13.4-“制作一款私有IAP串口下载小工具”之STM32的Bootloader设计说明
一、原理简要说明
从上一章可知，IAP更新程序的原理，就是在单片机flash中的划分出两个区域，分别叫做Bootloader区域和一个App区域。芯片上电启动的时候，会默认运行Bootloader，然后bootloader来做逻辑判断，bootloader会等待5s左右，如果在5s之内收到需要更新固件的命令，则进行固件更新，否则的话，判断芯片中是否已经有之前的可用app。如果有，跳转过去执行app。否则的话继续保持在“等待固件下载模式”。这就是bootloader的大概原理。
二、Bootloader逻辑说明
第一节简介重复了一次IAP烧写固件的原理。这节使用一个流程图来详细准确的描述一下，IAP的相关判断逻辑。如，下图所示：
三、编译生成的bin文件和hex文件，都可以使用IAP“烧录”到芯片中吗？
-
什么是Bin文件
Bin文件是最纯粹的二进制机器代码, 是由C或C++编译成汇编，然后从汇编转换生成的二进制机器码。因此Bin文件就是芯片可以直接运行的程序。 -
什么是Hex文件
全称为“INTEL HEX”，HEX文件是一个ASCII文本文件，文件中放满了一行一行的“Intel HEX格式”的标记文本。每一行包含一个HEX记录。记录是由多个代表机器码或常量数据的16进制数组成。HEX常用来储存要烧写到ROM或EPROM中的程序。大多数的烧写器支持HEX格式。（注意HEX文件包含程序要被下载到芯片中的具体位置）
以上简介，翻译自“arm KEIL”对HEX格式的介绍。参考地址：http://www.keil.com/support/docs/1584/ -
Bin文件与Hex文件的区别
直接把Bin文件传输并烧写到芯片Flash即可运行。但HEX文件不行，HEX是一个文本文件，里面用标记符号记录程序的详情。方便阅读（二进制查看器和烧写器对被烧写程序的预览查看，就是用的HEX格式。如果用二进制显示，那么你看到的是大量的0101）并且可以包含除“程序”之外的额外信息。一般“下载器”可以使用Hex文件编程，其实是“下载器”对Hex文件做了解析，最终还是转换为Bin文件的格式，然后烧写到了芯片的Flash中。
“下载器”使用Hex文件的原因是，Hex文件包含“程序”之外的信息，比如“程序烧写地址”。这样就避免了让用户手工输入这些额外的信息。当你用“下载器”下载Bin文件的时候，下载软件有个“烧写地址”的输入框，就是要你指定要把这个bin文件下载到芯片的哪个Flash地址。（因为bin文件本身不包含这个信息）。 -
使用IAP下载固件，使用Bin还是Hex文件
结合IAP的原理和以上的分析可知，IAP需要一种直接传递到芯片即可运行的“程序”，因此要实现IAP下载你只能选择Bin文件格式。
四、怎样完成“烧写固件”的工作（Flash操作）
“把程序烧写（下载）到芯片中”，从始至终都感觉这是一个很“神奇”的事情。现在终于明白了“烧写”程序到底怎么一回事了。原来，本质上就是把“BIN文件”复制粘贴到芯片Flash的指定地址中。也就是说，你只要实现对芯片的内部Flash读写函数。你就可以实现“烧写程序”了。
-
对STM32芯片内部Flash的介绍
（中文版）STM32根据FLASH主存储块容量、页面的不同，系统存储器的不同，可以分为以下几个类别。
小容量产品主存储块1-32KB，每页1KB。系统存储器2KB。
中容量产品主存储块64-128KB，每页1KB。系统存储器2KB。
大容量产品主存储块256KB以上，每页2KB。系统存储器2KB。
互联型产品主存储块256KB以上，每页2KB。系统存储器18KB。
（英文版）STM32有4种Flash module organization，分别是：
low-density devices(32KB，1KB/page)、
medium-density devices(128KB，1KB/page)、
high-density devices(512KB，2KB/page)、
connectivity line devices(256KB，2KB/page)、
XL-density(devices(1M，2KB/page)。
本小段的编写的目的是要提醒你，每个STM芯片的Flash是不一样的，你需要根据你的目标芯片来确定具体的读写参数。比如，不同芯片的Flash最小”写单元大小“不同。即，有的芯片Flash一次性最小可以写”一个字=4byte“，有的芯片Flash最小可以写入”两个字=8byte“。因此，再开发Flash读写编程之前，一定要详细阅读芯片手册。确定你所使用芯片的Flash操作要求。 -
写flash时为什么需要先擦除？
因为Flash的编程原理都是只能将1写为0，而不能将0写为1，所以在进行Flash编程之前，必须将对应的块擦除，而擦除的过程就是把所有位都写为1的过程，块内的所有字节变为0xFF。 -
操作Flash需要用都的函数说明
注意，不同的芯片对应的Hal库函数是不同的，但是是相近的。这里以”STM32L072KBUx“来举例说明：
3.1. Hal库的擦除Flash函数
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASHEx_Erase(FLASH_EraseInitTypeDef *pEraseInit, uint32_t *PageError)
注意HAL还提供另一个Flash擦除函数”FLASH_PageErase“，但是如果擦除完要用于下载程序，必须用”HAL_FLASHEx_Erase“。
3.2. Hal库写Flash函数
注意：FLASH的写入地址必须是偶数（FLASH机制决定的FLASH写入的时候只能是偶数地址写入，必须写入半字或字，也就是2个字节或是4字节的内容）
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Program(uint32_t TypeProgram, uint32_t Address, uint32_t Data)
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, Addr, Buff);//32bit 使用实例
3.3. 读Flash函数
注意Hal没有提供Flash的读函数，那怎么从Flash读取数据呢？答案是自己编写一个读取函数，如下：
static uint32_t FLASH_ReadWord(uint32_t Addr) {
return *(uint32_t *)Addr;
}
第一眼看上去，有种不可思议的感觉。是事实，这是单片机，就是这么特别，结合单片机的运行原理慢慢理解吧（我也解释不好）。
3.4. 解锁Flash（防止对Flash的非法访问或意外操作）
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Unlock(void)
3.5. 锁定Flash（防止对Flash的非法访问或意外操作）
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Lock(void)
3.6. 开中断（操作完Flash之后，开启中断）
void BSP_EnableIrq() {
__set_PRIMASK(0);//打开中断
}
3.7. 关中断（操作Flash之前，需要关中断）
void BSP_DisableIrq() {
__set_PRIMASK(1);//关闭中断
}
五、要把App“烧写”在Flash的哪个地址呢，怎样确定地址？（flash地址规划）
-
Flash相关知识
Flash的最小擦除单位是“page”。多个“page”组成“sector”。多个“sector”构成了整个flash的容量。
注意flash操作背景知识：FLASH的写入地址必须是偶数 -
“是否有可用App”标志位
根据前面介绍的bootloader启动原理，可知，我们需要一个“掉电不丢失”的储存区域来储存“芯片上是否有可用App的标志位”，从而支持bootloader在启动时候的逻辑判断。而芯片中掉电不丢失的部分就是Flash。因此在规划Flash的时候，除了Bootloader区域和App区域之外，还需要一个“标志位”区域。根据Flash的最小可擦除单位为“page”，其次Flash写数据之前，必须先擦除的约束可知。我们需要单独保留一个page来专门存放“标志位”。即便“标志位”只需使用1bit即可。但为了实现对Flash中的“标志位”随时读写的功能。我们只能用一整个page来储存“标志位”。 -
地址分配说明
3.1 举例所使用的芯片STM32L072KBUx对应的参数如下：
Ultra-low-power ARM Cortex-M0+ MCU with 128-Kbytes Flash, 32 MHz CPU, USB
medium-density devices(128KB，1KB/page)
从芯片手册可知，此芯片共有128k的Flash ，一页为1k，因此，本芯片共有128页，多个page组成的sector如下：
page0_31 //sector0
page32_63 //sector1
page64_95 //sector2
page96_127 //sector3
3.2 每一页的地址范围如下（地址以byte为单位）：
page0:0 - 1023 //1k
page1:1024 - 2047 //1k
page2:2048 - 3071 //1k
page3:3072 - 4095 //1k
3.3 所用示例芯片“STM32L072KBUx”地址分配如下
//total flash size : 128k 128page
//bootloader page_index : 0 ~ 30 31k
//bootloader_flag page_index : 31 1k
//app page_index : 32 ~ 127 96k
3.4 在代码中使用的 Flash相关宏定义
#define STM32_FLASH_ONE_PAGE_BYTE 1024 //页大小
#define STM32_FLASH_PAGE_SIZE 128
#define STM32_FLASH_BASE 0x08000000 //FLASH_BASE
#define FLASH_USER_APP_FLAG_START_ADDR (STM32_FLASH_BASE + STM32_FLASH_ONE_PAGE_BYTE * 31)
#define FLASH_USER_APP_START_ADDR (STM32_FLASH_BASE + STM32_FLASH_ONE_PAGE_BYTE * 32)
//计算后：FLASH_USER_APP_START_ADDR = 32768 = 0x8000， 也就是说0x8000就是在flash中存放app的起始地址
3.5 Flash中，任意一页的起始地址计算公式
uint32_t addr = STM32_FLASH_BASE + StartPageIndex * STM32_FLASH_ONE_PAGE_BYTE;
六、使用IAP“烧写”完程序之后，怎样运行程序呢？（见证奇迹的时候）
-
STM32芯片启动原理
stm32的flash地址起始于0x08000000，结束地址是0x080000000加上芯片实际的flash大小，不同的芯片flash大小不同。RAM起始地址上0x200000000，结束地址是0x20000000加上芯片的RAM大小。
我们一般烧写程序默认烧写在flash的0x08000000地址处。使用Iap的时候bootloader就是被烧写在0x08000000。
Stm32单片机上电后，从0x08000004取出复位中断的地址，并且跳转到复位中断程序，中断执行完之后,会把PC指针指向0x08000000，开始运行我们烧写在芯片地址0x08000000中的“程序”。 -
IAP中从Bootloader跳转到App的说明
所以说，在IAP中，芯片上电先运行的是bootloader，并不会主动执行App。因此在bootloader确认有app可用的时候，需要一段代码来把当前PC指针指向App所在flash的地址。从而实现，跳转到App运行的效果。这也意味着完成了“bootloader”名副其实的工作内容。跳转代码示例如下：
#define APPLICATION_ADDRESS 0x08008000
typedef void (*pFunction)(void);
void APP_RunApp(void) {
pFunction appEntry;
uint32_t appStack;
BSP_DisableIrq();
/* Get the application stack pointer (First entry in the application vector table) */
appStack = (uint32_t) *((__IO uint32_t*)APPLICATION_ADDRESS);
/* Get the application entry point (Second entry in the application vector table) */
appEntry = (pFunction) *(__IO uint32_t*) (APPLICATION_ADDRESS + 4);
/* Reconfigure vector table offset register to match the application location */
SCB->VTOR = APPLICATION_ADDRESS;
/* Set the application stack pointer */
__set_MSP(appStack);
/* Start the application */
appEntry();
}
以上代码引用自：
How to develop and debug BOOTLOADER + APPLICATION systems on ARM Cortex-M devices
http://blog.atollic.com/how-to-develop-and-debug-bootloader-application-systems-on-arm-cortex-m-devices