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。

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
/ l& J( F% l$ Q* l
, O1 b8 H0 d+ r. C( x3 G( ~

1. 
   
2.         MODULE  ?cstartup
   " Y. C) m4 ~/ p
3. 
   
4.         ;; Forward declaration of sections.
   
5.         SECTION CSTACK:DATA:NOROOT(3)
   
6. 
   
7.         SECTION .intvec:CODE:NOROOT(2)
   9 J' W- h4 D/ c9 M0 z
8. 
   0 t% F) E3 x) c& n
9.         EXTERN  __iar_program_start
   
10.         EXTERN  SystemInit
    
11.         PUBLIC  __vector_table
    4 D( H* f2 u/ m0 N$ l. G
12. 
    7 z6 W# H) e/ j6 m$ n/ R
13.         DATA
    0 F2 e( ?* a5 Q6 _6 h9 f2 Z: E
14. __vector_table
    1 }; b0 j$ h1 ]
15.         DCD     sfe(CSTACK)
    
16.         DCD     Reset_Handler                     ; Reset Handler
    
17. 
    3 k$ M. c; P$ [6 L& L. n
18.         DCD     NMI_Handler                       ; NMI Handler

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% n2 _0 T$ o+ H9 t1 m  h. l定义了一个 CSTACK 的段，然后在启动代码中先声明这个段

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

1 }' \. d9 r% b) L) ZDATA 进入DATA模式
$ b3 ^) |4 R/ G8 v6 K
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)
2 x  g' P. H- s6 A
% N8 l! m1 }) `* q0 V/ l# M+ Z5 B文件剩下为定义中断向量表。
$ K2 W7 D9 G. g$ `( p1 V. L

1. ;; Default interrupt handlers.
   $ A5 G* Q6 Y* l# T
2. ;;
   * Z/ ~  T% U! B
3.         THUMB
   ' Z# W3 g6 z5 v; F' o
4.         PUBWEAK Reset_Handler
   . ^9 L2 ~: w( e( h* y
5.         SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(2)
   1 _- J% c1 |4 T. }+ s
6. Reset_Handler
   ( c% Q: y7 O- Z7 R3 s8 L
7. 
   9 T) y8 X/ G. E
8.         LDR     R0, =SystemInit
   8 }& }$ W% k; p; M& j1 T. f$ o0 l6 B
9.         BLX     R0
   
10.         LDR     R0, =__iar_program_start
    
11.         BX      R0
    # k  c9 R9 {: k! _& Q; w
12. 
    4 `+ m5 m0 r0 \( [" @2 P( U1 O. p
13.         PUBWEAK NMI_Handler
    : N) K/ D/ J& _2 @! a2 I
14.         SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(1)

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6 T% n, M" d9 w- r) T% F& aTHUMB 进入THUMB模式（THUMB-2指令集）

5 J4 E% ?+ m2 Z! I) g启动文件先使用PUBWEAK 指令声明Reset_Handler为弱定义
7 K; j/ I: p$ Q1 M  `
SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(2) 从.text段开始

! ]/ i! \" ^% X' ]9 n8 DLDR R0, =SystemInit 将SystemInit指针地址赋值给R0

. E7 k& {) W; T+ W) ^" w+ QSystemInit 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
8 g/ O5 _' S- l
4 j3 r# X  b+ d( D- Q5 `/ s' G' x3 z

9 t# Q& t3 U1 Y$ K+ C8 h8 b0 i* a

1. void SystemInit (void)
   9 a/ k/ H6 v( x! h$ d
2. {
   
3. #if defined (DATA_IN_D2_SRAM)
   & B5 `% c# V! }: v7 W) L$ d, R% y) Y
4. __IO uint32_t tmpreg;
   8 y! v& f; T$ B3 }" T- {
5. #endif /* DATA_IN_D2_SRAM */
   
6. 
   
7.   /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
   
8.   #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
   
9.     SCB->CPACR |= ((3UL << (10*2))|(3UL << (11*2)));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
   
10.   #endif
    1 j8 D) Q; r! E( W
11.   /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
    ' I+ O9 t, o' C7 ], K
12.   /* Set HSION bit */
    0 v! A: b6 a. {/ R  H6 v; j1 [0 R  `+ _
13.   RCC->CR |= RCC_CR_HSION;
    ; {5 W: [; W* T& |
14. 
    
15.   /* Reset CFGR register */
    7 ?, [, x/ v5 C4 Y8 d  A( Z
16.   RCC->CFGR = 0x00000000;
      {, a# E0 b- n
17. ......
    ; S' X, N- {* w# ^6 F: G; C9 N
18.   /* Configure the Vector Table location add offset address for cortex-M7 ------------------*/
    
19. #ifdef VECT_TAB_SRAM
    4 e7 N3 b: \( X9 e
20.   SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE  | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal AXI-RAM */
    . N2 l* p3 P( ?- I8 w  X
21. #else
    
22.   SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
    
23. #endif
    
24. 
    . \- o: q7 Y# r* y) q( U! f. P
25. #endif /*DUAL_CORE && CORE_CM4*/
    ) Z  V7 u5 u5 i; f
26. 
    
27. }

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) o. R0 Y. M/ A9 ^& |SystemInit 函数完成系统时钟、RAM、中断向量表地址的初始化。

- t& }& `* [5 y/ d

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

复制代码

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

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__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
( W' ^9 j: @- b, f3 y
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？》
) A0 V, U' g6 T. n0 M
/ U- y# a7 G' ~# Q! ]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。

$ q! {+ b$ H8 G" P7 r4 ]/ X7 t- 设置PC指针 = Reset_Handler。
# A' _7 A' R& C+ c4 m# H3 m( _1 _
1 L' v5 B* u! c2 W6 c/ Y6 A; V- 设置中断向量表。
% a8 @& {- {- h6 X0 l: F; h
; [) F3 ~/ a7 f" w  Y- 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）。
( C/ B' `+ [  o( D! A0 T5 ^1 Z
8 \2 h7 I5 k( B" u- 跳转到C库中的 __main ，最终会调用用户程序的main()函数。
# n# f& K& O, j
( Y! N2 c; V3 ?$ }: c2.XIP技术
" A+ P8 J' @% T, B* h& ?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）。

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。
. W  g' ^2 k: y  k0 A+ e

/ \; E" N3 e) B8 f3 |) E/ a
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。

: C* d+ `2 C2 J3 ]$ H进一步， 为什么Nor Flash可以实现XIP，而Nand flash就不行呢？
0 \. R5 S2 v7 ?6 B; [
有一个概念：嵌入式系统中代码的执行方式：
3 _$ Q# `& R0 {( ^7 x6 ~( h0 r6 E
（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。

: f8 l- X3 a7 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。
2 O; u5 c/ |2 _& ?) g4 ?( E
（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

$ D& j  z! s) u/ A1 g

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：
$ v9 p: l- c8 l8 w两种芯片的结构不同
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。
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。

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。 ”

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：
: ^1 k$ E' g5 k( ?: g“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“
0 Z9 W8 @' R0 ?/ \. o+ V$ @要一段CODE能够正确的运行,要保证它的CODE是连续的,正确的.
1 r, X& M$ g) Z/ ]( ~' T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

+ }4 `2 l7 R  O* T0 J! \# k+ M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

3 a% C# t' X% a: E% m

) W- ~7 I* k  s% H6 }6 L3.启动文件修改
0 D1 ~+ n& W* d& [1 B) x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
; r6 F- q, j$ t! [6 c
& U" i4 @- V1 y6 j$ d

& G4 k' m, K$ a6 U

修改完成后，查看IAR配置后的icf文件，具体内容如下
' x. I" x0 H! U& I  r" @6 O8 G

1. /*###ICF### Section handled by ICF editor, don't touch! ****/
   3 C$ t7 d8 N$ L) A) L. Y
2. /*-Editor annotation file-*/
   1 j2 v* |6 F- O$ V
3. /* IcfEditorFile="$TOOLKIT_DIR$\config\ide\IcfEditor\cortex_v1_0.xml" */
   ' e5 g7 L% O6 _: W  t+ {4 L
4. /*-Specials-*/
   
5. define symbol __ICFEDIT_intvec_start__ = 0x90000000;
   
6. /*-Memory Regions-*/
   8 r2 |4 }% e  I4 i( V1 M& ^
7. define symbol __ICFEDIT_region_ROM_start__     = 0x90000000;
   1 _/ h6 T9 c1 m! t; h# k* H6 \
8. define symbol __ICFEDIT_region_ROM_end__       = 0x90100000;
     s$ ~6 F$ _" h& Z6 l2 w6 x0 x
9. define symbol __ICFEDIT_region_RAM_start__     = 0x20000000;
   
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

5 v" j+ m7 K# A0 }5 I8 E4.bootloader程序与应用程序设计
对于bootloader而言，主要的任务有一下点：
2 y# f/ m' W1 X, v
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

2、对更新到外部备份区的程序拷贝到应用区
) D8 P( q8 [" q  K" g+ Y
) \7 B6 c1 o+ x! }# [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

& ~7 I1 n8 W) u. E6 ^$ I- E& c

, U  O3 K4 k$ B/ W! `) j# A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：
/ B( o& Y0 Z% y( L* r: _- O+ ?
9 X# Q( z% D( V8 }0 `- F0 O% ?+ N

: E& F+ B: e/ V
1 B2 |* b0 |. Z2 [0 x* t0 e* d' B
( b! a( E: Z6 B& b  g' l
- W: H  a" z: J8 H! W3 n% B
6 _- l4 z6 e8 {9 p/ h0 }