STM32 BootLoader 刷新项目 (一) STM32CubeMX UART串口通信工程搭建

STM32 Customer BootLoader 刷新项目 (一) STM32CubeMX UART串口通信工程搭建

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。

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。

功能与作用

1. 硬件初始化： 二级Customer BootLoader通常负责对特定硬件的初始化工作。虽然一级BootLoader已经完成了一些基本的硬件初始化，但二级BootLoader会进行更详细的硬件配置，如设置外设（例如UART、SPI、I2C等）、初始化存储设备（如Flash、EEPROM等）以及配置系统时钟等。
2. 固件验证与更新： 二级Customer BootLoader常常用于验证固件的完整性和合法性。这可以通过校验和（Checksum）、加密签名等方式来实现。若检测到固件损坏或版本过旧，BootLoader可以从预设的位置（如网络、USB设备或备用存储区）下载并更新固件。
3. 安全启动： 为了增强系统安全性，二级BootLoader可以实现安全启动机制。它会检查固件的数字签名或哈希值，确保只有经过验证和授权的固件才能被加载和执行，从而防止恶意代码的运行。
4. 引导多种操作系统或应用程序： 二级Customer BootLoader可以配置为引导不同的操作系统或应用程序。例如，在嵌入式系统中，可能需要根据不同的条件引导进入不同的应用程序模块，BootLoader可以根据预设的规则进行选择和加载。
5. 配置和诊断功能： 二级BootLoader可以提供一些配置和诊断功能。例如，它可以允许用户通过串口或网络接口进入配置模式，调整系统参数，进行硬件诊断和调试。
6. 引导时间优化： 由于嵌入式系统通常需要快速启动，二级BootLoader可以优化引导过程，减少启动时间。它可以通过压缩固件、优化初始化代码等手段来实现快速引导。

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

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。

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。

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。

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

选择 STM32F407 ZGT6

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）

点击SYS，选择Debug功能为JTAG(5 pins)，跟板子调试口对应

2.3 USART串口配置

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

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。

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.

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

2.4 时钟树配置

点击上方的Clock Configuration，开始配置时钟

下面我们来看一下时钟树的结构，如下图所示

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

2.5 工程导出设置

如下图所示，设置工程

代码生成设置

高级设置Advanced Settings

点击右上角，生成代码GENERATE CODE

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

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。

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

下面是在main.c中的代码实现：

引用c标准头文件

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

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

bootloader_uart_read_data()函数中先接收在发送。

printmsg()打印数据函数实现。