[嵌入式] 创建Cortex-M系列芯片下载算法

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[嵌入式]创建Cortex-M系列芯片下载算法

?????我们平时在使用 $STM 32$ 系列芯片的时候，在编译好程序之后，可能就是一个简单的鼠标操作，单机一下 $Keil\quad MDK\quad IDE$ 上的 $Do w n l o a d$ 就可以了，但是实际上在下载程序到 $Fl a s h$ 上的时候还需要一个叫做 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 的东西，如图1所示。因为我们知道一般芯片内部的 $Fl a s h$ 如果要进行烧录的话，需要先擦除，那么这个 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 就相当于给 $Keil\quad MDK\quad IDE$ 提供了一系列操作内部的 $Fl a s h$ 的接口。

图1.

?????一般情况下，芯片供应商已经在对应的 $P A C K$ 包里面为你准备好了对应的 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 。那我们现在的问题是如何自己去构建 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 文件。关于这一点大家可以先看一看 $A RM$ 公司关于这一块的官方介绍。下面我将简单的介绍一下 $CORTEX ? M$ 系列芯片的 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 文件的构建过程，注意这里是 $CORTEX ? M$ 系列芯片， $A RM$ 公司其他系列芯片的 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 文件的构建过程可能还不同。下面的讲解主要基于 $CMS I S$ 官方介绍。
?????首先找到你的 $Keil\quad MDK\quad IDE$ 的 $P A C K$ 包的安装目录，然后将到图1（这里是我的 $Keil\quad MDK\quad IDE$ 的 $P A C K$ 包的安装目录，你需要确定你自己的）所示的 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 模板工程复制出来。然后可以根据自己的喜好改一下图4和图5中的名字，当然这里不改也是可以的，但是图3的地方还是需要改一下，因为我打算用 $STM 32 F 103$ 作为测试的例子， $STM 32 F 103$ 是 $M 3$ 的内核，因此这里选择 $M 3$ 。最后一步也是最重要的一步是更改图6中的那两个文件，也就是一系列操作内部的 $Fl a s h$ 的接口，接下来我们会重点讲到。有了这些之后编译这个工程就会生成你所需的 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 。

图2.

图3.

图4.

图5.

图6.

?????文件 $Fl a s h De v . c$ 里面主要是一些参数定义，定义在一个结构体中。图7是这个参数结构体的定义，结构体的第1个元素是下载算法的版本，这里自己填写，第2个元素是芯片相关描述，这里自己填写，第3个元素是 $Fl a s h$ 所在位置，是片上（ $ONC H I P$ ），还是片外（ $EXT\_x\_BIT$ ），这里自己填写。第4个元素和第5个元素分别是 $Fl a s h$ 的起始地址和大小（因为我这里的测试芯片是 $STM 32 F 103 ZET 6$ ，因此 $Fl a s h$ 是 $512 K B = 0 x 00080000$ ，虽然芯片在启动的时候，地址 $0 x 00000000$ 可以自动映射到地址 $0 x 08000000$ ，但是这里的起始地址只能写为 $0 x 08000000$ ），第6个元素是 $Fl a s h$ 的一个页的大小， $STM 32 F 103 ZET 6$ 的 $Fl a s h$ 的一个页的大小为 $2 K B = 2048 B Y TES$ ，第7个元素保留，第8个元素说明 $Fl a s h$ 擦除完之后的内容，一般擦除完之后都是全F。第9个元素和第10个元素分别是 $Fl a s h$ 页擦除和片擦除超时时间。最后一个元素定义了整片 $Fl a s h$ 的页的分布情况，它是一个结构体数组。这个结构体有两个元素，第一个是一个页的大小，另一个是页的起始地址，要注意的是这里不用把每一个页的起始地址和大小都列出来，比如 $STM 32 F 103 ZET 6$ 的 $Fl a s h$ 一共有256个页，每一个页的大小都是 $2 K B = 2048 B Y TES$ ，因此这里结构体数组的第0个元素写为 $(2048, 0 x 00000000)$ 就可以了（注意这里的起始地址只能写为 $0 x 00000000$ 而不能写为 $0 x 08000000$ ，具体的细节的原因我占时不知道，如果你这里写为 $0 x 08000000$ ，在下载程序的时候会报错，程序无法下载成功），这就表明整片 $Fl a s h$ 的大小都是 $2 K B = 2048 B Y TES$ 。别忘了最后还要加一个数组元素 $SECTOR\_END$ 。那如果出现 $Fl a s h$ 的所有页不是同样大小的情况怎么样，我们现在举一个简单的例子，假如 $Fl a s h$ 开头的8页，每一页的大小都是 $8 K B$ ，接下来的两页，每一页的大小都是 $64 K B$ ，接下来的所有页，每一页的大小都是 $8 K B$ ，如图8所示，这个例子也是上面复制的模板工程里面原来的代码。改完之后的参数结构体如图9所示。

图7.

图8.

图9.

?????下面我们来详细介绍一下 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 需要用到的一些接口函数以及相应的流程，这些函数都在文 $Fl a s h P r g . c$ 中，如下所示，其中前面4个是必须的，后面3个可以根据需求可选，这里我在测试的时候只实现了必须要实现的接口函数。

$I ni t ，（必须）$
$U n I ni t ，（必须）$
$E r a se S ec t or ，（必须）$
$P ro g r am P a g e ，（必须）$
$E r a se C hi p ，（可选）$
$Bl ank C h ec k ，（可选）$
$V er i f y ，（可选）$

?????接口函数 $Bl ank C h ec k$ 主要的功能是用来检查当前的 $Fl a s h$ 区域是否是空的，注意对于 $Fl a s h$ 区域来说空的含义就是这个区域的每一个字节的内容都是全 $F$ ， $0 x FF$ ，起始如果对于一个区域是全 $F$ 的话，我们不去擦除就可以直接去烧录。当然这个函数也可以用来检查一块特定的 $Fl a s h$ 区域的内容是否等于特定的值，比如每一个字节的内容是否等于 $0 x AA$ 。其中参数 $a d r$ 表示要检查的 $Fl a s h$ 区域的起始地址，参数 $sz$ 表示要检查的 $Fl a s h$ 区域的大小，参数 $p a t$ 表示要检查的 $Fl a s h$ 区域的预期的特定值，比如 $0 x FF$ 。

int BlankCheck (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char pat);
Parameters
    adr	Block start address
    sz	Block size in bytes
    pat	Pattern to compare
Returns
    status information:0 when the block content is equal to the pattern pat.
    status information:1 when the block content differs from the pattern pat.

?????接口函数 $E r a se C hi p$ 主要的功能是用来擦除整片 $Fl a s h$ 区域，如果我们在图10中配置下载算法的对话框中勾选了 $Erase\quad Full\quad Chip$ 的话，在下载程序的过程中， $Keil\quad MDK\quad IDE$ 就会调用下载算法中的这个接口首先将整片 $Fl a s h$ 区域擦除，这个函数实现起来是比较简单的，一般芯片设计公司提供的库函数里面就有响应功能的接口函数，参考一下就可以了，比如 $ST$ 公司的 $STM 32 F 103$ 提供的擦除整片 $Fl a s h$ 区域的接口函数如图11所示。如果我们没有实现这个接口函数的话， $Keil\quad MDK\quad IDE$ 会不断调用 $E r a se S ec t or$ 接口函数，直到整片 $Fl a s h$ 区域被擦除。

int EraseChip (void);
Returns 
    status information: 0 on success.
    status information: 1 on failure.

图10.

/*
 *  Erase complete Flash Memory
 *    Return Value:   0 - OK,  1 - Failed
 */

int EraseChip (void) 
{
    FLASH_Status status = FLASH_COMPLETE;

    /* Wait for last operation to be completed */
    status = FLASH_WaitForLastOperation(EraseTimeout);
    if(status == FLASH_COMPLETE)
    {
        /* if the previous operation is completed, proceed to erase all pages */
        FLASH->CR |= CR_MER_Set;
        FLASH->CR |= CR_STRT_Set;
    
        /* Wait for last operation to be completed */
        status = FLASH_WaitForLastOperation(EraseTimeout);

        /* Disable the MER Bit */
        FLASH->CR &= CR_MER_Reset;
    }
    /* Return the Erase Status */
    if(status == FLASH_COMPLETE)
    { 
        return (0);  		
	}
	else
    {
        return (1);  	
	}
}

图11.

?????接口函数 $E r a se S ec t or$ 主要的功能是用来擦除 $Fl a s h$ 区域的一页内容，如果我们在图10中配置下载算法的对话框中勾选了 $Erase\quad Full\quad Sectors$ 的话，在下载程序的过程中， $Keil\quad MDK\quad IDE$ 就会调用下载算法中的这个接口。参数 $a d r$ 表示要擦除的 $Fl a s h$ 区域的页的起始地址，这个函数实现起来是比较简单的，一般芯片设计公司提供的库函数里面就有响应功能的接口函数，参考一下就可以了，比如 $ST$ 公司的 $STM 32 F 103$ 提供的擦除 $Fl a s h$ 区域的一页接口函数如图12所示。

int EraseSector (unsigned long adr);
Parameters
    adr	Sector address
Returns
    status information:0 on success.
    status information:1 on failure.

?????接口函数 $E r a se S ec t or$ 我的具体实现如下所示，因为原本的工程里面没有下面函数中 $F L A S H$ 等结构体的定义，因此这些结构体的定义，你需要自己添加进去。

/*
 *  Erase Sector in Flash Memory
 *    Parameter:      adr:  Sector Address
 *    Return Value:   0 - OK,  1 - Failed
 */

int EraseSector (unsigned long adr) 
{
    FLASH_Status status = FLASH_COMPLETE;

    /* Wait for last operation to be completed */
    status = FLASH_WaitForLastOperation(EraseTimeout);
  
    if(status == FLASH_COMPLETE)
    { 
        /* if the previous operation is completed, proceed to erase the page */
        FLASH->CR|= CR_PER_Set;
        FLASH->AR = adr; 
        FLASH->CR|= CR_STRT_Set;
    
        /* Wait for last operation to be completed */
        status = FLASH_WaitForLastOperation(EraseTimeout);
    
        /* Disable the PER Bit */
        FLASH->CR &= CR_PER_Reset;
    }

    /* Return the Erase Status */
    if(status == FLASH_COMPLETE)
    { 
        return (0);  		
    }
    else
    {
        return (1);  	
    }
}

图12.

?????接口函数 $I ni t$ 用来在操作 $Fl a s h$ 区域前的一些初始化操作，像最基本的，在操作 $Fl a s h$ 相关的寄存器前需要先解锁。参数 $a d r$ 表示 $Fl a s h$ 设备的基地址，参数 $f n c$ 表示不同的操作，1表示擦除，2表示烧录，3表示验证，参数 $c l k$ 表示操作时的时钟频率，但是我看官方的模板函数里面这三个参数基本没有用到，这里我也没有细究了。这里我的具体实现也比较简单，也就是给 $Fl a s h$ 操作解锁了。

int Init (unsigned long adr, unsigned long clk, unsigned long fnc);
Parameters
    adr	Device base address
    clk	Clock frequency (Hz)
    fnc	Function code
Returns
    status information:0 on success.
    status information:1 on failure.

/*
 *  Initialize Flash Programming Functions
 *    Parameter:      adr:  Device Base Address
 *                    clk:  Clock Frequency (Hz)
 *                    fnc:  Function Code (1 - Erase, 2 - Program, 3 - Verify)
 *    Return Value:   0 - OK,  1 - Failed
 */

int Init (unsigned long adr, unsigned long clk, unsigned long fnc) 
{
  FLASH_Unlock();
  return (0);                                 
}

?????接口函数 $P ro g r am P a g e$ 主要的功能是在下载程序的过程中将编译好的代码文件烧录到 $Fl a s h$ 区域中，每调用一次该函数只能烧录一页的内容。参数 $a d r$ 表示要烧录的 $Fl a s h$ 区域的页的起始地址，参数 $sz$ 表示要烧录的 $Fl a s h$ 区域的页的大小，参数 $b u f$ 存储要烧录到 $Fl a s h$ 区域的页中的代码的实际内容。这个函数实现起来是比较简单的，但是这里 $ST$ 公司的 $STM 32 F 103$ 的库函数里面没有直接的烧录一页的接口函数，只有烧录一个字或半个字的接口函数， $STM 32 F 103$ 的 $Fl a s h$ 区域一次只能烧录半个字，我们可以可以调用如图13所示的烧录半个字的接口来实现烧录一页的接口函数。

int ProgramPage (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf);
Parameters
    adr	Page start address
    sz	Page size
    buf	Data to be written
Returns
    status information: 0 on success.
    status information: 1 on failure.

/*
 *  Program Page in Flash Memory
 *    Parameter:      adr:  Page Start Address
 *                    sz:   Page Size
 *                    buf:  Page Data
 *    Return Value:   0 - OK,  1 - Failed
 */

int ProgramPage (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf) 
{
    FLASH_Status status = FLASH_COMPLETE;	
    sz = (sz + 1) & ~1;                          // Adjust size for Half Words
 
    while (sz) 
    {
        status = FLASH_COMPLETE;
        status=FLASH_ProgramHalfWord(adr, *((unsigned short *)buf));		
        /* Return the Program Status */
        if(status != FLASH_COMPLETE)
        { 
            return (1);  	
	    }	
        /* Go to next Half Word */
        adr += 2;
        buf += 2;
        sz  -= 2;				
    }
    return (0);                                 
}

图13.

?????接口函数 $U n I ni t$ 用来进行在操作（擦除，烧录，验证） $Fl a s h$ 区域后的一些操作，像最基本的，对 $Fl a s h$ 相关的寄存器重新上锁。参数 $f n c$ 表示不同的操作，1表示擦除，2表示烧录，3表示验证，但是我看官方的模板函数里面这个参数基本没有用到，这里我也没有细究了。这里我的具体实现也比较简单，也就是给 $Fl a s h$ 重新上锁。

int UnInit (unsigned long fnc);
Parameters
    fnc	Function code
Returns
    status information:0 on success.
    status information:1 on failure.

/*
 *  De-Initialize Flash Programming Functions
 *    Parameter:      fnc:  Function Code (1 - Erase, 2 - Program, 3 - Verify)
 *    Return Value:   0 - OK,  1 - Failed
 */

int UnInit (unsigned long fnc) 
{
  FLASH_Lock();
  return (0);                                 
}

?????接口函数 $V er i f y$ 主要的功能是对比已经下载到 $Fl a s h$ 区域中的代码和代码文件，也就是看下载到 $Fl a s h$ 区域中的代码和编译生成的代码是否一致。参数 $a d r$ 表示要对比的 $Fl a s h$ 区域的起始地址，参数 $sz$ 表示要对比的 $Fl a s h$ 区域的大小，参数 $b u f$ 存储要对比的代码的实际内容。

unsigned long Verify (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf);
Parameters
    adr	Start address
    sz	Size in bytes
    buf	Data to be compared
Returns
    status information:the sum of (adr+sz) - on success.
    status information:any other number - on failure, and represents the failing address.

?????有了以上修改之后，编译这个模板工程就可以生成你所需的下载算法了，下载算法的文件名后缀为 $F L M$ ，可以将这个生成的下载算法替代以前的下载算法，测试看看能否下载成功。最后图14是 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 的擦除流程，图15是 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 的程序烧录流程，图16是 $Flash\quad programming\quad algorithm$ 的验证流程。我的测试工程在这里。