嵌入式IAP开发笔记之一：面向STM32的BootLoader程序

　　对于很多人来说，BootLoader并不是一个陌生的词，甚至会经常用到它。因为在很多情况下我们都需要BootLoader程序，比如我们需要对系统在线升级时就需要它，还有当我们需要在外部存储器中运行程序时也需要用到它。在这里我们就来设计一个应用于STM32系列MCU的BootLOader程序。

1、BootLoader的基本原理

　　既然我们想要实现一个面向STM32的BootLOader程序，那么首先我们必须来了解一下BootLOader程序的基本原理。

　　顾名思义，BootLOader程序肯定是要实现系统的引导，这是BootLOader程序的基本功能。对于STM32系列MCU来说，系统启动后都会从内部Flash存储器的起始地址开始执行程序。然后进入应用程序并按既定的顺序执行下去，这时BootLoader与应用程序是一体的，具体如图所示：

 

　　但有些时候，我们希望应用程序并不是直接运行，如我们希望对系统实现IAP的时候；或者我们希望应用程序并不在我们的内部Flash中运行；又或者应用程序虽然在内部Flash运行，但我们希望应用程序从我们指定的内部Flash地址运行等等。在这些时候我们就需要一个单独的BootLoader程序。系统首先启动BootLoader程序，系统准备就绪后进入到应用程序执行，具体如图所示：

 

　　在上图中，我们实际上将应用程序存储在内部Flash的指定位置，这样做当然是为了实现我们某种需求，如系统IAP。当然我们也可以让应用程序存储于外部Flash中，然后BootLoader程序跳转到外部Flash去执行应用程序，不过前提是外部Flash内购执行程序。具体过程如下：

 

　　当然，这只是一种示例，对于不同的存储器我们只需要修改地址就可以了。至于在BootLoader程序中要实现的功能就看使用情况了。原则上我们可以添加我们任意想要的功能，如硬件检测、系统升级等等。

2、目标BootLoader设计

　　我们的目标是实现一个面向STM32的BootLoader程序。那么接下来我们就设计如何实现一个面向STM32的BootLoader程序。

2.1、Flash规划

　　我们以STM32F407IGT6为目标MCU，这款MCU具有1M的Flash和192K的SRAM。我们将Flash划分为2个部分，一个是启动程序区(0x0800 0000 - 0x0800 3FFF )大小为16K Bytes，剩下的为应用程序区（0x0800 4000 - 0x080F FFFF）。具体分配如下图：

 

　　我们让BootLoader程序占用16K的存储空间。但它是可以操作整个Flash存储空间的。

2.2、BootLoader程序结构

　　我们来考虑一下BootLoader程序的结构问题。我们设计BootLoader程序的主要目的就是为了对应用程序进行升级。那么在BootLoader程序中主要需要实现哪些功能呢？有几个方面是必须要包括的，一是基本的配置，如时钟等，我们在主程序中实现；二是对Flash的操作，我们升级应用程序肯定会对Flash进行查处和写入操作；三是跳转控制程序，我们最终是需要去执行应用程序的，跳转功能必不可少。当然根据不同的需求可能会有其它的需要。具体如下图所示：

 

　　上图中，我们除了签署的三项基本实现外，还添加了IAP文件的获取功能。这部分功能也是需要的，但在不同的模式下可能会有较大区别。因为获取文件的方式可以是各类通讯如以太网口、串口等。也可以是各类存储器，如SD卡、U盘等。所以这一功能虽然必不可少但实现方式则非常灵活，在后续实现中，我们具体问题具体分析。

3、目标BootLoader实现

　　我们已经确定了Flash的划分，也基本明白了BootLoader的基本工作流程。在接下来我就来讨论一下究竟怎么实现一个BootLoader程序。

3.1、BootLoader编码

　　我们知道芯片上电时先运行BootLoader程序，然后跳转到应用程序区执行应用程序。所以我们在编写BootLoader程序时我们首先判断系统是否有IAP的需求，如果有IAP请求则进入IAP模式，完成后再跳转到应用程序执行，如果没有IAP请求则直接跳转到应用程序执行。具体流程如下：

 

　　关于IAP的处理在不同的情况下会有不同的处理方式，在这里我们主要看一看跳转控制程序。首先定义应用程序的首地址并声明一个函数指针类型。具体如下：

　　#define  ApplicationAddress  0x08004000    //应用程序首地址定义

　　typedef void (*pFunction)(void);        //定义跳转函数指针类型

　　可能有人要问问什么定义这样一个函数指针类型，因为我们最终是跳转到Reset_Handler函数，所以必须要一个可以指向这个函数的函数指针。接下来我们就可以实现跳转程序了。

 1 /*跳转到应用程序处理函数*/
 2 static void JumpToApplication(void)
 3 {
 4   uint32_t StackAddr;           //应用程序栈地址
 5   uint32_t ResetVector;         //应用程序中断向量表的地址
 6  
 7   pFunction JumpToApp;          //定义跳转函数指针
 8  
 9   __set_PRIMASK(1);    //关闭全局中断
10  
11   StackAddr = *(__IO uint32_t*)ApplicationAddress;              //0x08004000;
12   ResetVector = *(__IO uint32_t*)(ApplicationAddress + 4);      //0x08004004;
13  
14   if((StackAddr&0x2FFC0000)==0x20000000)        //检查栈顶地址是否合法.
15   {
16     __set_MSP(StackAddr);                       //初始化应用程序栈指针
17  
18     JumpToApp = (pFunction)ResetVector;           
19     JumpToApp();
20   }
21 }

3.2、应用程序处理

　　实现了BootLoader的编码后，要想正确的跳转到App运行，我们还需要对App作相应的修改。重要的修改有2处。如果应用程序是裸机程序则在配置时钟前我们需要打开全局中端。

　　/*开启全局中断，在BootLoader中关闭的*/

 　　 __set_PRIMASK(0);

　　同时，还需要修改中端向量表的偏移量地址。对于我们所使用的STM32F07可直接在system_stm32f4xx.c文件中修改就可以了。

　　#define VECT_TAB_OFFSET  0x4000 /*!< Vector Table base offset field.

　　实现了上述修改并不能达到我们想要的目的，我们还需要在开发环境中做必要的修改。以我们使用的IAR EWARM V8.4为例。修改icf文件中对中断向量表和Flash存储区域的设定。具体如下图：

 

　　完成上述配置后我们下载应用程序和BootLoader程序就可以实现正确的跳转了。

4、小结

　　本篇中，我们只是实现了一个简单的BootLoader程序。下载到目标MCU后实现了跳转，应用程序也正常运行，说明我们的设计是正确的，后续可在次基础上添加各种功能实现相应的IAP应用。

　　需要注意的是在BootLoader程序中我们关闭了全局中断，在应用程序初始化系统时钟之前一定要记得打开全局中断，否则SystemTick不能工作会产生硬件故障（hardfault）。不过如果App是运行在RTOS上，则打开中断可能会出错，这一点需要注意。

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