STM32的BootLoader 从SD卡更新固件
STM32的BootLoader 从SD卡更新固件
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2013-11-13 23:07:26
目
1. 前言
自从几个月前接触到有Bootloader这回事，就有一种强烈的冲动，想写一个BootLoader出来。很快在飞思卡尔的Cortex-M4单片机上实现，已经是好几个月前的事情了。然后关于BootLoader的事搁在一边好久了，这次弄个STM32的BootLoader出来，Cortex-M3的，顺便发表下博客，跟大家分享一下。
。。。
又过了大半年了吧，慢慢对BootLoader的认识也有点长进啦。特别是跟网友讨论后发现BootLoader的实现还是需要靠BootLoader程序和App程序的配合才能正常使用。在这里特别感谢网友cary_yingj
在其他网友的反馈下，本人准备再将次文档完善，把不够详细的地方写得再详细，并且力求通俗易懂一点。希望对学习BootLoader的同学们有所帮助。
2. 初识BootLoader
可能有的同学听说过BootLoader，有的同学没有听说过，这个都很正常。关于BootLoader的概念大家可以上网查一下，有比较详细的说明，我在这里说说我自己比较片面的理解，并且是针对Cortex M3说明的，实现平台为STM32F103VET6。
2.1 百度百科的BootLoader
这里借用一下百度百科对BootLoader的解释。在嵌入式操作系统中，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。在一个基于ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。
2.2 BootLoader的简单理解
BootLoader就是单片机启动时候运行的一段小程序，这段程序负责单片机固件更新，也就是单片机选择性的自己给自己下程序。可以更新也可以不更新，更新的话，BootLoader更新完程序后，跳转到新程序运行；不更新的话，BootLoader直接跳转到原来的程序去运行。
2.3 BootLoader的作用
BootLoader使单片机能自己给自己下载程序，所以在程序升级方面非常有作用。比如我们的BootLoader是通过GSM更新程序的，我们在升级单片机程序的时候，只要把新程序通过GSM发送给单片机，单片机自己实现程序更新，然后跳转到新程序执行，这样就省去我们很多升级的功夫啦。
可以想象一下如果把单片机安装在非常高的地方，或者危险的工业现场，或者封装得很难拆下来，我们很难直接给单片机下载程序，那么BootLoader的作用就体现出来了。简单的说，有了BootLoader，我们更新程序的话是省心又省力。
想想是不是很高级，还带点小兴奋哈哈。不用急，下面我们会继续介绍，让大家都能自己实现BootLoader。至于是通过什么方式升级，这个大家自由发挥，相信会设计出丰富多彩的BootLoader升级方式呢。
3. BootLoader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）。
3.1 复位序列
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。
3.1.1 栈指针
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。
3.1.2 复位向量
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。
3.2 重定位中断向量表
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。
3.2.1 STM32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
__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。
3.2.2 设置中断向量表偏移
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。
3.3 分散加载文件相关
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。
3.3.1 C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。
3.3.2 BootLoader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
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。
3.3.3 修改ROM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）。
3.4 hex文件和bin文件
3.4.1 hex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）。
3.4.2 bin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。
3.5 Bin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:\Keil\ARM\ARMCC\bin），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:\Keil\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe
--bin
-o
.\Output\MY_STM32.bin
.\Output\MY_STM32.axf
命令可以分为五部分，简化后是fromelf
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“.\Output\MY_STM32.bin”。
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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:\Keil\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe
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这部分是固定的，--bin表示生成bin文件。
参考命令：--bin
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这部分也是固定的，-o表示输出。
参考命令：-o
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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：.\Output\MY_STM32.bin
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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：.\Output\MY_STM32.axf
介绍了这些基本知识后，我们可以来实现BootLoader了。
4. 分几步实现BootLoader
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。
4.1 跑FAT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。
4.2 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。
4.2.1 Flash写入步骤
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4.2.2 读写Flash调用的库函数
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4.2.3 实现Flash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。
4.3 跳转到新程序运行
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App需要做的是：
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4.3.1 跳转到复位向量
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。
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。
4.3.2 App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 );
NVIC_SetVectorTable( base, offset );
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。
5. Bootloader具体流程
5.1 主函数流程
先看截图。
主函数的流程如下所示：
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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。
5.2 BootLoader流程
老样子，先上截图：
具体流程如下所示：
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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
5.3 跳转到新程序流程
其实上面已经讲过了，这里继续啰嗦，截图：
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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)
{
}
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