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高级篇——STM32在线升级之中断向量重定向深度剖析

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eefishing 发布时间:2019-12-19 23:53
在做stm32 iap升级固件的时候通常需要多份中断向量表。比如bootloader的中断向量表在0x00000000位置,应用程序的中断向量表则会放在flash的另一个地方或者是放在RAM中运行。
( N0 v' Z6 P) j: x% u% {
要维护向量表位置就需要用VTOR这个东西,那么就要先从VTOR来聊聊, 先弄清这个东西又是干嘛的。

) w5 v; `$ K0 t, v3 E! V. u
VTOR是arm内核的一个寄存器,叫做中断向量偏移量寄存器。当系统上电启动的时候CPU会从先找到中断向量表的位置,然后从表中找到复位中断Reset_Handler,而main函数的执行实际上就是在复位中断函数中的。如下汇编代码就是复位中断服务函数,该函数在启动文件中定义。在Reset_Handler 中会执行__main(),而main函数又是被__main()调用了。
- p- g9 K9 P7 E  Z3 j5 G
Reset_Handler    PROC
2 ^- |0 S. i- u                 EXPORT  Reset_Handler                 [WEAK]5 Y! \1 L1 ^# h/ ^) i7 I
        IMPORT  __main
/ r$ O$ M  b9 }2 a4 `9 P        IMPORT  SystemInit
( T% G; {- ^3 P' F                 LDR     R0, =SystemInit+ |8 Z; y5 b- \7 t' B3 Q$ N
                 BLX     R02 Q2 ?* g) c- M" v; E
                 LDR     R0, =__main
! S* b/ m3 U: Y  V/ D! ^9 k1 S                 BX      R0! R# b* W: _7 e7 |- D+ R+ @3 }
                 ENDP1 U6 Q$ S2 H# I2 N0 u  e( S3 @0 W' [
6 ~/ }0 J+ T1 |  w

8 x3 ?7 V' Y& v9 h; ?7 o& v
前面复习一下ARM处理器启动到执行main的一个大概流程。再回归正题继续探讨这个VTOR。当来一个中断时,cpu就会从0x0000000+VTOR位置找到中断向量表,然后再查表跳转到对应的中断服务函数去执行。所以你代码里面存在多份中断向量表是可以的,只需要动态改变VTOR的值就可以了。
2 @3 o: _# y2 _# d& L8 F
1 ?2 Y/ N6 u8 q/ X# f5 j" ?
APP的中断向量放在flash中:6 F/ b" I5 G/ n8 E
如下图所示,在运行bootloader的时候用的是他自己的bootloader,当从bootloader跳转到app以后就需要用app的向量表了。所以进入APP的首要任务就是设置VTOR值为0x0x8001000,再产生中断的时候让cpu去app的向量表里找中断服务函数入口。
5 L5 {5 U7 I! A$ B( L% B/ C8 J
) u7 V! Y$ W; r8 N& E
所以从在app中重定义向量表是不是很简单。但是有个前提,就是要有VTOR寄存器。实际上,并不是所有stm32都带有VTOR的。准确的说是因为ARM-CORTEX-M0内核的芯片没有,所以stm32F0系列所采用M0内核的芯片就没有VTOR。但是还有需要注意的就是L0系列使用的M0+内核和M0内核又是不同的,是有VTOR的。

$ \( q" {% s$ G' u9 E; S
这就意味着stm32F0系列没有办法使用这种简单的修改VTOR的方式重新定位APP的中断向量表。那肯定还有其他思路,就是稍微麻烦一点。

) ^& h7 W+ ~& |" n7 J+ ]4 K; A
中断向量放在RAM中:
那就是把中断向量表放在RAM中去,并且针对F0没有VTOR的还必须把中断向量表拷贝到RAM的起始地址。
- B# H- R  k+ `4 \
为什么这样做,因为前面我们提到过CPU默认会认为0x00000000处放的就是向量表。那么我们换种思路可以把RAM的地址映射到0x00000000处。这个通过配置SYSCFG寄存器的MEM_MODE就可以把RAM地址映射到0x00000000处。
* H2 I: r0 C+ H2 c7 M

. j% R& n6 P0 }
这时候再进入到APP以后首要任务就是把APP的中断向量表拷贝到RAM的起始地址,并且修改MEM_MODE位。

& [, W# U' X4 r: G7 Y1 v
在代码里面比较简单的做法就是在ram起始地址处定义一个数组,上电以后把向量表拷贝到这个数组中。如下代码是在MDK中定义的方法,在IAR或者GCC定义的方式会有区别。
8 L. L' c) Y1 X3 F
__IO uint32_t vector_t[48 __attribute__((at(0x20000000)));% M6 i. B- ]+ h& j! O  j7 o

. J# m$ J. @6 w' V$ A

+ j, C5 O) v% e: {$ l
但是要编译通过还需要在mdk配置里面把ram的起始地址设置为0x200000c0,前面的0xc0的空间腾出来存放定义的这个数组。

! q. M+ W# M; v' R, p$ V) f7 W1 @
有VTOR的系列向量表放在RAM中
stm32F0系列内核决定了即便把向量表放在RAM中也只能放在RAM的起始位置而不能任意放。但是有VTOR的型号就可以随便放。这样分配存放向量表的数组也可以不用定位在0x20000000位置了。可以如下方式定义:

/ C0 x- i! U; u2 E& ~( G5 f. c
__align(256) uint32_t vector_t[48];3 V! z  H, c) }; e

" P1 g/ K0 N# B" t" c& s: G; w2 F
' _" L) t& P8 I! N  D
可以看到虽然没有了必须放在ram起始地址的限制,但是还是要遵守一定的规则。就是对齐有要求的。比如L0系列有48个中断向量,一共占用内存为48*4=192bytes。扩大为2的整次方为256:28=256。所以就要求向量存储的地址必须是256对齐的。存放在0x0或者0x20000100都可以满足要求。

( H2 C! ]1 q* a
另外这种方式虽然更灵活了一些,但是却造成了一定RAM空间的浪费。我在这样定义编译以后查看MAP文件如下,红色的区域空出来的一段内存空间就会被浪费掉:

% H# n/ b# ]5 c
5 m+ [; P2 u! _: O* r- L2 W
关于0X00000000地址
; e3 z* Q. \. ?$ w7 {
前面说过默认cpu会从0x00000000地址来取向量表,那么stm32的flash都是从0x8000000地址开始的,这时候不设置VTOR偏移为什么也可以正常运行。实际上当从用户flash启动的时候,从0x8000000或者0x00000000访问的都是同一片区域。所以cpu从0x0取向量表相当于取的就是0x8000000地址处的数据。

6 S, V+ x1 E* H) `% z. W0 K
更进一步理解,stm32通过配置boot脚(或者SYSCFG中MEM_MODE位)有三种启动模式选择,这三种模式的本质就是看把那个区域重映射为0x00000000地址。这样CPU取第一条指令就是从哪里取:

7 j5 _/ l1 a- Z) P
  • 从用户flash区启动,用户flash起始地址被映射到0x00000000上
  • 从系统flash区启动,系统flash起始地址被映射到0x00000000上,上电就执行内置的bootloader
  • 从RAM区启动,RAM起始地址被映射到0x00000000上,这时候你再回过去看我刚才说的F0无VTOR寄存器实现IAP就是这样的思路。向量表放在了RAM区域的起始地址。
    5 \# D7 x4 t' p3 v  {# {) K
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