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单片机FLASH下载算法的制作

环境

硬件使用正点原子STM32F407探索者V2开发板
编程环境使用MDK
下载工具使用JLINK
FLASH芯片使用W25Q128

什么是下载算法

单片机FLASH的下载算法是一个FLM文件,FLM通过编译链接得到,其内部包含一系列对FLASH的操作,包括初始化、擦除、写、读、校验等等操作。

单片机固件下载流程

想要制作下载算法,先要了解下载算法的工作原理。我们下载一个程序的流程大概是这样的:下载工具(比如jlink)先读取FLM文件,然后JLINK提取FLM文件的信息,将其传输到单片机的内部SRAM,下载算法在开始SRAM中运行,由于下载算法包含了一系列对FLASH的操作,那么下载工具通过下发初始化、擦除、写入、校验等指令给单片机,单片机去执行这些指令操作,实现对单片机FLASH的下载。

下载算法FLM文件的制作步骤

首先需要准备一份FLASH的驱动代码,能实现初始化、擦除,读,写等功能。

  1. 从MDK安装目录下拷贝一份下载算法工程,路径:MDK\ARM\PACK\ARM\CMSIS\5.4.0\Device_Template_Flash,使用的MDK版本不一样路径可能不一样。此时我们得到了一份空的下载算法工程。
  2. 取消工程的只读属性。
  3. 给工程添加分组,将Flash驱动代码和用到的库函数添加到对应的分组,和普通工程一样,根据模块添加即可。在这里插入图片描述
  4. 添加头文件路径,把头文件的路径都包含进来。
  5. 给C/C++选项卡添加宏STM32F40_41xxx,USE_STDPERIPH_DRIVER。
  6. Device选项卡选择单片机型号。Target选项卡勾选微库。
  7. 在FlashDev.c文件中根据实际Flash属性修改FlashDevice结构体变量。
  8. 将target选项卡中的输出文件名字改成FlashDevice结构体Device Name成员中的设备名字,这一步不是必须的,只是为了输出的FLM文件名称和设备名称一致。
  9. 在FlashPrg.c文件中根据模板添加Flash操作的相关代码。
  10. 编译得到一个FLM文件。

其实上边看似繁琐,实则只有修改FlashDevice结构体变量和修改FlashPrg.c文件是我们新接触的,其它步骤在平时单片机编程中已经再熟悉不过了。接下来我们重点分析这两点。

修改FlashDevice结构体变量的值

struct FlashDevice const FlashDevice  =  {FLASH_DRV_VERS,             // Driver Version, do not modify!"W25Q128_16M_FLM",   // Device Name EXTSPI,                     // Device TypeFLASH_BASE_ADDR,            // Device Start Address0x01000000,                 // Device Size in Bytes (256kB)  2M4096,                       // Programming Page Size 0,                          // Reserved, must be 00xFF,                       // Initial Content of Erased Memory3000,                       // Program Page Timeout 3000 mSec3000,                       // Erase Sector Timeout 3000 mSec// Specify Size and Address of Sectors0x001000, 0x000000,         // Sector Size  8kB (8 Sectors)SECTOR_END
};

其实每一个成员的作用注释已经解释的很清楚了,注意这里把页编程大小改成了4096个字节,不是W25Q128指定的256个字节,这不是必须要改的,修改成4096只是为了提高下载效率。我实测把4096改成8,下载速度非常明显的变慢。
第四个实参使用了一个宏FLASH_BASE_ADDR来初始化的,我这里对FLASH_BASE_ADDR定义的是0x00000000,就以SPI FLASH为例,FLASH的存储空间是从0开始的,为什么我没有固定写0而是写了一个宏定义呢?这在我们验证下载算法的时候介绍。
器件大小、扇区大小、扇区擦除超时时间、页编程超时时间些都根据实际FLASH芯片参数填写即可。

添加FLASH接口代码到FlashPrg.c文件

在FlashPrg.c文件中有InitUnInitEraseChipEraseSectorProgramPageVerify这些函数,每个函数的功能一目了然。函数实现如下:

int Init (unsigned long adr, unsigned long clk, unsigned long fnc) {SystemInit();//系统初始化W25QXX_Init();//初始化W25QXX芯片return (0);                                  // Finished without Errors
}
int UnInit (unsigned long fnc) {return (0);                                  // Finished without Errors
}
int EraseChip (void) {for(int i=0;i<4096;i++)//我用的是W25Q128{W25QXX_Erase_Sector(i);//注意这里参数是扇区的编号}return (0);                                  // Finished without Errors
}
int EraseSector (unsigned long adr) {uint32_t sector = 0;//扇区编号adr -= FLASH_BASE_ADDR; sector = adr /4096;//扇区的大小是4096 计算出了扇区的编号W25QXX_Erase_Sector(sector);return (0);                                  // Finished without Errors
}
int ProgramPage (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf) {adr -= FLASH_BASE_ADDR; W25QXX_Write_NoCheck(buf,adr,sz);return (0);                                  // Finished without Errors
}
uint8_t read_buf[4096];
unsigned long Verify (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf) {unsigned long remain = sz;	//剩余的字节数unsigned long current_add = 0;//当前的地址unsigned int index = 0;//用于buf的索引current_add = adr - FLASH_BASE_ADDR;while(remain >= 4096){W25QXX_Read(read_buf,current_add,4096);for(int i=0;i<4096;i++){if(read_buf[i] != buf[index+i])return adr+index+i;}current_add += 4096;remain -= 4096;index += 4096;}W25QXX_Read(read_buf,current_add,remain);for(int i=0;i<remain;i++){if(read_buf[i] != buf[index+i])return adr+index+i;}return (adr+sz);                      // 校验成功
}

编译我们就能得到一个.FLM文件。

验证测试下载算法

这里我们只验证下载算法的功能,测试是否能正常下载,至于下载进去以后如何运行代码,这里不讨论,留在下一章介绍,因为涉及到链接脚本、拷贝、跳转、等等操作。
把该文件放在\MDK\ARM\Flash路径下,随便打开一个工程,添加下载算法在这里插入图片描述
编译下载,发现报错,如下图:
在这里插入图片描述
报错原因是下载算法没有找到08000000H这个地址,我这里使用的是默认的链接脚本:

LR_IROM1 0x08000000 0x00100000  {    ; load region size_regionER_IROM1 0x08000000 0x00100000  {  ; load address = execution address*.o (RESET, +First)*(InRoot$$Sections).ANY (+RO).ANY (+XO)}RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data.ANY (+RW +ZI)}
}

下载算法文件里定义的FLASH起始地址是0x00000000,大小是0x01000000,那么下载算法的空间就是0x00000000~0x00FFFFFF。这里加载地址是0x08000000,就是要往0x08000000开始的地址写入数据。这样一来,很显然下载算法判断出了非法地址就报错了。
既然这个加载地址报错,那就把加载地址改成0x00000000,如下:

LR_IROM1 0x00000000 0x00100000  {    ; load region size_regionER_IROM1 0x0800000 0x00100000  {  ; load address = execution address*.o (RESET, +First)*(InRoot$$Sections).ANY (+RO).ANY (+XO)}RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data.ANY (+RW +ZI)}
}

这总合法了吧,但遗憾的是编译报错,报错的原因是程序里调用了__main函数,__main函数中不能被链接到非启动区域,也就是加载地址和链接地址不一样。这里不讨论报错的原因和应对措施。其实有很多种解决方法。我暂时将链接地址也改成0x00000000如下图:

LR_IROM1 0x00000000 0x00100000  {    ; load region size_regionER_IROM1 0x0000000 0x00100000  {  ; load address = execution address*.o (RESET, +First)*(InRoot$$Sections).ANY (+RO).ANY (+XO)}RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data.ANY (+RW +ZI)}
}

编译下载,下载成功。
在这里插入图片描述
下载成功了,我用一个SPI FLASH demo程序把FLASH0地址开始的数据读出来,打印出来:
在这里插入图片描述
在把我们烧写进去的固件对应的bin文件打开,对比一下。
在这里插入图片描述
可以看到是完全一样的。
证明制作的下载算法是没问题的。FLASH中存储的代码如何执行下一篇文章介绍。

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