STM32 BootLoader 刷新项目 (三) 程序框架搭建及刷新演示

news2025/1/16 2:55:14

STM32 Customer BootLoader 刷新项目 (三) 程序框架搭建

文章目录

  • STM32 Customer BootLoader 刷新项目 (三) 程序框架搭建
      • 典型工作流程
    • 1. 硬件原理图介绍
      • 1.1 USART硬件介绍
      • 1.2 LED和按键介绍
    • 2. STM32 CubeMX工程搭建
      • 2.1 创建工程
      • 2.2 系统配置
      • 2.3 USART串口配置
      • 2.4 配置按键GPIO和LED灯
      • 2.5 配置CRC
      • 2.6 时钟树配置
      • 2.5 工程导出设置
    • 3. 代码编写
    • 4. 工程下载、调试和演示

首先用STM32CubeMX 软件搭建基础工程，来作为二级BootLoader，一级BootLoader是STM32官方自带的startup_stm32f407zgtx.s。我们基于上述最小工程来实现Customer BootLoader的功能。本项目采用的是通过串口实现固件刷新。

image-20240622200254124

下面简单介绍一下二级BootLoder的功能与作用：

二级Customer BootLoader（CBL，Customer BootLoader）是一种在嵌入式系统中常见的软件组件。它主要负责在系统启动时执行初始引导操作，加载和运行应用程序代码。二级Customer BootLoader与一级BootLoader（通常称为Primary BootLoader, PBL）一起工作，提供了更灵活和复杂的引导机制。

典型工作流程

  1. 系统加电后，一级BootLoader（PBL）启动：
    • 负责基本硬件初始化（如设置堆栈指针、初始化RAM等）。
    • 加载并执行二级BootLoader（CBL）。
  2. 二级BootLoader启动：
    • 执行更详细的硬件初始化。
    • 验证固件的完整性和合法性。
    • 根据系统配置和状态，选择合适的固件或操作系统进行引导。
    • 加载并启动应用程序或操作系统。

目前本项目的Customer BootLoader具备：

  1. 获取软件版本；
  2. 读芯片Chip ID；
  3. 获取Flash Read Protection等级；
  4. 擦除指定Flash Sector；
  5. 更新指定Flash Sector内容；
  6. 使能读/写保护；

下面开始我们本章内容的工程搭建，其中部分图借用洋桃电子杜老师的STM F4系列的课程内容。

1. 硬件原理图介绍

1.1 USART硬件介绍

本项目采用正点原子探索者v2开发板，选用其中的左下角的USB串口进行和上位机之间的串口通信。

image-20240608085309250

正点原子STM32F4 探索者V2开发板，如下图所示，通过短接PA9-RXD，短接PA10-TXD，即将USART1与CH340芯片连接在一起，串口USART1与上位机可通过USB进行通信。

image-20240601085106572

如下图电路所示，使用一根MicroUSB结构的USB数据线，一端连接计算机的USB口，一端连接开发版左下角的USB_232口上，就可以在计算机上虚拟出一个串口，通过这个虚拟串口可以进行计算机与开发板之间的串口通信。

image-20240601085723436

image-20240601185940740

1.2 LED和按键介绍

从正点原子的原理图中，选择4个按键，2个LED灯作为本次实验的对象，用1个按键来控制是否进入Customer BootLoader。用2个LED灯的亮灭来显示进入到不同模式的情况。

image-20231214223415136

下图所示是1个按键KEY_up和两个LED灯对应的原理图，及相应的配置功能

名称端口引脚功能特性初始电平
KEY_UPPA0Input modePull-down 下拉N/A
LED1PF9OutputPushpull推挽输出，初始低电平
LED2PF10OutputPushpull推挽输出，初始低电平

2. STM32 CubeMX工程搭建

2.1 创建工程

打开STM32CubdeMX，点击New Project创建新工程

image-20240519214220349

选择 STM32F407 ZGT6

image-20240520070646930

2.2 系统配置

点击左侧System Core，选择RCC，将HSE和LSE都设置为Crystal/Ceramic Resonator（晶体/陶瓷振荡器）

image-20240604074221880

点击SYS，选择Debug功能为JTAG(5 pins)，跟板子调试口对应image-20240604075633710

2.3 USART串口配置

下图是CB的架构图，整个刷新和操作MCU都是通过USART来操作，其中USART1是主要和MCU进行通信、刷新和发送命令的串口，而USART2是Debug 端口，只在调试的时候使用用来输出打印信息，开发阶段完成后，USART2则不再使用。image-20240621072252557

首先，先配置USART1，选择左侧的Connecttivity选项，点击USART1，如下图所示，点击Mode开始配置

image-20240604080347571

STM32对USART模块提供了下面的这些模式，根据需求选择相应模式，本项目选择的是异步模式Asynchronous。

image-20240604080404318

下面我们来对USART进行配置，首先开发板上的串口对应的USART1串口，Mode配置为异步模式Asynchronous，STMCubeMX会自动分配引脚，目前分配的USART1_RX对于PA10，USART1_TX对于PA9，和我们开发板的引脚正好对应，如果不对应的话，可以根据芯片的data Sheet改成相应的引脚。

下面的参数配置Parameter Settings按照默认配置来，波特率为 115200 bit/s，这里确保主从机是一致的，才能通信成功，数据位 8，无校验位，停止位1，数据方向：Receive and Transmit，采样：16.

image-20240604080436567

点击下方的GPIO Settings，可以看到为USART1自动分配的默认引脚

image-20240604080454808

配置USART2，将其配置为异步通信。image-20240713100429531

2.4 配置按键GPIO和LED灯

按照1.2节的硬件说明，进行GPIO和LED灯配置，配置内容如下。

image-20240713101449299

2.5 配置CRC

由于在上位机和单片机传输中，需要对发送的数据进行CRC校验，所以需要将CRC功能激活。激活方法如下

image-20240713102335927

2.6 时钟树配置

点击上方的Clock Configuration，开始配置时钟

image-20240611074559483

下面我们来看一下时钟树的结构，如下图所示

image-20240604081134525

现在开始配置开发板相关的时钟频率，首先选择做左边的Input frequency，选择外部8M的晶振，选择HSE，选择PLLCLK，在HCLK处将时钟敲定为168MHz，即STM32F407可支持的最大时钟频率

image-20240604081430121

2.5 工程导出设置

如下图所示，设置工程

image-20240604213948820

代码生成设置

image-20240604214023852

高级设置Advanced Settings

image-20240604214510752

点击右上角，生成代码GENERATE CODE

image-20240611075023223

点击Open Project，本项目是使用STM32CubeIDE作为集成开发环境，做到编译和调试代码的工具

image-20240604214643976

3. 代码编写

我们目前使用的是Hal库进行的工程实现，如下图所示，是串口轮询发送函数HAL_UART_Transmit()，在发送的过程中，会一直在该函数中进行发送，是Polling Mode。

image-20240608084049717

下图是串口接收函数 HAL_UART_Receive()，也是Polling Mode，在接收数据的过程中，CPU无法被抢占，一直需要等到数据被发送完成后才可退出该函数

image-20240608084138029

下面是在main.c中的代码实现：

引用c标准头文件

image-20240611080012875

宏定义，BL_DEBUG_MSG_EN是为调试用的，重定义huart1，设置数据bl_rx_buffer

image-20240713103012848

在main()函数中调用bootloader_uart_read_data()函数进行数据接收和发送

image-20240713102835072

bootloader_uart_read_data()函数中先接收在发送。来判断上位机发送来的命令类型，在执行相应的操作

void  bootloader_uart_read_data(void)
{
    uint8_t rcv_len=0;

    printmsg_Host("BL_DEBUG_MSG: Receive CMD\n\r");
    while (1)
    {
    	HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    	memset(bl_rx_buffer, 0, 200);
    	//here we will read and decode the commands coming from host
    	//first read only one byte from the host , which is the "length" field of the command packet
    	HAL_UART_Receive(C_UART,bl_rx_buffer,1,HAL_MAX_DELAY);
    	rcv_len= bl_rx_buffer[0];
    	HAL_UART_Receive(C_UART,&bl_rx_buffer[1],rcv_len,HAL_MAX_DELAY);
    	switch(bl_rx_buffer[1])
    	{
    		case BL_GET_VER:
    			bootloader_handle_getver_cmd(bl_rx_buffer);
    			break;

            case BL_GET_HELP:
                bootloader_handle_gethelp_cmd(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_GET_CID:
                bootloader_handle_getcid_cmd(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_GET_RDP_STATUS:
                bootloader_handle_getrdp_cmd(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_GO_TO_ADDR:
                bootloader_handle_go_cmd(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_FLASH_ERASE:
                bootloader_handle_flash_erase_cmd(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_MEM_WRITE:
                bootloader_handle_mem_write_cmd(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_EN_RW_PROTECT:
                bootloader_handle_en_rw_protect(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_MEM_READ:
                bootloader_handle_mem_read(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_READ_SECTOR_P_STATUS:
                bootloader_handle_read_sector_protection_status(bl_rx_buffer);
                break;

            case BL_OTP_READ:
                bootloader_handle_read_otp(bl_rx_buffer);
                break;

			case BL_DIS_R_W_PROTECT:
				bootloader_handle_dis_rw_protect(bl_rx_buffer);
				break;

            default:
            	printmsg("BL_DEBUG_MSG:Invalid command code received from host \n");
            	break;
    	}
    }

}

如果没有按键按下，则跳转到APP程序，进行执行应用层程序。

/*code to jump to user application
 *Here we are assuming FLASH_SECTOR2_BASE_ADDRESS
 *is where the user application is stored
 */
void bootloader_jump_to_user_app(void)
{

   //just a function pointer to hold the address of the reset handler of the user app.
    void (*app_reset_handler)(void);

    printmsg("BL_DEBUG_MSG:bootloader_jump_to_user_app\n");


    // 1. configure the MSP by reading the value from the base address of the sector 2
    uint32_t msp_value = *(volatile uint32_t *)FLASH_SECTOR2_BASE_ADDRESS;
    printmsg("BL_DEBUG_MSG:MSP value : %#x\n",msp_value);

    //This function comes from CMSIS.
    __set_MSP(msp_value);

    //SCB->VTOR = FLASH_SECTOR1_BASE_ADDRESS;

    /* 2. Now fetch the reset handler address of the user application
     * from the location FLASH_SECTOR2_BASE_ADDRESS+4
     */
    uint32_t resethandler_address = *(volatile uint32_t *) (FLASH_SECTOR2_BASE_ADDRESS + 4);

    app_reset_handler = (void*) resethandler_address;

    printmsg("BL_DEBUG_MSG: app reset handler addr : %#x\n",app_reset_handler);

    //3. jump to reset handler of the user application
    app_reset_handler();

}

下面是printmsg()打印数据函数实现。

/* prints formatted string to console over UART */
void printmsg(char *format,...)
{
#ifdef BL_DEBUG_MSG_EN
	char str[80];

	/*Extract the the argument list using VA apis */
	va_list args;
	va_start(args, format);
	vsprintf(str, format,args);
	HAL_UART_Transmit(D_UART,(uint8_t *)str, strlen(str),HAL_MAX_DELAY);
	va_end(args);
#endif
}

下面是mainh函数中的完整代码：

int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  MX_CRC_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	  /* Lets check whether button is pressed or not, if not pressed jump to user application */
	  if ( HAL_GPIO_ReadPin(KeyUp_GPIO_Port, KeyUp_Pin) == GPIO_PIN_SET )
	  {
		  printmsg("BL_DEBUG_MSG:Button is pressed .. going to BL mode\n\r");
		  /* Use Usart to Read PC transmit CMD */
		  bootloader_uart_read_data();
	  }
	  else
	  {
		  HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
		  printmsg("BL_DEBUG_MSG:Button is not pressed .. executing user app\n");
		  //jump to user application
		  bootloader_jump_to_user_app();
	  }

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

4. 工程下载、调试和演示

将工程编译，之后下载到板子中。

image-20240608084959855

打开设备管理器，查看串口的端口号COM

image-20240608084402078

打开正点原子的串口调试助手，选择刚才设备管理器中串口的COM号，波特率设置为115200，其他默认，打开串口，随便发送一个数据，开发板接收到这个数据，都会原封不动的将该数据打印出来，然后在执行打印Going to BL mode，说明能够接收并发送数据，至此，我们开发Customer BootLoader的第一步，最小工程代码已经搭建完成，后续我们进行上位机与开发板之间的通信协议开发。

image-20240608084720673

一开始程序先跳转至APP层。

image-20240713103936091

复位开发板，下面上电按下KeyUP按键，进入到Customer BootLoader中。

image-20240713104148618

下面打开上位机，连接上位机和开发板连接的串口，根据显示的指令，进行相应的操作。

image-20240713104433991

下面我们展示一下读取版本号的功能，输入1，获取版本号为0x10.

image-20240713104633571

下面我们在试一个刷新命令。下面是录制的一整个执行的流程。

BootLoader串口刷新

如果大家有什么疑问，请随时私信联系我。

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