
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。 0 U% _" C2 d' l6 q( l ![]() " Y* p/ c3 ^3 f: ] 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 & j3 B" W8 _6 @4 ]6 s% d4 T2 J
定义了一个 CSTACK 的段,然后在启动代码中先声明这个段 ) J; }. L4 Z; }9 O" f 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+ e( [, p) i% e) K4 q g DATA 进入DATA模式 2 g: o* H- Z c v7 C/ _ 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)) u. I L) F+ b/ V 文件剩下为定义中断向量表。 7 d5 j) ?$ X+ C9 q
THUMB 进入THUMB模式(THUMB-2指令集) 9 b7 f' Z1 d9 ^8 z" ^ 启动文件先使用PUBWEAK 指令声明Reset_Handler为弱定义/ _% H; H& P+ Z8 W% R$ v. M SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(2) 从.text段开始! B$ h1 o! r, B* R" j9 T4 ` 1 a- e4 c$ ~; i5 j+ q7 t J. ^ LDR R0, =SystemInit 将SystemInit指针地址赋值给R06 A; `" B) Z* m9 h SystemInit 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; E& m2 K- {' I; J ![]()
SystemInit 函数完成系统时钟、RAM、中断向量表地址的初始化。+ ~/ ]6 V; m: W% I0 _# ~
__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1 p8 E3 r! Q4 u7 w2 Y / O' h/ g1 l/ ~! D 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?》1 D2 H' b% s9 @; d5 `2 U 启动文件主要完成如下工作,即程序执行过程: - 设置堆栈指针SP = __initial_sp。% |& } I6 i1 K* A5 @ - 设置PC指针 = Reset_Handler。 ' m1 q3 [8 r& o+ H# O - 设置中断向量表。! n4 ^8 h" A& Q0 `% [2 Q% g# O/ X " A: I1 w" P$ _' Y7 t - 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)。 + }! ~9 P5 _' ^. O - 跳转到C库中的 __main ,最终会调用用户程序的main()函数。: ]2 v2 a: a, J3 Q0 E) z3 g; X' m 2.XIP技术 XIP,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)。 ![]() 7 ^3 o+ J8 |, w7 s 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。3 ]8 Q# t: I! O; \5 I! z4 S % t4 H. G% O9 } ![]() 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。1 p( [: R- e; }4 n ; G2 g9 i1 @+ u/ @) V% I. R# S 进一步, 为什么Nor Flash可以实现XIP,而Nand flash就不行呢? 9 M$ T3 T# x3 k I2 N$ G5 d, ] 有一个概念:嵌入式系统中代码的执行方式: ) e( D5 g: z& |+ o1 ]; F (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。 (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。 8 M1 ?9 Z& ?. ] (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 " z0 q; O8 p9 ] b4 G! j ![]() 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。 解释二:8 u* q Z: S+ } 两种芯片的结构不同5 \' o6 e T# t9 V; V NOR 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。- L, e/ H5 `/ k 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。1 }0 K$ G m, M2 g7 } 7 r! I, d$ i# K6 W* E' ~( e3 K 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。 ”4 s$ K ]* x: ~6 L/ o; q 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“! Q# K6 n B( [ u 要一段CODE能够正确的运行,要保证它的CODE是连续的,正确的.- N. R. O% ^6 Q- j# \- g 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. 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 e! ]0 M p2 |8 R. K 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。) t+ K7 S' B" ?5 }& k' y0 V8 n QSPI执行速度对比图8 n6 p: G: X9 D# T: p3 ?' z ![]() . B9 S( f9 x7 v; q2 U# D 3.启动文件修改 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。$ R% L; N1 _* e- e! F% N 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. n# j) v+ \, ]" a( N) { 7 A6 J; w3 t+ X9 E; X |' w ![]() 0 P% y/ c; y9 x+ |# P$ Y ![]() 6 n/ V. I- Y# D, |/ X 修改完成后,查看IAR配置后的icf文件,具体内容如下& _ K1 a$ z8 r$ J! ~. F0 m/ c + f3 `8 ~3 e& C
4.bootloader程序与应用程序设计3 u G3 g4 r; m6 H& i& j. T 对于bootloader而言,主要的任务有一下点: 6 n/ C4 F! L! {' i: Y 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 0 V% {0 o% p$ ^# v) ]6 c 2、对更新到外部备份区的程序拷贝到应用区+ C4 K1 O2 x4 m+ H) R$ I 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 5 c- C6 l; ?) [% F, J( { ![]() 1 ]( |. \+ q% G* w* c ![]() 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:5 {9 S1 L0 h: W& P4 V# u) g 9 g5 O5 j+ [. R- V, y( U& V ![]() . b/ n' k& p- [/ l) Q ' d; p/ ^7 X8 Z, W' v 6 m+ c0 K6 ^9 a, E' B 7 l6 P+ y% ?8 @- {( T" x |
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