M0架构IAP

 

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1 前言

在使用F0的片子在增加IAP后，我们经常发现，原来的APP必须增加一段代码，将中断向量表从内部FLASH拷贝到SRAM后再执行REMAP到SRAM，这样操作后APP才能正常运行，这一过程一直困扰着蝶粉们，为什么需要这样呢？本文将针对这一问题为大家解惑。

 

2 问题详细描述

 

比如F0的下面这部分代码：

 

#define APPLICATION_ADDRESS     (uint32_t)0x08004000
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
#if   (defined ( __CC_ARM ))
__IO uint32_t VectorTable[48] __attribute__((at(0x20000000)));
#elif (defined (__ICCARM__))
#pragma location = 0x20000000
__no_init __IO uint32_t VectorTable[48];
#elif defined   (  __GNUC__  )
__IO uint32_t VectorTable[48] __attribute__((section(".RAMVectorTable")));
#endif
int main(void)
{
  uint32_t i = 0;

  HAL_Init();

  /* Configure the system clock to 48 MHz */
  SystemClock_Config();

  /* Relocate by software the vector table to the internal SRAM at 0x20000000 ***/  

  /* Copy the vector table from the Flash (mapped at the base of the application
     load address 0x08004000) to the base address of the SRAM at 0x20000000. */
  for(i = 0; i < 48; i++)
  {
    VectorTable[i] = *(__IO uint32_t*)(APPLICATION_ADDRESS + (i<<2));
  }

  /* Enable the SYSCFG peripheral clock*/
  __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE(); 
  /* Remap SRAM at 0x00000000 */
  __HAL_SYSCFG_REMAPMEMORY_SRAM();

  /* Add your own code here...    
*/
//…
}
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如上所示，在没有加入IAP之前这部分代码不需要的，而加入IAP后，这部分代码在F0中就必须添加了，不然APP会运行部正常！ 从代码中可以看出，增加的代码执行了从内部FLASH中拷贝中断向量表到内存，然后重映射SRAM，可是，蝶粉们不禁要问，为什么要这么操作？这个又是什么原因造成的？

3 原因分析

 

 

3.1 重映射

在搞懂这个问题之前我们首先先来看看什么是重映射。例如F072的参考文档张SYSCFG寄存器的介绍，如下图： 
 
MEM_MODE的介绍如下： 
 
从以上内容我们可以得到以下信息： 
1.  MEM_MODE的值在上电后有BOOT0，BOOT1的状态值决定。 
2.  MEM_MODE的值决定了哪个内存映射到地址0x0000 0000 
也就是说: 
   当MEM_MODE =00/10时,Main Flash映射到地址0x0000 0000,即地址0x0800 0000映射到0x0000 0000. 
   当MEM_MODE =01时,System Flash映射到地址0x0000 0000,也就是芯片自带的Bootloader代码部分会映射到地址0x0000 0000,即0x1FFF C800映射到地址0x0000 0000. 
   当MEM_MODE =11时,Embeded SRAM映射到地址0x0000 0000,也就是内存地址0x2000 0000映射到地址0x0000 0000. 
3.  经过映射后，系统访问地址0x0000 0000地址，就相当于直接访问映射的地址，如0x0800 0000. 
4.  由BOOT0，BOOT1的状态决定MEM_MODE的值，进而决定哪个地址映射到地址0x0000 0000，这一过程我们称之为映射。默认映射是系统自动完成的，并由BOOT0，BOOT1的状态决定。 
5.  MEM_MODE位是RW的，也就是说可以修改的，如果修改其中，也就会相应的修改映射到0x0000 0000的地址，这一修改的过程，我们就叫其为重映射。重映射是通过用户代码通过修改MEM_MODE的值来完成的。

3.2 系统启动

从STM32F072的参考手册的2.5章，我们可以看到如下内容： 
 
从以上内容我们可以得到以下有用信息: 
1.  在复位启动后，系统在系统时钟的第4个上升沿根据BOOT0,BOOT1的配置获取其值，也就是存储到寄存器SYSCFG_CFGR1的MEM_MODE位上，根据前面3.1的信息可知，这里进一步确定了0x0000 0000的映射地址。这一过程是系统自动完成的。 
2.  在系统启动后，CPU从地址0x0000 0000获取栈顶地址，然后从0x0000 0004开始执行代码。换句话说，由于0x0000 0000被映射了其他地址，获取栈顶与执行实际上都是从映射的地址上实施的。也就是从映射的地址开始执行代码，比如从地址0x08000 0004开始执行代码(如Mian Flash映射)，比如0x1FFF C804(如System Flash映射，即BootLoader启动). 
于是，我们简单整理下系统的整个启动流程: 
-> 系统复位 
-> CPU在系统时钟的第4个上升沿根据BOOT0，BOOT1的配置确定寄存器SYSCFG_CFGR1的MEM_MODE的值 
-> MEM_MODE进一步决定哪个地址(Main Flash,System Flash,SRAM)映射到地址0x0000 0000. 
-> CPU从地址0x0000 0000获取栈顶，从0x0000 0004开始执行代码，也就是从映射地址获取栈顶，从映射地址+4的地方开始执行代码。 
->映射地址+4对于着复位中断例程(如0x08000 0004)，也就是系统一开始就执行Reset_Handler，进而运行SystemInit然后进入到main函数，就这样，整个代码启动完成。

接下来就是中断产生于中断响应了。

 

3.3 中断与中断向量表

从ARM官网上的信息得知(http://infocenter.arm.com/help/index.jsp ),在Coretext-M3与Coretext-M4核中，在System Control Block中存在一个向量表偏移量寄存器 VTOR(0xE000ED08)，系统产生中断后，内核通过这个寄存器的值来找到中断向量表的地址，进而执行中断例程代码，当然，此寄存器的值是可以修改的，它的默认值为0。实际上在大部分的M3和M4的工程中，一般都是在SystemInit函数中对此寄存器的值进行设置，当此之前，它的值为默认值0，由于映射关系，实际上就是指向映射地址，比如0x0800 0000. 如下图所示: 
 
但是，由于STM32F0XX采用的是M0核，它是没有这个VTOR寄存器的，那么它又是怎么找到中断向量表的地址的呢？同样在ARM官网上我们找到如下信息： 
 
也就是说，对于M0来说，中断向量表的地址固定在地址0x0000 0000上! 
对此，我们也可以这么理解，将M0理解成M3/M4的特殊情况，M0假设也存在VTOR这么一个虚拟寄存器，只不过它的值不能修改,固定为0罢了，而M3/M4的这个VTOR寄存器一开始时它的值也是为默认值0，只不过在程序运行到SystemInit()函数后，在代码中明确对其进行了修改。

我们整理下STM32F0XX中断的调用过程: 
-> 产生中断 
-> CPU固定到地址0x0000 0000上找中断入口函数，由于映射关系，实际上是在从映射地址上寻找。 
-> 找到并执行中断例程

此时，可以回到我们一开始的问题上来了.

 

3.4 回到问题分析

 

3.4.1 从IAP跳转到APP的过程分析

从IAP跳转到APP时到底发生了什么呢？首先我们来看看这个跳转代码：

 

/* Test if user code is programmed starting from address "APPLICATION_ADDRESS" */
    if (((*(__IO uint32_t*)APPLICATION_ADDRESS) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
    {
      /* Jump to user application */
      JumpAddress = *(__IO uint32_t*) (APPLICATION_ADDRESS + 4);
      JumpToApplication = (pFunction) JumpAddress;
      /* Initialize user application's Stack Pointer */
      __set_MSP(*(__IO uint32_t*) APPLICATION_ADDRESS);
      JumpToApplication();
    }
1234567891011

如上，首先测试APP地址是否存在用户代码，如果存在，则首先将APPLICATION_ADDRESS + 4，作为跳转地址，然后从APPLICATION_ADDRESS取栈顶并赋值给SP寄存器，最后跳转。

于是我们可以得出结论： 
跳转代码后，PC指针变了，SP栈指针也修改了，但是，中断向量表的位置并没有修正为APP的中断向量表位置，还是采用IAP的中断向量表位置。如果此时系统产生中断，CPU还会固定从0x0000 0000地址中去找中断入口，由于从IAP到APP，内存映射并没有改变，因此，实际上还是从0x0800 0000上去找中断入口，也就是还是在IAP的中断向量表上寻找，继续执行IAP的中断例程，进而引发hard fault，这显然不是我们想要的。

3.4.2 问题分析

这里的关键是，如何将中断向量表的寻找位置从0x0800 0000修改到0x0800 3000(假设为APP的地址)? 从之前的分析我们可以得出有两种方法： 
1 修改寄存器VTOR的值 
2 内存重映射 
M3/M4核的MCU显然采用了第一种方法，因此，在M3/M4的MCU上，即使添加了IAP，也不需要增加本文第二章所描述的代码。而这部分代码，正是M0采用的第二种方法，也是唯一可以修改寻找中断向量方式的方法。

通过将SRAM重映射到地址0x0000 0000，那么，M0系统产生中断后，CPU还是从地址0x0000 0000寻找中断入口，但是，实际上不再是寻址0x0800 0000，而是寻址0x2000 0000，这么一来，接下来我们就只需要将中断向量表整个拷贝到SRAM上，也就是0x2000 0000上，就这样，CPU就可以正常寻址中断向量表了。

4 结论

在使用STM32F0XX时，若增加IAP，则必须在APP中将中断向量表拷贝到SRAM，并将系统重映射到SRAM，这样才能使中断恢复正常工作。
 

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Cortex-M3/M4与M0架构IAP过程简单总结Cortex-M3/M4架构下的IAPCortex-M0架构下的IAPCortex-M0+架构区别
本文主要侧重Cortex-M3/M4与Cortex-M0/Cortex-M0+的IAP过程中，关于向量表寄存器讨论。
Cortex-M3/M4架构下的IAP
Cortex-M3/M4架构下因为具备可修改的向量表寄存器，中断向量表重映射过程相对简单很多，只需要对SCB->VTOR寄存器进行操作就可以，例如STM32CubeMX生成的STM32F10x系列代码中，system_stm32f1xx.c文件里有相关的寄存器操作：
/*!< Uncomment the following line if you need to relocate your vector Table in
     Internal SRAM. */ 
/* #define VECT_TAB_SRAM */
#define VECT_TAB_OFFSET  0x00000000U /*!< Vector Table base offset field. 
                                  This value must be a multiple of 0x200. */

#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
#endif 
1234567891011
Cortex-M0架构下的IAP
因为没有SCB->VTOR寄存器，M0架构下的向量表重映射要麻烦点，原来的APP必须增加一段代码，将中断向量表从内部FLASH拷贝到SRAM后再执行REMAP到SRAM。
详细STM32F0xxIAP过程参考这里
Cortex-M0+架构区别
STM32G0系列属于Cortex-M0+架构。
在STM32G0的system_stm32f1xx.c文件中找到了M3/M4中才有的SCB->VTOR寄存器操作
/**
  * @brief  Setup the microcontroller system.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void SystemInit(void)
{
  /* Configure the Vector Table location add offset address ------------------*/
#ifdef VECT_TAB_SRAM
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
#endif
}
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在文件stm32g071xx.h中，
#define __VTOR_PRESENT            1 /*!< Vector  Table  Register supported             */
1
根据以上信息，作为M0的plus版本，stm32g0在IAP过程中应该可以跟M3/M4一样简单。
 

 

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这里给出基于Keil的工程源码，分为Bootloader和App两个工程，主要实现基于UART的IAP升级功能，升级过程中通信中断，重新上电后Bootloader仍可运行，再次执行升级即可。实现平台：STM32F030R8 + STLink + SecureCrt + CubeLL库

IAP的英文直译的意思是，在应用中编程，而不是传统的采用SWD/JTAG下载的方式；通讯方式只要MCU支持即可，这里用UART外设