STM32H7 启动过程及bootloader跳转详解

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STM32H7 启动过程及bootloader跳转详解

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。

系统框图

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

image-20210111215703707

        MODULE  ?cstartup

        ;; Forward declaration of sections.
        SECTION CSTACK:DATA:NOROOT(3)

        SECTION .intvec:CODE:NOROOT(2)

        EXTERN  __iar_program_start
        EXTERN  SystemInit
        PUBLIC  __vector_table

        DATA
__vector_table
        DCD     sfe(CSTACK)
        DCD     Reset_Handler                     ; Reset Handler

        DCD     NMI_Handler                       ; NMI Handler

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

DATA 进入DATA模式

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)

文件剩下为定义中断向量表。

;; Default interrupt handlers.
;;
        THUMB
        PUBWEAK Reset_Handler
        SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(2)
Reset_Handler

        LDR     R0, =SystemInit
        BLX     R0
        LDR     R0, =__iar_program_start
        BX      R0

        PUBWEAK NMI_Handler
        SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(1)

THUMB 进入THUMB模式（THUMB-2指令集）

启动文件先使用PUBWEAK 指令声明Reset_Handler为弱定义

SECTION .text:CODE:NOROOT:REORDER(2) 从.text段开始

LDR R0, =SystemInit 将SystemInit指针地址赋值给R0

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

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void SystemInit (void)
{
#if defined (DATA_IN_D2_SRAM)
 __IO uint32_t tmpreg;
#endif /* DATA_IN_D2_SRAM */

  /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
  #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
    SCB->CPACR |= ((3UL << (10*2))|(3UL << (11*2)));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
  #endif
  /* Reset the RCC clock configuration to the default reset state ------------*/
  /* Set HSION bit */
  RCC->CR |= RCC_CR_HSION;

  /* Reset CFGR register */
  RCC->CFGR = 0x00000000;
......
  /* Configure the Vector Table location add offset address for cortex-M7 ------------------*/
#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = D1_AXISRAM_BASE  | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal AXI-RAM */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BANK1_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
#endif

#endif /*DUAL_CORE && CORE_CM4*/

}

SystemInit 函数完成系统时钟、RAM、中断向量表地址的初始化。

BLX     R0 跳转到*R0*中的地址，执行SystemInit 并返回
LDR     R0, =__iar_program_start //将__iar_program_start地址赋值给R0

__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

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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？》

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。

- 设置PC指针 = Reset_Handler。

- 设置中断向量表。

- 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）。

- 跳转到C库中的 __main ，最终会调用用户程序的main()函数。

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）。

QSPI内存映射

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。

20190416215547165

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。

进一步， 为什么Nor Flash可以实现XIP，而Nand flash就不行呢？

有一个概念：嵌入式系统中代码的执行方式：

（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。

（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

20190416215613710

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：
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：
“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“
要一段CODE能够正确的运行,要保证它的CODE是连续的,正确的.
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

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

QSPI执行速度对比图

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。

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

icf文件配置

link 配置

修改完成后，查看IAR配置后的icf文件，具体内容如下

/*###ICF### Section handled by ICF editor, don't touch! ****/
/*-Editor annotation file-*/
/* IcfEditorFile="$TOOLKIT_DIR$\config\ide\IcfEditor\cortex_v1_0.xml" */
/*-Specials-*/
define symbol __ICFEDIT_intvec_start__ = 0x90000000;
/*-Memory Regions-*/
define symbol __ICFEDIT_region_ROM_start__     = 0x90000000;
define symbol __ICFEDIT_region_ROM_end__       = 0x90100000;
define symbol __ICFEDIT_region_RAM_start__     = 0x20000000;
define symbol __ICFEDIT_region_RAM_end__       = 0x2001FFFF;
define symbol __ICFEDIT_region_ITCMRAM_start__ = 0x00000000;
define symbol __ICFEDIT_region_ITCMRAM_end__   = 0x0000FFFF;

4.bootloader程序与应用程序设计

对于bootloader而言，主要的任务有一下点：

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

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

内部flash

进程内存结构 (4)

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：

bootloader 执行流程图

参考文章：

[XIP技术介绍]https://blog.csdn.net/WZJwzj123456/article/details/89342455

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