Bootloader/IAP零基础入门（1.1） —— 设计一个Bootloader引导进入APP的程序，包含中断向量偏移

标签：1.1 中断向量 usart APP rx 地址 Bootloader

前言

（1）如果有嵌入式企业需要招聘湖南区域日常实习生，任何区域的暑假Linux驱动/单片机/RTOS的实习岗位，可C站直接私聊，或者邮件：[email protected]，此消息至2025年1月1日前均有效
（2）在上一章节中，我们详细介绍了如何让Bootloader引导进入APP程序。但是上一章节的工程是无法使用中断和RTOS的，为什么呢？本文将会详细介绍。
（3）上一章节博客地址：Bootloader/IAP零基础入门（1.0） —— 设计一个Bootloader引导进入APP的程序，不含中断向量偏移
（4）系列教程仓库链接：Github仓库
（5）注意：本章节只是做一个Bootloader引导进入APP的程序教程。虽然可以实现引导程序，但是并没有实现Flash擦除功能，因此并不能算真正的Bootloader。

前期准备

APP程序修改

（1）这里延续使用使用上一章节的工程。只不过在APP程序中，加入一个串口回传机制，需要使用到串口中断。
（2）首先初始化串口，波特率115200，使能串口中断。

在这里插入图片描述

（3）进入usart.c文件，按Ctrl+F搜索USER CODE BEGIN 0，补充如下代码。

/* USER CODE BEGIN 0 */
uint16_t g_usart_rx_sta = 0;
uint8_t g_rx_buffer[1];  /* HAL库使用的串口接收缓冲 */
/* 接收缓冲, 最大USART_REC_LEN个字节. */
uint8_t g_usart_rx_buf[USART_REC_LEN];

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	unsigned char temp[1]={ch};
	HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);
	return ch;
}

/* USER CODE END 0 */

在这里插入图片描述

（4）补充串口接受回调函数，在usart.c中按Ctrl+F搜索USER CODE BEGIN 1，补充如下代码。

/* USER CODE BEGIN 1 */
/**
 * @brief       串口数据接收回调函数
                数据处理在这里进行
 * @param       huart:串口句柄
 * @retval      无
 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)                    /* 如果是串口1 */
    {
        if ((g_usart_rx_sta & 0x8000) == 0)             /* 接收未完成 */
        {
            if (g_usart_rx_sta & 0x4000)                /* 接收到了0x0d（即回车键） */
            {
                if (g_rx_buffer[0] != 0x0a)             /* 接收到的不是0x0a（即不是换行键） */
                {
                    g_usart_rx_sta = 0;                 /* 接收错误,重新开始 */
                }
                else                                    /* 接收到的是0x0a（即换行键） */
                {
                    g_usart_rx_sta |= 0x8000;           /* 接收完成了 */
                }
            }
            else                                        /* 还没收到0X0d（即回车键） */
            {
                if (g_rx_buffer[0] == 0x0d)
                    g_usart_rx_sta |= 0x4000;
                else
                {
                    g_usart_rx_buf[g_usart_rx_sta & 0X3FFF] = g_rx_buffer[0];
                    g_usart_rx_sta++;

                    if (g_usart_rx_sta > (USART_REC_LEN - 1))
                    {
                        g_usart_rx_sta = 0;             /* 接收数据错误,重新开始接收 */
                    }
                }
            }
        }

        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)g_rx_buffer, 1);
    }
}
/* USER CODE END 1 */

（5）在usart.h文件中补充如下代码。

/* USER CODE BEGIN Private defines */
#define USART_REC_LEN               200         /* 定义最大接收字节数 200 */
/* USER CODE BEGIN Prototypes */
extern uint16_t g_usart_rx_sta;
extern uint8_t g_rx_buffer[1];  /* HAL库使用的串口接收缓冲 */
/* 接收缓冲, 最大USART_REC_LEN个字节. */
extern uint8_t g_usart_rx_buf[USART_REC_LEN];
/* USER CODE END Prototypes */

（5）在main.c文件按Ctrl+F搜索USER CODE BEGIN 1，补充如下代码。

  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint8_t len = 0;
  uint16_t times = 0;
  /* USER CODE END 1 */

（6）在main.c文件按Ctrl+F搜索USER CODE BEGIN 3，补充如下代码。

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		if (g_usart_rx_sta & 0x8000)        /* 接收到了数据? */
		{
				len = g_usart_rx_sta & 0x3fff;  /* 得到此次接收到的数据长度 */
				printf("\r\n您发送的消息为:\r\n");

				HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)g_usart_rx_buf, len, 1000);    /* 发送接收到的数据 */
				while(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_TC) != SET);          /* 等待发送结束 */
				printf("\r\n\r\n");             /* 插入换行 */
				g_usart_rx_sta = 0;
		}
		else
		{
				times++;

				if (times % 500 == 0)
				{
						printf("\r\n正点原子 STM32开发板 串口实验\r\n");
						printf("正点原子@ALIENTEK\r\n\r\n\r\n");
				}

				if (times % 500 == 0) printf("请输入数据,以回车键结束\r\n");

				if (times % 100  == 0) /* 闪烁LED,提示系统正在运行. */
				{
					HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin);
					HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
				}

				HAL_Delay(10);
		}
  }
  /* USER CODE END 3 */

Bootloader修改

（1）本章节的Bootloader和上一章节相比，只是多了下面这一行代码。

SCB->VTOR = AppStartFlash;     //APP的中断向量表是从0x8002000起始

在这里插入图片描述

工程整合

（1）工程整合与上一章节一样。因为每次配置STM32CubeMX，Keil MDK的相关设置都会被初始化默认状态。因此，这里我们需要重新配置一下APP的Keil MDK配置。具体的配置原因不做赘述，上一章节已作详细说明。

在这里插入图片描述

Bootloader代码讲解

VTOR寄存器与中断的关系

（1）我们发现，这一章节的Bootloader只是对VTOR寄存器进行了一次重新赋值。为什么不直接放在上一章节讲解？明明就一句代码的事情。这肯定是因为大有讲究。
（2）对于M3/M4内核的芯片，我们首先需要明白一点。CPU是怎么知道哪里是中断函数，地址对应的函数到底是串口中断还是外部中断。
（3）这个时候我们就需要看看M3权威指南的7.3 向量表章节了。
（4）从下面我们可以获取到以下信息：

当发生异常时候，M3/M4内核芯片需要在中断向量表中找到异常函数地址。
中断向量表默认在0地址处。
0xE000_ED08地址处的VTOR寄存器可以指示中断向量表的起始地址。
VTOR寄存器的低7位必须都为0。
VTOR寄存器上电复位的bit7-bit28全为0。结合低7位必须为0，可以得出第二天结论，即M3/M4内核芯片中断向量表上电复位时候，默认为0地址处。（注意，因为STM32F103存在地址映射功能，因此0地址与0x0800 0000对应）

在这里插入图片描述

M3/M4中断是流程

（1）上面我们知道了VTOR寄存器可以指示中断向量表的起始地址。而这个寄存器复位指示的向量表起始地址为0地址（STM32芯片中，0地址与0x0800 0000对应）
（2）现在我们以复位中断为例，假设我们按下复位键，此时会触发复位中断。
<1>CPU首先会根据VTOR寄存器找到向量表的起始地址0x08000000
<2>然后CPU自己记得，复位中断是在向量表的起始地址偏移4字节位置，也就是0x08000004。
<3>此时CPU读取0x08000004地址处的数据，并且跳转到这个地址。例如这里0x08000004地址处存放08000145，因为Thumb指令集的原因，bit0必须为1，因此实际上应该跳转的是08000144地址处。
<4>我们看08000144地址处，就能够发现这里是复位中断。其他中断执行流程与这个同理。都是CPU先去向量表起始地址，再根据芯片固化的中断偏移地址+向量表起始地址，找到存储中断函数地址处，然后根据这个存储的数据跳转到该地址执行任务。

在这里插入图片描述

为什么APP程序需要进行中断向量偏移

（1）有了上面的基础，回答这个问题其实显而易见了。首先，我们知道，APP的程序起始地址不会是在0x0800 0000，而是在我们设置的0x800 2000处。因此，APP的中断向量表并不是在0x0800 0000，而是在0x800 2000。于是，我们的Bootloader执行完程序之后，跳转到APP程序之前，需要设置VTOR寄存器进行中断向量偏移。

拓展思考

不支持中断向量偏移的芯片怎么办？

（1）学习了上面的教程之后，我们对Bootloader引导进入APP程序又有了进一步的了解。这个时候善于思考的同学肯定要说了，我这里讲的程序是只针对M3/M4内核的芯片吗？
（2）因为我对不同的内核了解也有限，目前只对M3/M4内核略懂，因此我也不敢保证所有内核芯片都是这样的。于是我们就要考虑一个问题，如果有些内核的芯片，并不支持中断向量表进行偏移，应该怎么办？
<1>方法很简单，我直接跳转到APP Flash的起始地址，进行偏移即可。原理与上一章节所说的，Bootloader跳转到APP程序相同，不做赘述。

#define AppStartFlash 0x8002000UL
typedef void (*HandlerFunction)(void);    //定义一个函数指针类型
void Reset_Handler(void)
{
	HandlerFunction APP_Handler = (HandlerFunction)*(volatile uint32_t *)(AppStartFlash + (4 * 1));
	APP_Handler();
}
void NMI_Handler(void)
{
	HandlerFunction APP_Handler = (HandlerFunction)*(volatile uint32_t *)(AppStartFlash + (4 * 2));
	APP_Handler();
}
void HardFault_Handler(void)
{
	HandlerFunction APP_Handler = (HandlerFunction)*(volatile uint32_t *)(AppStartFlash + (4 * 3));
	APP_Handler();
}
//...
void PendSV_Handler(void)
{
	HandlerFunction APP_Handler = (HandlerFunction)*(volatile uint32_t *)(AppStartFlash + (4 * 14));
	APP_Handler();
}
//...

Bootloader的中断向量有存在的必要吗？

（1）现在我们对中断流程，以及中断向量表已经拥有了一定的认识。那么，我们是否能够思考一个问题。中断向量表对于Bootloader真的一定有存在的价值吗？
<1>这个时候我们又需要回到中断向量表的意义了。我们知道，中断向量表是存储在Flash的VTOR指示的地址处，当发生中断时候，CPU会找到VTOR指示的地址，再根据是什么类型的中断进行地址偏移，最终跳转到中断函数里面。
<2>但是，假如我们的Bootloader并不会产生任何的中断，那有存在的意义吗？如果你想要尽可能的压缩空间，并且真的不会使用到中断，那么Bootloader是可以不要中断向量表的。
（2）这个时候我们再思考一下，假如我们只用到了串口1中断函数，并且想要尽可能的压缩Bootloader程序空间，中断向量表又应该如何处理呢？
<1>因为我们知道，CPU是根据VTOR寄存器指示的中断向量表起始地址进行偏移，而我们这里又只需要用到串口1的中断函数，CPU的这个中断偏移用户是无法修改的。因此，我们可以得出结论，如果Bootloader只需要使用串口1的中断，那么串口1中断之前的中断向量表都是需要进行保留的。串口1中断后面的中断向量表，可以进行删除。
（3）对于不支持中断向量表偏移的芯片，Bootloader能够删除中断向量表吗？
<1>这个显然是不可以的，之前Bootloader删除中断向量表，是因为Bootloader不需要使用中断，并且进入APP程序之前就能够让中断向量表进行偏移。因此并不会影响到APP程序的中断。
<2>但是如果是不支持中断向量表偏移的芯片，将Bootloader的中断向量表删除了，之后进入APP程序之后，发生中断将会产生未知的错误。

参考

（1）中科院：嵌入式与微机原理总复习
（2）CM3权威指南
（3）百问网：29_异常向量表基地址无法修改时怎么办

标签：1.1,中断向量,usart,APP,rx,地址,Bootloader
From： https://blog.csdn.net/qq_63922192/article/details/137123772

Bootloader/IAP零基础入门（1.1） —— 设计一个Bootloader引导进入APP的程序，包含中断向量偏移

前言

前期准备

APP程序修改

Bootloader修改

工程整合

Bootloader代码讲解

VTOR寄存器与中断的关系

M3/M4中断是流程

为什么APP程序需要进行中断向量偏移

拓展思考

不支持中断向量偏移的芯片怎么办？

Bootloader的中断向量有存在的必要吗？

参考

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