最近公司开发的一个项目使用到STM32H7系列芯片，由于该系列芯片内部flash只有128k，为了方便产品的远程升级，需要开发对应的升级协议及bootloader引导程序。由于片内flash容量不够，需要采用外挂flash的方式存储应用程序，片内flash单纯作为bootloader引导程序存储空间。为了节省成本采用单QSPI flash外挂BANK2作为应用程序外部存储。

4 s3 E$ g0 S! h0 y9 u

# ~& w2 D) `+ d# N8 d5 }7 G! u5 U
1.STM32H7启动流程
IAR工程建立后，系统默认生成的启动文件为startup_stm32h750xx.s，默认生成工程一般在EWARM目录下

1. 
   6 q  s" F6 s; h7 U* }2 C6 b
2.         MODULE  ?cstartup
   / Y: W3 F- v6 Y% m4 \9 n
3. 
   : z  G. U/ z  s' q6 S2 X+ Z0 q% l
4.         ;; Forward declaration of sections.
   ( d. M" W7 J  E& @5 ?
5.         SECTION CSTACK:DATA:NOROOT(3)
   
6. 
   8 ]1 ~3 l7 Z, m6 [! B
7.         SECTION .intvec:CODE:NOROOT(2)
   ! H" u4 p# \: ~; e" u* g
8. 
   
9.         EXTERN  __iar_program_start
   
10.         EXTERN  SystemInit
    
11.         PUBLIC  __vector_table
    
12. 
    2 x2 R6 Q9 f3 h2 X1 i+ n% U
13.         DATA
    5 d/ x, z. i- ^! x& ]2 l' M2 U
14. __vector_table
    8 \1 P- L6 k) p" L% |( D
15.         DCD     sfe(CSTACK)
    
16.         DCD     Reset_Handler                     ; Reset Handler
    
17. 
    
18.         DCD     NMI_Handler                       ; NMI Handler

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定义了一个 CSTACK 的段，然后在启动代码中先声明这个段

* {. U; X1 Q* w3 Z. q定义 .intvec 段，中断向量独立在一个叫 .intvec 的段当中，这个段是 4字节对齐（2^2）所以用 DATA 来首先处理向量的入口地址为 4的倍数，然后放向量表
2 a' A. l, A3 q1 [
DATA 进入DATA模式
9 x- x7 X+ J3 G" R. T( j
DCD sfe(CSTACK) 通过 SFE 运算得到改段的结束地址(注意这个运算是在link的时候完成，链接文件为xxxx.icf,比如：stm32h750xx_flash.icf)
- H% W. p: X3 d! y+ k' x
文件剩下为定义中断向量表。
0 g; R% ^( \; E1 u; T8 s2 ]$ r

1. ;; Default interrupt handlers.
   : Z! s' P. _/ b$ a  y% F/ z
2. ;;
   5 O" f: |5 \. T6 v5 _+ b7 j. n
3.         THUMB
   6 G' M5 a6 ^5 u$ o7 L1 _! S1 }9 M
4.         PUBWEAK Reset_Handler
   
5.         SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(2)
   
6. Reset_Handler
   
7. 
   8 ?  W, o9 H) z. W) {
8.         LDR     R0, =SystemInit
   
9.         BLX     R0
   
10.         LDR     R0, =__iar_program_start
    
11.         BX      R0
    4 r' _* I3 s: g3 U/ j1 i/ E
12. 
    
13.         PUBWEAK NMI_Handler
    6 d* b$ y9 h; E* N
14.         SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(1)

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THUMB 进入THUMB模式（THUMB-2指令集）
" F+ }  w9 |' J+ q! @
/ J; f0 A4 K* x6 @$ H  M, D- |启动文件先使用PUBWEAK 指令声明Reset_Handler为弱定义

. |. M- o( o/ b/ F# K- h6 b/ ^SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(2) 从.text段开始

* V; H, h5 o- F1 h0 P5 JLDR R0, =SystemInit 将SystemInit指针地址赋值给R0

0 M! n: }' v! B: KSystemInit 函数一般由STM32 库提供，对于STM32 HAL库，该函数一般位于system_stm32h7xx.c文件中

5 X+ E" M: H! }7 r0 x3 m
' Q1 Y+ v  T9 |3 J" O( @9 q2 ]

1. void SystemInit (void)
   - D+ G/ B5 @7 q. S, i$ C& J# g
2. {
   0 r1 E( P. n8 v% p5 T+ P
3. #if defined (DATA_IN_D2_SRAM)
   + ]3 C0 v1 \$ ]* H  K
4. __IO uint32_t tmpreg;
   
5. #endif /* DATA_IN_D2_SRAM */
   1 [' Z  H8 d; `; b- S3 T, H- x4 C
6. 
   2 a/ g7 T, \# |4 s* a/ N
7.   /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
   - M- Z6 s' T# O, ?/ Y
8.   #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
   , I, j3 a! J, S6 R  W
9.     SCB->CPACR |= ((3UL << (10*2))|(3UL << (11*2)));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
   
10.   #endif
    0 @( ]* |- q1 V7 _; F, ?% F5 @- _
11.   /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
    
12.   /* Set HSION bit */
    
13.   RCC->CR |= RCC_CR_HSION;
    
14. 
    ( F* W3 N. ^* {) v- ~6 k  `
15.   /* Reset CFGR register */
    0 c# B1 x! l/ ^
16.   RCC->CFGR = 0x00000000;
    
17. ......
    
18.   /* Configure the Vector Table location add offset address for cortex-M7 ------------------*/
    ) _  F. m3 Z  P0 H& W3 L! w
19. #ifdef VECT_TAB_SRAM
    
20.   SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE  | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal AXI-RAM */
    + h: }3 M; a1 j$ Q4 w# |
21. #else
    
22.   SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
    ; f7 u# p( A6 x
23. #endif
    4 T& Z: t8 `* T# O, l$ r) D" h
24. 
    / }& J4 X- J6 v$ e2 |' M, d; g
25. #endif /*DUAL_CORE && CORE_CM4*/
    ( n* }- n* c( H& w, m6 ]5 D
26. 
    , u4 M* W8 w. Y
27. }

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4 ?$ M4 D0 a2 T. cSystemInit 函数完成系统时钟、RAM、中断向量表地址的初始化。
' G# Y( ]1 {4 g3 m' Y2 K7 _9 E
$ K6 T! [- H( D8 i  j! y; b

1. BLX     R0 跳转到*R0*中的地址，执行SystemInit 并返回

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1. LDR     R0, =__iar_program_start //将__iar_program_start地址赋值给R0

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9 ?6 `0 o; ^, d$ w( u8 B__iar_program_start 函数一般都IAR系统提供，,我们可以在IAR工程中Option进行修改

: f' E! B" t& A5 ^5 u6 m" z( U. z( C如果想具体了解__iar_program_start干了那些事情，可以参考《在main()之前，IAR都做了啥？》

$ S# ?2 ^. p( g; O启动文件主要完成如下工作，即程序执行过程：

3 H* m! b* c, ^4 U# Y! L5 S- 设置堆栈指针SP = __initial_sp。

- 设置PC指针 = Reset_Handler。
* j  _( S7 {8 Z$ j' W0 z
- 设置中断向量表。

: R) w; r( u! K% S& l4 X7 L; w; D- 配置系统时钟。

- 配置外部SRAM/SDRAM用于程序变量等数据存储（这是可选的）。

: b& e8 s: x- m* j0 L+ t! X  B- 跳转到C库中的 __main ，最终会调用用户程序的main()函数。

( X9 n% F9 P" k2.XIP技术
( U2 C0 ]" s; z& VXIP，executed in place，本地执行。操作系统采用这种系统，可以不用将内核或执行代码拷贝到内存，而直接在代码的存储空间直接运行。采用这样的技术既可以节省可用内存又可以减少加载的时间。应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。flash内执行是指nor flash 不需要初始化，可以直接在flash内执行代码。但往往只执行部分代码，比如初始化RAM.比如在arm处理器中，Nor flash就存放了引导系统启动的Bootloader，不过大小比较小（仅2M空间）。

" n! E/ O; ~+ o% o$ T- g
但是，Flash的存储器访问周期要比RAM大得多，在使用XIP技 术后可能会降低程序的运行速度，不过由于CPU的指令预取机制以及Cache机制，实际使用起来并不会明显降低应用程序的运行速度。
! O8 r& f$ f: T1 E4 X2 O5 o

而右边的图，是针对Nor Flash的，这个很明显，CPU可以像读内存一样，直接跟Nor flash交互，即可以直接从Nor Flash中取指令，然后交给译码模块和执行模块进行执行，可以说，相比较Nand flash，Nor flash的操作对于CPU来说，简直就像是面对面一样。

进一步， 为什么Nor Flash可以实现XIP，而Nand flash就不行呢？

有一个概念：嵌入式系统中代码的执行方式：
. F% ~. A! I9 o: ^
9 _  t. S- {7 w（1）完全映射：嵌入式系统程序运行时，将所有代码从非易失存储器（Flash、ROM等）复制到RAM中运行。
# z1 x7 m( H+ u6 S* M
- P1 R  q5 U" ?（2）按需分页：只复制部分代码到RAM中，这种方法对RAM中的页进行导入/导出管理，如果访问位于虚存中但不在物理RAM中会产生页错位，这时才将代码和数据映射到RAM中。
; b: h; x3 b9 O1 e
& u, ~8 B9 H( Y! G  Z% i+ V9 ]（3）XIP：在系统启动时，不将代码复制到RAM，而是直接在非易失性存储位置执行，RAM中只存放需要不断变化的数据部分，如下图
/ {/ b. M+ _/ s  ]3 k

* H7 ]2 N4 ?0 F# v& r' h" q7 A; b3 }如果非易失性存储器（Flash）的读取速度与RAM相近，则XIP可以节省复制和解压的时间，Nor flash和rom的读取速度比较看（约100ns），比较适合XIP，而Nand flash的读取操作是基于扇区的，速度相对很慢（us级），因此不适合实现XIP系统，不过Nand flash的写速度比Nor的快，更适合做存储和下载系统。
* N  k: J. s5 ~1 N% V. j2 e% C  P. y) r
解释二：
) X" K3 S3 l- o/ M5 j/ i两种芯片的结构不同
$ O4 g. p$ D: V1 [* nNOR flash之所以可以片内执行，就是因为他符合CPU去指令译码执行的要求。CPU送一个地址出来，Nor flash就能给出一个数据让CPU执行，中间不需要额外的处理操作。
NAND flash不一样是因为nand flash有地址，数据，命令共用IO口的问题，cpu把地址发出来之后，并不能直接得到数据，还需要控制线的操作才能完成。就是他没有专用的SRAM接口。

/ n3 G) A: A8 `% I& d解释三：
芯片内执行主要是是看芯片可不可以线性存储代码（假如硬件支持芯片接口），只要能保证芯片的存储空间是线性的（也就是无坏块），都可以片上执行，在读取Flash时候，容易出现“位翻转（bitconvert），在Flash的位翻转（一个bit位发生翻转）现象上，NAND的出现几率要比NorFlash大得多。这个问题在Flash存储关键文件时是致命的，所以在使用NandFlash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法。 ”

7 b8 w* b( ^" J# r: X* V/ {但是，如果能保证不出错，也还是可以进行XIP，可以在其上执行代码的：
“所谓XIP,就是CODE是在FLASH上直接运行. NANDFLASH只是不适合做XIP,但并不是不能做XIP“
要一段CODE能够正确的运行,要保证它的CODE是连续的,正确的.
2 d0 m9 P% r$ ~! R由于一些电气特性的原因,NOR FLASH能够做到这一点,不存在坏道或坏块,所以能够做XIP.
而对于NAND FLASH, 它只保证它的BLOCK 0是好的,其他的块并不保证,虽然出错的几率比较低,但还是有出错的可能,所以CODE可能无法连续正确地执行.
* a8 L2 ^3 A9 e
但只要你有额外的保障措施,比如说在执行CODE之前去做一次ECC校验,来确保CODE是连续正确的.那你也可以做XIP. 有人这么做了,而且也证明是成功的

由于芯片外挂的是W25Q16 为NOR flash，支持XIP，并且STM32H7系列芯片QSPI FLASH支持内存映射模式。STM32H7芯片可以将W25Q16芯片内的应用程序映射到地址0x90000000，虚拟为芯片内部内存进行执行。由于产品为了节省成本没有采用QSPI 双flash模式，执行效率会再降低一点。经过测试从bootloader跳转到应用程序，起来需要经过约2.6s左右。具体中断执行效率还需进行进一步测试。
QSPI执行速度对比图

2 a, \( q6 s# \- i( i" S+ Y8 B* N$ ^$ h

3.启动文件修改
. @. K# ~4 f( f! i" y! w+ ]对于bootloader程序，程序再芯片内部128k flash中执行，程序默认启动执行地址为0x8000000，无需修改IAR 的link链接配置文件。
对于应用程序，需将IAR 的link链接配置文件****.icf文件中的__ICFEDIT_intvec_start__ 地址，__ICFEDIT_region_ROM_start__地址，__ICFEDIT_region_ROM_end__地址进行修改，具体可以通过IAR options->Linker->Config,里面进行修改

+ \: w& f! L5 ~  o, i

' V5 r7 G; I) j  ?3 Y% ?
4 a; l. \! q1 T9 X, R5 k

修改完成后，查看IAR配置后的icf文件，具体内容如下
/ q" D  D; r& |
) T0 X+ D2 C) e$ S- T1 I

1. /*###ICF### Section handled by ICF editor, don't touch! ****/
   
2. /*-Editor annotation file-*/
   9 @9 g1 f6 V% K3 ]- q, l
3. /* IcfEditorFile="$TOOLKIT_DIR$\config\ide\IcfEditor\cortex_v1_0.xml" */
   : _: ^- i& ]: Q* H+ l
4. /*-Specials-*/
   : `8 b. M$ l- C
5. define symbol __ICFEDIT_intvec_start__ = 0x90000000;
   ! f# l+ m4 a9 {% w8 u3 _
6. /*-Memory Regions-*/
   
7. define symbol __ICFEDIT_region_ROM_start__     = 0x90000000;
   
8. define symbol __ICFEDIT_region_ROM_end__       = 0x90100000;
   
9. define symbol __ICFEDIT_region_RAM_start__     = 0x20000000;
   1 Q, Y: d) R/ R( K3 f
10. define symbol __ICFEDIT_region_RAM_end__       = 0x2001FFFF;
    
11. define symbol __ICFEDIT_region_ITCMRAM_start__ = 0x00000000;
    
12. define symbol __ICFEDIT_region_ITCMRAM_end__   = 0x0000FFFF;

复制代码

* }, u9 G- q2 D# r9 u9 K) ^4.bootloader程序与应用程序设计
$ u+ P6 C. c5 @: ]# |7 G对于bootloader而言，主要的任务有一下点：

1、接受和处理上位机下发的更新程序，并将其写入到外部flash备份区

8 K+ F9 u- W/ L0 o# q2、对更新到外部备份区的程序拷贝到应用区

3、初始化QSPI为内存映射模式，引导程序启动，跳转到应用程序

. i, i5 c, Q( [) g6 p/ _9 ^8 l) S) d' p/ y3 X

" `. E. B4 u# `8 l- g& k. C: C
& T0 k; Y8 o5 w% {* y7 V

# Z! w0 E% U4 ]% S$ b我们将STM32H7整个内部128k flash分配为bootloader程序存储区。装置上电，首先从内部flash 地址0x8000000进行启动，具体执行流程如下图所示：
& H- |+ u$ L" t* j4 o; E

9 }* l+ J& J$ V; ?

6 p& g; b: y5 B$ o' E
- ]6 j1 b+ _; X1 \1 ]