keil下载程序具体过程4：flash下载算法

引言

        本篇文章将介绍flash算法文件，阐述从jlink如何下载镜像文件写入到内部的falsh。

一、XIP

        在谈flash下载算法文件时，先说明XIP是什么。

        芯片的启动方式有很多种：可以从RAM中启动、内部的flash、外部的flash等等（还有从sd卡、emmc、nor flash、nand flash等），这里我们只考虑内部的flash的情况。
        我们都知道flash只是一块ROM，flash有两种类型，分为nor flash、nand flash，一般32位处理器里面使用的是nor flash作为ROM，存放镜像文件。

        在专业课（计算机组成原理或者操作系统）中，有提到，CPU从内存（RAM）中读取、运行程序。但在stm32这种微处理器上，一般都是直接从内部的flash启动。这牵扯到一个技术，叫做XIP（eXecute In Place ），即芯片内执行。其含义就是CPU直接从存储器读取指令，将指令送给译码器和执行器等部件使用。 有了XIP就不必将代码读取到RAM中，可以直接在flash运行。好处即是程序代码无需占用内存，减少内存的要求。XIP是复杂性和速度的权衡，而这就意味着XIP通常仅用于BIOS或RAM极度短缺(MCU的情况就是如此)的情况。

要实现XIP，必须要有如下几个条件：
1. 存储器必须提供与内存相似的接口给CPU。
2. 该接口必须提供足够快的读取操作，并具有随机访问模式。
3. 如有文件系统，则需要提供合适的映射功能
4. 程序链接时需要知道存储器的地址或地址与位置无关。
5. 程序不能修改已加载映像中的数据。

因为nor flash和EEPROM通常能满足上述要求，所以其可以XIP。 而nand flash因为有地址，数据，命令共用IO口的问题，cpu发送来地址之后，还要nand flahs控制器再处理一下才能得到数据，因此不适合（不是不能XIP，只是不适合）。nor flash的访问和RAM类似，提供地址，就可以得到数据。因此，一般处理器内部都是使用nor flash作为XIP的方案，而且，nor flash读取速度比nand flash要快很多。

        当bin文件经过JLink、SW-DP接口，经过AHB-DP将数据传到AHB总线上之后，已经具备可以写入到falsh里面的条件了。这里随便找了一个芯片内部图作为例子。

        从上图中可以看到，FLASH上面有Controller接口、XIP接口、EEPROM仿真接口。Controller接口就是我们在平常使用程序往flash写入数据的控制部分（一般流程是：先解锁flash写保护、写入数据、上锁写保护）。这个例子应该很容易想起来的，不懂的可以搜索一下：stm32往内部flash写入数据。就可以得到相关信息了。这里我们写入bin文件到flash同样通过Controller接口。
        SWD接口将数据传到AHB-DP、到总线之后，就会在控制信号的指引下，控制Controller，然后将bin文件写入到flash，写入完成、校验之后，就可以reset启动芯片了，使用XIP技术，从flash某个地址启动（常用的stm32一般是0x08000000）。

        知道了往哪里写之后，也大概了解了数据写入的流程，那么该如何写？这里就要用到了flash下载算法了。

二、FLM文件

        FLM文件是keil进行代码下载时的必须文件，该文件主要包含被下载芯片的存储器的相关信息（芯片型号、存储器页大小等）和存储器写入算法。FLM文件本质上也是一种ELF（Executable and Linkable Format）文件，ELF文件的具体格式我们放到后面介绍。

         上图中就是FLM文件，他指导jlink如何下载镜像文件。镜像文件本质上就是一堆二进制，我们都知道keil会生成axf文件、hex、bin文件，镜像文件其实就是bin文件，下载到flash里面的内容就是bin文件的内容。算法的名字叫做NEW_DEVICE.FLM，路径在keil的安装目录里面：ARM\PACK\ARM\CMSIS\4.5.0\Device\ARM\Flash。

        在C:\Keil_v5\ARM\Flash_Template（默认安装的情况下）下面会有一个keil工程，这个工程就是keil官方提供给我们制作flash下载算法的。

打开之后很简单，就两个文件

 FlashDev.c就只有一个struct FlashDevice类型的结构体，上图是一个例子，具体定义在FlashOS.H中。

struct FlashSectors {
    unsigned long szSector; // Sector Size in Bytes
    unsigned long AddrSector; // Address of Sector
};
struct FlashDevice {
    unsigned short Vers; // Version Number and Architecture
    char DevName[128]; // Device Name and Description
    unsigned short DevType; // Device Type: ONCHIP, EXT8BIT, EXT16BIT, ...
    unsigned long DevAdr; // Default Device Start Address
    unsigned long szDev; // Total Size of Device
    unsigned long szPage; // Programming Page Size
    unsigned long Res; // Reserved for future Extension
    unsigned char valEmpty; // Content of Erased Memory
    unsigned long toProg; // Time Out of Program Page Function
    unsigned long toErase; // Time Out of Erase Sector Function
    struct FlashSectors sectors[SECTOR_NUM];
};

从上面的结构体中我们可以知道，我们的flash地址、大小、扇区大小等信息，这些都会在下载bin文件的时候用到。

在FlashDev.c中，我们可以看到16行，表示flash设备的类型，有如下几种情况。

#define UNKNOWN 0 // Unknown
#define ONCHIP 1 // On-chip Flash Memory
#define EXT8BIT 2 // External Flash Device on 8-bit Bus
#define EXT16BIT 3 // External Flash Device on 16-bit Bus
#define EXT32BIT 4 // External Flash Device on 32-bit Bus
#define EXTSPI 5 // External Flash Device on SPI

17--23就是指flash的参数，有多大，每页多少字节等等。
FlashPrg.c里面就只是一些函数的接口，具体有哪些函数接口在下面。

// Flash Programming Functions (Called by FlashOS)
extern int Init (unsigned long adr, // Initialize Flash
                    unsigned long clk,
                    unsigned long fnc);
extern int UnInit (unsigned long fnc); // De-initialize Flash
extern int BlankCheck (unsigned long adr, // Blank Check
                        unsigned long sz,
                        unsigned char pat);
extern int EraseChip (void); // Erase complete Device
extern int EraseSector (unsigned long adr); // Erase Sector Function
extern int ProgramPage (unsigned long adr, // Program Page Function
                        unsigned long sz,
                        unsigned char *buf);
extern unsigned long Verify (unsigned long adr, // Verify Function
                                unsigned long sz,
                                unsigned char *buf);

其实就是对flash的操作，以前搞过spi flash（就是w25qxx系列），对上面的回调函数很好理解。
直接将keil官方提供的例子进行编译，如下图。

 其他的跟keil生成程序一样，画横线的log是在编译结束之后，将axf拷贝位flx文件，从这里可以看出，
flm文件其实就是axf文件，看看二者的文件大小，均为10500Byte。

 axf文件是什么？是在bin文件的基础山添加了地址信息和调试信息的文件。使用记事本打开，确实有调试信息。

 能生成axf文件，说明有sct（分散加载文件）指导整个工程，生成axf，我们在keil配置里面找到之后，发现只有一个叫做Target.lin的文件，打开之后看到：

 跟平常见到的sct文件不太一样。

 其实，本质上并无差别，无非就是指定code中的各种属性（RO、RW、ZI）放到某些位置。

三、操作flash接口

        现在来看看FlashPrg.c里面的函数接口。

int Init (unsigned long adr, unsigned long clk, unsigned long fnc)

功能：用于初始化Flash
adr参数表示设备基地址（Base Address）
clk参数表示时钟频率
adr参数表示功能码（1 - 擦除, 2 - 程序, 3 -验证）

int ProgramPage (unsigned long adr, unsigned long sz,unsigned char *buf);

功能：将代码写入到flash中。
adr参数表示flash起始地址
sz参数表示写入数据的大小
buf参数表示缓存区
这里强调一点，falsh是以块为单位组织的，在FlashDev里面也有指定，大小为szPage。主机系统往flash写入数据的时候会确保不会出现跨块写入数据（就是一块一块的写入）。在前面的内容中，

T5324 000:563.106 Data: 88 08 00 20 D5 01 00 10 8B 0A 00 10 65 0A 00 10 ...
T5324 000:563.126 CPU_WriteMem(512 bytes @ 0x20000670)

写入是以512B大小的内容往flash写入。其他的函数都比较好理解，就不细讲了。

回过头来再看jlink下载日志（写入flash的部分已删掉）：

T5324 000:386.354 JLINK_WriteMem(0xE0001000, 0x1C Bytes, ...)
T5324 000:386.358 Data: 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ...
T5324 000:386.372 CPU_WriteMem(28 bytes @ 0xE0001000)
T5324 000:390.509 JLINK_WriteMem(0x20000000, 0x670 Bytes, ...)
T5324 000:390.517 Data: 00 BE 0A E0 0D 78 2D 06 68 40 08 24 40 00 00 D3 ...
T5324 000:390.720 CPU_WriteMem(1648 bytes @ 0x20000000)
T5324 000:527.583 JLINK_WriteMem(0x20000000, 0x670 Bytes, ...)
T5324 000:527.598 Data: 00 BE 0A E0 0D 78 2D 06 68 40 08 24 40 00 00 D3 ...
T5324 000:527.622 CPU_WriteMem(1648 bytes @ 0x20000000)
.....
T1A34 000:768.192 JLINK_WriteMem(0x20000000, 0x670 Bytes, ...)
T1A34 000:768.209 Data: 00 BE 0A E0 0D 78 2D 06 68 40 08 24 40 00 00 D3 ...
T1A34 000:768.232 CPU_WriteMem(1648 bytes @ 0x20000000)
T1A34 000:884.512 JLINK_WriteMem(0x20000000, 0x2 Bytes, ...)
T1A34 000:884.533 Data: FE E7
T1A34 000:884.552 CPU_WriteMem(2 bytes @ 0x20000000)

以下的部分内容，有些是猜测（根据自己的实践和网上的内容进行合理猜测）。
T5324 000:386.354：跟DWT通信，开始写入flash算法（也就时一段短的程序）。

T5324 000:390.509：将flash写入算法的内容写入到RAM中，地址在这里设置。

         之后，通过jlink，按照块（512B）大小发送程序的镜像文件（内容和bin文件一样），由flash写入算法接受数据，将镜像文件写入到flash中。最后完成校验、复位等工作（还有一些工作就不展开了，跟本文内容不是很紧密），jlink就可以断开了。

        这部内容简单的总结下就是：jlink先和M3内核沟通，然后将flash下载算法传输到到RAM中，再发送bin文件到RAM中，由flash下载算法将RAM中的bin文件（前面接受到的）写入到内部的flash。最后进行校验，复位（若有）等扫尾工作。

        到这里也明白了，下载bin文件到flah中的过程，其实是由我们指定的（flm文件），这个flm文件一般由芯片厂商提供，keil只是将这个接口（具体的下载bin的过程）开放出去了，各个芯片厂家适配他们自己的芯片。

四、芯片启动过程

        bin下载的过程基本上已经讲完了，如果还有内容的话，以后再更。最后谈一谈芯片如何启动。再说明芯片启动之前，我们先看看芯片的地址空间。

         上面时M3内核定义的地址空间使用，一般芯片厂商会根据自己的需要，在划分的区域里面实现自己的地址划分。（博主这里不想找了，就简单的画一个我需要讲解的部分，作为说明素材）

         玩过stm32的同学应该知道，stm32有两个boot引脚：boot0、boot1，二者配合起来选择从哪里启动（boot[0:1] 均为0的时候从内部flash启动，也就是从地址0x0800  0000，其他的情况从RAM或者外部flash启动，现在各位同学应该知道如果从外部flash启动该如何做了0^0）。

        在配置boot0/1为低电平时，芯片从0x0800  0000地址出读取两个字，一个sp，一个pc，然后配置中断向量表、进入复位中断（就是startup_stm32xxxx.s的内容）。但按理说，pc、sp一开始的值应该为0，那如何跳到0x0800  0000进而读取那里的bin文件呢？问题就在Boot里面

        看上图，Boot是一段代码，由厂商烧录。芯片在启动的时候，pc值为0，运行Boot程序，Boot程序会去检测boot0/1引脚，进而决定是从内部flash还是ram或者其他的地方启动（其实就是一个地址的区别，内部flash启动就是0x0800  0000，ram就是0x2000 0000），之后跳转到0x0800  0000（boot0/1为低电平），下面才是startup_stm32xxxx.s的内容。