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STM32固件升级之基础知识(一)

鱼鹰Osprey 鱼鹰谈单片机 2021-01-31

预计阅读时间: 7 分钟


这里以 KEIL 开发环境和 STM32F103RET6 为例。


上电时单片机首先进入复位中断 Reset_Handler,即汇编文件的复位中断处理函数。



并且有一个中断向量表默认存在于 flash 地址开始处。



为什么说是默认呢?这是因为如果没有特殊要求的话很少会去改中断向量表。实际上这个中断向量表是可以更改的。但是在更改向量表之前必须在地址开始处建立一个向量表,因为在复位后,程序默认(硬件决定的)从 flash 开始的第一个字读取栈指针,第二字就是复位中断的入口,并根据该指针最终进入复位处理函数中执行相应的函数。如果没有这个中断向量表程序是无法启动的。


那么既然前面说可以重新设定中断向量表的位置,那必然有一个寄存器记录着这张表的位置,这就是 VTOR 寄存器。从《Cortex-M3 权威指南》可以看该寄存器的介绍:


并且向量表的偏移量有如下要求:



64*4 是因为一个表项为 4 字节。


更具体的关于更改向量表的信息查看《Cortex-M3 权威指南》。


在复位处理函数中有进入 SystemInit 函数执行,在函数里有一个设置中断向量表的位置的语句。



VECT_TAB_OFFSET 默认情况下就是 0。


因为这是官方库函数,并且上电之后必定进入复位中断函数处理,因此必定会执行重新定位向量表的操作。因此只要修改宏定义就可以重新定位向量表。


先准备两个程序,一个为 bootloader,用于更新程序,一个为 APP,即固件程序。


首先确定 BootLoader 为上电最先执行的函数,需要通过下载器下载,而 APP 则可以通过有线(spi、i2c、usart、usb)、无线(Bluetooth、WiFi)等各种方式下载,只要能够正确传输数据即可。



因为两个程序中只能有一个程序正在运行,所以可以共用 RAM。所以这个时候对一些变量就有必要进行初始化,以防 APP 程序使用的 RAM 空间存在之前的数据。


上电之后,因为硬件问题(可能是 VTOR 寄存器断电不保存数据吧),导致单片机自动从中断向量表 1 中寻找复位中断处理函数,此时必然最终会进入 BootLoader 程序中执行。因为向量表第一个字(32 字节)存放的地址就是 BootLoader 程序编译出来的中断处理函数地址。所以在这个程序一般就是初始化传输方式,然后在一定时间里判断是否需要更新固件,需要则将更新固件并跳转到第二个复位中断函数中执行,而如果超时则自动跳转到第二个复位中断函数中执行。


一般更新固件的文件类型为 bin 文件,文件可以直接拷贝到 flash 中并且执行。那么 bin 文件应该是怎样的呢?下面的就是通过 KEIL 生成的 bin 文件所含有的信息。(有关如何生成 bin 文件查看前面章节)



和普通程序的生成没多大区别,都是编译器编译得到的目标的程序。但是我们要如何让编译将程序放在该放的地址呢,即在得到这个 bin 文件之后,当从向量表的第二字获取的地址刚好指向了 Reset_Handler 函数呢?即这里面存放的地址应该是绝对地址。


通过设置 KEIL 即可:



上面设置为 0x8001000,这样在编译过程中就会将整个程序的开始放在 0x8001000,并且其他函数地址也会根据该地址自动确定地址,而变量和栈等数据则存放在 0x20000000 开始处(和 BootLoader 一样,所以它们其实是共用 RAM),这样程序才能正确执行。但是 BootLoader 怎么找到 APP 的第一个函数的地址并进入执行呢?就是从接收到的 bin 文件里找。之前说过程序的开始处就是一张向量表(编译器自动处理的),也就是这个程序的向量表开始就在 0x8001000,而 bin 文件可以直接看成一个 flash 空间,程序应该放在 0x8001000,在 bin 文件就是在文件的开始处,这样就能找到栈顶指针和复位中断处理函数了。有点绕,看示意图(数字无意义):



但是 BootLoader 虽然找到了 APP 程序的复位向量地址,并且整个 APP 程序拷贝到 0x08001000 开始处了,BootLoader 程序可以通过跳转语句调到复位中断处理函数执行,并且能从向量表出得到栈顶位置,并且其他函数地址也由编译器确定了,执行应该是没问题的。但是一旦中断来了,根据 stm32 的中断机制,肯定会从中断向量表中找地址,而找中断向量表是通过 VTOR 来定位的,而在跳转后虽然进入了复位中断处理函数,并进入了 SystemInit()中执行,也执行了重新设置 VTOR 寄存器的操作,但是你的 VECT_TAB_OFFSET 还是 0……这样一旦中断发生,通过 VTOR 定位又跑到 BootLoader 的向量表去执行处理程序了。所以在进入 APP 函数后,需要重新定位我们新的向量表,只需要修改 VECT_TAB_OFFSET 即可,而这个偏移量有限制……,而且这个偏移量其实也就是给 BootLoader 程序预留的空间,所以在这里 VECT_TAB_OFFSET 设置为 0x1000,符合限制条件,并且这个偏移量应该大于 BootLoader 程序的总大小,这样就 OK 了。


跳转到复位中断处理函数之前,必须重新设置栈顶位置,虽然是共用 RAM,但毕竟 BootLoader 程序编译下的 RAM 分配和 APP 程序编译下的 RAM 分配可能是不同的,需要重新确定栈顶位置。




总结:


1、BootLoader 两个功能,一个是一定时间内判断是否需要更新 APP,如果需要则接收并将其烧写到指定地址的 flash 空间中,并从该地址中获取栈顶指针和 Reset_Handler 指针,并跳转到该函数执行;另一个就是超时直接在该地址直接获取之前的栈顶指针和 Reset_Handler 指针并跳转执行。


2、APP 程序需要让编译器将程序存放在指定地址空间里,并重新定位中断向量表的位置。


3、每次上电复位之后程序都会直接从 BootLoader 的 Reset_Handler 函数执行,而不是从 APP 中执行。


4、这个地址有两个限制:BootLoader 程序大小和向量表地址限制,必须两者都符合要求。


-------------------------------------------------------------------------2018/7/25  Osprey


-THE END-



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