　这里的解决方法是，BootLoader程序依然占用0x08000000为首的那段ROM，因为STM32的默认就是从0x08000000运行程序的。保持BootLoader程序先能正确运行。然后App使用除BootLoader占用ROM以外的空间。这里需要知道BootLoader到底占用了多少ROM，很简单，查看MAP文件就行了。这里以我的BootLoader的MAP文件为例说明一下，看截图：

　　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)

　　主要是这句话“Base: 0x08000000, Size: 0x00006da4, Max: 0x00080000”，这句话说明了我的BootLoader程序是从0x08000000开始，占用了0x00006DA4大小。只要我们的App不要和BootLoader程序占用的空间冲突就可以了。我的App程序的起始地址选择为0x08070000，不与BootLoader程序冲突。具体怎么修改ROM起始地址，下面介绍。

　　起始地址 编译新程序的时候，我们要修改程序的起始地址，我的修改方法如下（开发环境是RVMDK）：打开Target Option...，切换到Target选项卡，如下

　　



　　修改IROM1的起始地址和长度：

　　比如，为了不产生地址冲突，我将起始地址0x08000000修改成0x0807000，将ROM长度0x80000修改成0x10000。如下图所示（左图为修改前、右图为修改后）：

　　



　　



　　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下载的程序）。

　　文件和bin文件 文件 平时我们用j-Link或者串口下载程序的话，都是打开hex文件下载的，因为hex文件包含地址信息，下载程序的时候知道程序下载到ROM的哪个区域。从另一个角度上说，也就是hex文件是不能直接写进ROM的，一边写需要一边转换（解码出地址信息，将对应内容写入ROM）。

　　文件 bin文件的话，很好理解，是直接的可执行代码。也就是bin文件的内容跟下载ROM里面的内容是一样的。bin文件是没有包含地址信息的，所以在下载之前要知道bin文件是要下载到ROM的那个区域。

　　我们的BootLoader下载的是bin文件，直接写进STM32的Flash里面，地址信息的话就是上一节的IROM，0x08070000，从0x08070000开始连续写入，中间不间断。

　　文件生成 默认情况下编译后生成的是hex文件，不过很轻松可以生成bin文件。介绍具体怎么生成bin文件，工具的话是使用fromelf.exe（目录一般是在Keil安装目录里面，本人的fromelf.exe目录是在C:KeilARMARMCCbin），我们是使用fromelf工具将axf文件转换为bin文件。

　　熟悉命令行的同学可能会选择直接敲命令，不过这里介绍使用RVMDK提供的用户命令（编译时可以自动生成bin，省去每次生成bin文件都要敲命令的过程）。

　　打开Target Option...，切换到User选项卡，如下

　　



　　主要是在运行用户命令，Run #1

　　



　　具体命令是（记得在Run #1前打勾，才会在编译后执行用户命令生成bin文件）：

　　C:KeilARMARMCCbinfromelf.exe

　　--bin

　　-o

　　.OutputMY_STM32.bin

　　.OutputMY_STM32.axf

　　命令可以分为五部分，简化后是fromelf --bin -o xxx.bin xxx.axf，需要注意的是命令的五个部分之间要有空格。还需要说明的是路径问题，这里的路径都是相对.uvproj文件的，下面是我的目录（注意MY_STM32.uvproj文件和Output文件夹）。

　　



　　我的bin文件和axf文件都在Output文件夹里面，并且路径是相对MY_STM32.uvproj的，Output文件夹里的bin文件（MY_STM32.bin）相对于MY_STM32.uvproj应该写成“.OutputMY_STM32.bin”。

　　l 第一部分

　　这部分是fromelf.exe文件的路径，根据自己的安装目录而变。我这里因为Keil是安装在C盘的，所以我的路径如下所示。

　　参考命令：C:KeilARMARMCCbinfromelf.exe

　　l 第二部分

　　这部分是固定的，--bin表示生成bin文件。

　　参考命令：--bin

　　l 第三部分

　　这部分也是固定的，-o表示输出。

　　参考命令：-o

　　l 第四部分

　　这部分是生成文件的目录和文件名，我是输出在Output文件夹的，也就是bin文件在Output文件夹里面。

　　参考命令：.OutputMY_STM32.bin

　　l 第五部分

　　这部分是axf文件的目录和文件名，我们的bin文件是根据axf文件生成的，也就是说axf文件相当于输入，bin文件相当于输出。我的axf文件也在Output文件夹的。

　　参考命令：.OutputMY_STM32.axf

　　介绍了这些基本知识后，我们可以来实现BootLoader了。

　　有了前面的基础知识后，应该是比较容易理解BootLoader需要怎么实现了。这一章，我们分几个步骤，一步一步实现BootLoader。

　　文件系统 我们的BootLoader是从SD卡更新程序的，把在电脑上编译后的App程序，也就是bin文件，复制到SD卡中，然后让单片机读取相应的bin文件，就可以实现程序的更新。需要注意的是，App程序需要修改ROM的起始地址，再编译，并且要生成bin文件才支持正常下载。

　　我跑的文件系统是FATFS_R0.07c，很经典的一个版本。如果大家对文件系统方面不了解的话，请自己网上查找教程，或者说很多同学对这一步应该已经很熟悉啦。

　　只要单片机上实现读取bin文件，结合Flash写入程序，就可以实现程序更新。下面介绍读写Flash。

　　程序 要实现BootLoader，还有一个前提是可以写入Flash了。如果是STM32单片机的话是很容易实现的，因为我们有官方库。本人使用的是3.0.0版本，参考官方例程，很容易实现Flash的读写，这里同样是为了实现BootLoader简单介绍一下。

　　写入步骤 l 解锁Flash

　　l 擦除Flash

　　l 写入Flash

　　l 验证读写是否正确

　　调用的库函数 l void FLASH_Unlock(void) Flash解锁

　　l FLASH_Status FLASH_ErasePage(uint32_t Page_Address) Flash擦除

　　l FLASH_Status FLASH_ProgramWord(uint32_t Address, uint32_t Data) Flash写入

　　读写 稍微封装一下STM32的官方库函数，就能实现Flash的读写，并验证读写是否正确，具体我实现的接口函数为以下截图，大家可以参考一下：

　　



　　来到这里，我们可以实现在bin文件写入Flash了，写入完后，就要跳转到App程序执行了，接下来继续介绍。

　　这一节要结合上面提到过的，Cortex-M3启动做了什么事情，然后我们的BootLoader下载App程序后，App程序就需要做同样的事情。主要有三个步骤，其中BootLoader程序需要做的是：

　　l 跳转到复位向量

　　App需要做的是：

　　l 重定位中断向量表

　　l 设置栈指针

　　BootLoader程序需要做的是跳转到复位向量，具体实现可以参考以下代码。

　　( (void (*)()) (Reset) )(); //跳转到复位向量

　　注意 ( (void (*)()) (Reset) )();是一去就不返回的，执行完这条语句，单片机就直接跳转到App程序运行的，所以BootLoader程序下载完App后，做一些简单的处理（根据自己的应用，也可以不做任何处理），就用这条语句跳转到App执行。

　　开始运行 BootLoader跳转到App后，App需要做的是先设置栈指针，然后重定位中断向量表地址，具体可以参考以下代码。

　　__set_MSP( Msp ); //设置栈指针

　　NVIC_SetVectorTable( base, offset ); //重定位中断向量表

　　其中Msp是栈指针，也就是中断向量表第一个字的内容，我们这里的内容是*( (uint32_t)(0x08070000) )。

　　base是中断向量表的基地址，一般情况下就是ROM的起始地址，这里是0x08070000。

　　至此，BootLoader实现步骤完了，相信熟悉了这几个步骤后，大家可以自己给自己的单片机写个BootLoader。顺便说一下，Cortex-M4的BootLoader跟Cortex-M3几乎是一样的。我在STM32上的实现完全是参考自己上次在飞思卡尔Cortex-M4上的实现。下面说一下我的主函数吧，我们再看看具体的BootLoader流程，再熟悉一下BootLoader。

　　具体流程 先看看我的主函数，再啰嗦一下具体流程，可能有的同学已经有点厌烦啦，其实感觉有点多余。

　　先看截图。

　　



　　主函数的流程如下所示：

　　l 时钟初始化

　　l LED初始化（无关紧要）

　　l 调试接口初始化（无关紧要）

　　l Flash初始化（解锁Flash）

　　l FAT初始化（挂载文件系统）

　　l 我们的BootLoader（重点，下面展开继续介绍）

　　l 主循环（实际不会运行到这里）

　　然后在具体讲解BootLoader_FromSDCard函数，这就是我们的重点，传说中STM32的BootLoader从SD卡更新固件。

　　流程 老样子，先上截图：

　　



　　具体流程如下所示：

　　l 打开bin文件，检查文件打开是否正确

　　l 设置Flash下载起始地址（App程序起始地址）

　　l 读取bin文件，检查读取是否正确

　　l 获取栈指针SP和复位向量PC

　　l 进入循环（这里是第5步），条件为如果读取bin文件字节数不为零

　　l 将读取到的bin写入Flash，并判写入状态

　　l 调整Flash地址，根据写入字节调整

　　l 继续读取bin文件，检查读取是否正确，回到5继续循环

　　来到这里已经是退出循环了，也就是说我们已经将bin写入Flash完成了，准备跳转到新程序运行

　　其实上面已经讲过了，这里继续啰嗦，截图：

　　



　　l 重定位中断向量

　　l 设置栈指针

　　l 跳转到复位向量（开始运行App程序）

　　说明一下，在这里重定位中断向量其实是多余的，App程序执行初始化后，又回到STM32初始状态，所以在App程序中需要执行重定位中断向量表操作，具体同以上操作相同。

　　啰嗦了又一遍，BootLoader完全结束，感谢大家都支持啦~

　　#include "main.h"

　　int main(void)

　　{

　　SystemInit(); //配置系统时钟为72M

　　LED_GPIO_Config(); //初始化LED端口

　　Debug_TraceIOEnable(); //使能调试printf的IO口

　　Flash_Init(); //初始化Flash

　　FAT_Init(); //初始化文件系统

　　BootLoader_FromSDCard(); //Bootloader从SD卡更新固件

　　while(1)

　　{

　　LED_StatShow( FuncErr ); //LED显示Bootloader状态

　　}

　　}