iap如何初始化_STM32F4-IAP学习笔记(一)
啰嗦两句
花了断断续续两天时间在STM32上面写了一个IAP(In Application
Programing)Boot,期间多多少少还是遇到的了不少问题。现在就花点时间把这两天写的东西整理一下,就当是学习笔记吧。本人用的芯片是
STM32F4系列,1M的FLASH,192KB的SRAM。
正文
不得不提的启动方式
STM32支持三种启动方式
1. FLASH启动
2. SRAM启动
3. 系统存储器启动
这三种启动顺序决定了上电后第一条指令的位置。如果你选择FLASH启动,则上电复位后PC指针指向第一条指令位置——0x08000000,如果
你选择SRAM启动,则上电复位后PC指针指向第一条指令位置——0X20000000,若你选择系统存储器启动,则上电复位后PC指针指向第一条指令位
置——0X1FFF0000。
为什么会这样呢?接下来我们分析一下STM32F4的存储区地址结构。
上图摘自《Cortex-M3与M4权威指南》。从这里我们可以看出M4内核支持4GB的存储空间,从0X00000000-0X1FFFFFFF
共512MB的空间是Code区,0x20000000-0x3FFFFFFF共512MB的空间是SRAM,其他的我们暂且不分析。我们再来看看
《STM32F4xx Reference manual 》中 关于F4系列的物理内存映射
从上面的物理内存映射图我们可以看出:
0x08000000-0x080FFFFF: FLASH
0x1FFF0000-0x1FFF77FF: System memory
0x20000000-0x2001FFFF: SRAM
其中FLASH大小为1MB, SRAM大小为12KB, System memory大小为30KB。
在这里解释三个问题:
《Cortex-M3&M4权威指南》中讲到“系统上电复位后,从0x00000000处加载第一条指令…..”为什么上面提到的
三种启动方式都是从非0x00000000加载第一条的呢?-这就是“地址映射”的作用了。我们通过boot0&1引脚的配置,可以选择不同的启
动方式,同时将flash或sram的基地址映射到启动空间0x00000000处,这样,加载的第一条指令位置便是我们相应的启动方式对应的存储设备的
地址了。
三种启动方式有何区别?显然,第一点不同就是地址空间不同,导致了三种启动方式启动时代码加载空间随之改变;此外System
memory是个真正的ROM,里面固化了厂家出厂时的BootLoader代码,不可重写。FLASH和SRAM则可自己重写程序完成启动,但是由于芯
片特性原因,两者的用途也不一样。FLASH就是我们常说的闪存,具有”掉电不失性”,烧写代码后,代码不会因为掉电而丢失,下次上电启动时仍然可以正常
启动,为常见的启动方式,但是缺点是运行速度较慢;SRAM是“静态随机存储器”,具有“掉电易失性”,属于RAM的一种,那么显然我们不可能将代码长保
存到SRAM中,因为下次上电后仍旧没有代码。这种启动方式常用于程序调试,即上电后下载代码,运行,进行调试,运行速度比FLASH快。
为什么FLASH不是RAM也可以运行程序?FLASH分为两种,一种是Nor FLASH, 一种是Nand
FLASH。这两者区别就不一一赘述,网上资料很多,在这里我们只需要明确:Nor FLASH 支持片内执行,Nand
FLASH不支持片内执行,而我们使用的STM32F4系列芯片内置的1MB的FLASH属于Nor FLASH,所以便有从FLASH启动这一说法。
解释完这三个问题,我们便可以谈谈IAP了
关于IAP
IAP全称为 In Application
Programing,即“应用内编程”,按照我个人的理解就是:我们通常下载到开发板上的程序其实是两部分——BOOT+APP,
BOOT代码负责必要的堆栈,中断向量表等初始化,而APP才是我们真正需要的功能代码,而STM32已经有.s启动文件支持,所以我们无需关注BOOT
部分,只需完成相应的功能代码即可,通常无论你代码内有多少功能,但你下载的文件只有一个,即BOOT+APP,且只能通过特定的方式写入到FLASH或
者SRAM内运行。而应用内编程,则打破了这个规则,原则上只要存储空间无限大,我们就可以使用IAP可以下载到FLASH内部无限多个应用程序。
下面我简单的画一下两者的运行机理:
应该不难看出,其实所谓的IAP,就是先写一个APP作为伪BOOT,在系统初始化完成之后,引导系统加载真正的APP程序,使之运行,完成真正的
APP程序的功能。这样我们就可以下载多个APP在不同空间内,只要让引导程序做出相应的跳转工作,便可以实现运行对应APP功能。
讲到这里,我们先来思考下面四个问题:
伪BOOT完成了哪些工作?
APP程序是如何下载到开发板上去的,对空间有特殊要求吗?
伪BOOT到APP之间的跳转如何完成?
APP程序需要具有哪些功能?
下来我们就来分析分析
刚才已经提到过,伪BOOT其实就是我们平时写的APP程序,为什么我要叫他伪BOOT呢?因为他并不是一个真正的BOOT程序,他也是一个BOOT+APP程序,只不过这个程序在IAP编程中完成的工作很像一个BOOT程序,所以我起了个名字叫做伪BOOT。
我们先来看看一般BOOT程序完成的工作:单片机上电复位之后,程序指针PC指向0x00000000(映射到FLASH的0x08000000或者SRAM的0x20000000处),这里存放的是用户堆栈栈顶地址,获取到栈顶指针后,程序指针向后偏移4个字节,指向0x00000004(映射到FLASH的0X80000004或者SRAM的0X20000004),这里存放的是系统中断复位的指针,
然后程序跳转到Reset_Handler执行SystemInit(系统复位)工作,在系统复位中系统关闭了中断,初始化系统时钟等等。然后跳转到
__main进行堆栈初始化,最后跳转到.C文件中的main函数中执行相应的功能。【这里只做概述,过两天有时间了专门写一篇关于STM32启动流程分
析的文章^-^】。
我们可以看到,系统初始化部分是必须的,关键我们要修改的就是最后这一步跳转,如和让程序跳转跳转到我们编写的APP代码中而不是跳到伪BOOT中
的APP程序呢?其实这也是可以的,我们只需要将我们编写的用户APP程序中启动代码删掉,其余代码将伪BOOT中的用户程序代码覆盖掉就可以,但这样好
像失去了IAP的意义。IAP本来就是期望用户“不拆机在线升级”。这样搞岂不是更复杂了?
所以,更常见的做法是:伪BOOT完成系统初始化后,进入APP程序,此时利用APP实现两个功能:
检测是否需要升级某个用户APP
跳转到指定APP运行空间运行
我们可以依靠UART,USB,IIC等一切板上通信外设完成第一个功能。如果需要升级或更新某个APP,则通过某种通信方式将我们编译好的bin
文件发送到单片机上,单片机伪BOOT中的程序接收这些数据并根据需要使用FLASH写操作将这些代码写到指定的FLASH空间(这里我们只讨论
FLASH)。当需要执行某个用户APP程序时,可以在伪BOOT的主程序中修改程序指针PC,使系统跳转到指定用户APP程序所在的FLASH空间,然
后运行,就可以完成跳转到相应的APP程序的功能。
道理很简单。我们编写伪BOOT程序使之有通信,FLASH读写,地址跳转功能就可,在启动启动后,因为程序还运行在伪BOOT
里,我们依靠BOOT程序中的功能,检测是否需要更新用户APP,需要更新则进行数据通信,并将数据通过FLASH操作写入FLASH,然后执行程序跳转
指令,使系统跳转到对应的APP程序空间,就可以执行对应的程序功能。
这里有几个问题需要注意一下:
我们并没有裁减掉用户APPx中的boot代码,所以某种程度来说,烧进FLASH中的至少是两套或两套以上的【boot+app】程序,只不过我们的伪BOOT是为了完成引导,其余的APP都是用户功能程序罢了。
从问题1来看,既然每一个程序都是完整的,如果我们的伪BOOT通过串口接收到我们编译好的完成工程的bin文件,并写入到FLASH中
0x08004000之后,那么0x08004000这个地址里面存放的是什么东西?用户APPx
main函数地址?错!应该是用户APPx程序的BOOT代码的第一行,也就是程序代码的用户堆栈栈顶地址,那0x08004004理所当然就是APPx程序的BOOT代码里的系统中断复位指针。
从问题1和2我们可以推断出,由伪BOOT引导后跳转到用户APP程序,系统又进行了一次复位操作,而且和伪BOOT是一模一样的复位操作,但此时有个明显的问题就是,我们的中断向量表多
套,每套中断向量表都对应的是自己APP的中断入口,但是用户程序执行时遇到中断,跳转会跳到哪里去呢?如果我们在用户APP中不加以修改,中断向量表的
偏移量仍旧是以0x08000000为基地址计算得到的,所以任何一个用户APP都会跳转到伪BOOT中的中断向量,造成不可预料错误。但是幸好
STM32提供了中断向量偏移寄存器,我们可以通过修改这个寄存器的值,将每个APP程序的中断向量对应到自己所在空间的正确地址。完成中断操作。
FLASH空间是在编译链接后就确定的,所以在你下载程序之前,你的程序地址已经确定,这样我们就需要在keil的配置文件中更改ROM的
地址,使APP程序可以烧写到一个正确的FLASH空间,即不会破坏其他程序空间,又能被正确引导启动,一般来讲,伪BOOT文件大小越小越好,这样可以
为APP程序节留下很多空间。而我个人建议将伪BOOT文件单独放在第一扇区,即0x08000000-0x08003FFF【16KB】,因为程序中在
进行FLASH写操作之前可能需要擦除,但往往擦除会擦除掉一整个扇区,如果对内存理解不到位或者程序编写有误,也会将伪BOOT擦除掉,使引导系统崩
溃。
我们的传输的APP程序一定经过keil编译过的完整的工程形成的二进制——bin文件。因为我们是将文件数据直接发送到开发板上,不经过
特殊的解析,直接写入到FLASH中,所以这就要求我们发送的文件一定是内存中最终存储的二进制文件,而不是hex和axf文件。hex是十六进制文件,
我们打开可以看到一串ASCII码,对应着地址信息和数据,而axf则包含着调试器调试信息,是通过JLINK或者STLINK解析后下载到开发板上的。
至于bin文件的生成,我们可以使用keil自带的fromelf.exe工具。
而APP程序的功能丝毫没有限制,和大家平时写的一模一样。这样,就完成了整个IAP编程。
简单总结一哈
IAP用途很大,比如无线下载,快速升级,远程系统维护等等,这些都是IAP的具体应用,当然还有更多好玩的等你去发现。其实我学习IAP主要是想
玩玩无线下载,因为环境问题整天抱着电脑跑太累了,如果再改一改代码,也可以实现BOOT-APPx之间的任意跳转,可以让下载和引导随心所欲。不过今天
主要还是分享一下IAP编程的思想和一些细节问题,关于具体的编码过程,后面有时间我会在下一篇文章里分享。
对啦,上面都是自己的理解,如果大家发现其中有什么讲的不对的地方,欢迎指正,共同学习~
以上
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