STM32的bootloader程序（通过串口更新STM32应用程序）

1 什么是bootloader？

Bootloader，也被称为引导加载程序，是操作系统启动过程中的一个重要组成部分。它是存储在非易失性存储器中的一段小程序，负责在操作系统内核运行之前加载并启动一些必要的系统组件。

当计算机开机后，BIOS（基本输入/输出系统）会首先运行，检查并初始化系统硬件，然后从设定的启动设备（如硬盘、U盘等）中找到Bootloader并把控制权交给它。Bootloader随后开始执行，它会加载操作系统内核到内存，并传递一些必要的系统参数。

2 为什么需要Bootloader？

Bootloader的任务很重要，因为它构成了硬件和操作系统之间的桥梁。如果没有Bootloader，操作系统就无法启动。Bootloader还通常包括一个用户接口，允许用户在多个操作系统中选择一个进行启动，或者修改操作系统的启动参数。

3 Bootloader实例

Bootloader的具体实现和功能可能根据操作系统和硬件的不同而有所差异。例如，Linux系统常见的Bootloader有GRUB和LILO，而Windows系统通常使用的是NTLDR或BootMGR。

说实话，从单片机角度来说，上述例子并不典型。这里举个最为典型的例子：ArduinoIDE为何能给Arduino开发板下载程序？就是因为开发板上搭载了Bootloader。当串口启动后，Arduino即进入复位，进入Bootloader程序，进行监听串口，接受串口下发的应用程序，将应用程序写入arduino芯片中。这样就可以不通过ISP，JTAG等方式，而是通过串口实现了芯片上程序的更新。

具体原理，笔者在之前的文章写过，可跳转：

Arduino是如何实现打开串口时，程序复位的？-CSDN博客

4 如何实现在STM32的bootloader程序？

根据上面举的arduino的例子，我们来实现一个STM32版本的，通过串口更新程序的bootloader吧。

其运行原理大致可以归纳为以下几个步骤：

上电复位：首次给STM32供电或者按下复位键后，STM32会开始从预设的启动地址（一般是内部Flash的起始地址或者其他特定内存位置）开始运行程序。
启动阶段：在供电后的最初阶段，STM32的Bootloader会先被执行。Bootloader是一个预先在STM32内部ROM中烧录的小程序，其主要任务包括初始化硬件设备、设置系统时钟、配置内存等。
程序加载：Bootloader完成启动后，会开始加载用户程序。该程序通常存储在内部的Flash内存或者外部的存储设备中。程序被加载到SRAM中执行。如果用户程序存储在Flash中，Bootloader可以直接跳转到Flash的起始地址开始执行。
主循环：用户程序通常会包含一个主循环（main loop），在这个主循环中，程序会周期性地或者根据特定事件执行特定任务。例如，它可能会每隔一段时间读取一个传感器的数据，或者当接收到一个网络包时进行处理。
中断处理：在程序运行过程中，可能会发生各种中断，比如定时器到期、外部引脚状态变化、接收到串口数据等。当中断发生时，CPU会停止当前的任务，跳转到对应的中断服务程序进行处理，处理完毕后再返回到原来的任务继续执行。

4.1 keil编译后，HEX文件内容解读

要实现串口下载功能，就得先知道烧录程序HEX或者BIN文件究竟是个什么东西。关于HEX我以前也写过相关文章，可以跳转一下：

STM32的hex文件格式的分析-CSDN博客

关于BIN，目前还未过深的了解，印象中是二进制版本的HEX文件。

4.2 如何实现程序跳转

STM32的程序实际上就是从FLASH地址由上到下，根据指令内容，跳转到FLASH相应地址继续执行的而已。

因此，如果我们要实现从bootloader跳转到我们flash写入的地址，如何实现呢？这里给个bootloader跳转到用户程序的参考例子：

#define FLASH_SAVE_ADDR  0x08020000		//设置 FLASH 地址(必须为偶数，且其值要大于本代码所占用FLASH的大小+0X08000000)
typedef  void (*iapfun)(void);			//定义一个函数类型的参数.

//设置栈顶地址
//addr:栈顶地址
__asm void MSR_MSP(uint32_t addr) {
    MSR MSP, r0 			//set Main Stack value
    BX r14
}iapfun jump2app; 

//跳转到应用程序段
//appxaddr:用户代码起始地址.
void iap_load_app(uint32_t appxaddr) {
	if(((*(__IO uint32_t*)appxaddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) 	//检查栈顶地址是否合法.
	{ 
		jump2app=(iapfun)*(__IO uint32_t*)(appxaddr+4);		//用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)		
		MSR_MSP(*(__IO uint32_t*)appxaddr);					//初始化APP堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)
		jump2app();									//跳转到APP.
	}
}


int main(void) {
	//判断是否 PA5 按键状态，按下则跳转到 FLASH_SAVE_ADDR 地址运行另外一个程序
	if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5) == RESET) {
		iap_load_app(FLASH_SAVE_ADDR);//跳转执行FLASH_APP代码
	}
}

我们烧写的用户应用程序则需要注意修改一下地址便宜：

根据实际需要进行修改。图中Start地址与#define FLASH_SAVE_ADDR保持一致。图中Size大小则应该是0x8040000-Start地址。

并且修改Flash地址偏移（在main首句或之前赋值即可）：

SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x20000; //内部FLASH的向量表重定位

根据实际需要进行修改。这偏移值应该是 Start地址-0x8000000。

4.3 如何实现对STM32内部Flash的写入

STM32的标准库有对FLASH操作的API，可以使用这些API对FLASH进行操作。其大致流程如下：

解锁Flash：在写入Flash之前，首先需要对Flash进行解锁。STM32的Flash有写保护功能，为了防止意外操作导致的数据损坏，需要手动解除保护。解锁操作需要向特定的解锁寄存器（如KEYR）写入特定的密钥序列。
等待Flash就绪：解锁完成后，需要确保Flash处于就绪状态。可以通过检查FLASH_SR寄存器的相关位（如BSY位）来判断Flash是否处于忙碌状态。务必等待Flash就绪后再进行后续操作。
擦除目标扇区：在写入数据之前，需要先擦除目标扇区。STM32的Flash是按扇区进行擦写的，擦除一个扇区会把该扇区的所有数据设置为全1（0xFF）。擦除操作需要设置FLASH_CR寄存器的相关位，并指定需要擦除的扇区。
等待擦除完成：擦除操作需要一定的时间，因此需要等待擦除完成。可以通过检查FLASH_SR寄存器的相关位（如EOP位）来判断擦除是否完成。务必等待擦除完成后再进行后续操作。
写入数据：擦除完成后，就可以开始向目标地址写入数据了。通常，可以选择按字（32位）或半字（16位）进行写入。写入操作需要设置FLASH_CR寄存器的相关位，并将数据写入到目标地址。
等待写入完成：与擦除操作类似，写入操作也需要一定的时间。因此需要等待写入完成。可以通过检查FLASH_SR寄存器的相关位（如EOP位）来判断写入是否完成。
锁定Flash：写入操作完成后，为了防止意外操作导致的数据损坏，建议重新锁定Flash。锁定操作需要设置FLASH_CR寄存器的相关位（如LOCK位）。