请问STM32如何实现固件分区？

一、技术背景

以前我用过一款庆科的WiFi模组——EMW3162，它由一块STM32F205RG芯片 + SDIO接口的射频芯片组成，有趣的是官方将这颗STM32芯片内部Flash做了很多块的划分，如下图所示。
     



     EMW316x FLASH分配情况   
可以看到1MB的Flash被分割成了5部分，分别是：
1. Bootloader，一段引导代码，一般用于更新APP程序。
2. 信息区，存放OTA的一些信息和用户参数。
3. 用户应用区，也就是APP区，用户可以二次开发后将代码烧录到此处。
4. OTA暂存区，接收OTA数据，接收完成后再复制到用户应用区。
5. 射频驱动区，用于存放SDIO射频模组的驱动，供上层使用。
这样划分的好处是显而意见的，厂家不用提供射频驱动的源码，甚至连LIB库都不用提供，并且用户在OTA时，仅需更新应用区的代码，无疑加快了OTA的速度。缺点嘛也是有的，因为每个区都要预留一些Flash空间，所以划分得越细，浪费的空间也就越多。当然相比起优点，这点缺点还是可以接受的。下文提供了一种方法来实现这种应用，可能和庆科的实现方式不一样，仅可作为一种思路。
二、技术方案

以下将用户业务层称为App，将驱动层称为Driver，我们要实现的是将Driver编译成一个固定的bin文件，即Firmware.bin，让App能够跨bin文件调用Driver中的函数，而且要求Driver层的更新不能影响App的访问。
我们知道，C语言中的函数名实际上是个地址，只要知道了函数的地址、函数的格式，就可以调用这个函数。所以关键点在于如何让App知道Firmware.bin中各个函数的地址。以下提供了几种不同的方案，为了方便说明，下文所有所述内容均不包括Bootloader区、Param区，仅有App区和Driver区。
方案一：在Driver工程中，声明一个结构体，结构体成员为供App使用的函数指针，然后定义一个初始化函数，该函数用于完成上述结构体指针的初始化，然后将该函数放到某一约定好的地址，App需要根据该地址调用这个初始化函数，这样App就获得了所需的Driver中的函数指针。
方案二：将Driver中的对外函数地址按4字节对齐，顺序地排列到Driver区的起始地址上，App层声明一个结构体，结构体成员为所需的函数指针，然后定义一个该结构体指针，强制指向Driver区的起始地址，因为STM32中的函数指针是4字节的，所以这个结构体指针的成员实际已经指向了Driver层对应的函数。
由于方案二更简洁，所以本文使用方案二来实现目的。
三、技术原理

3.1 核心思想

根据方案二所述，最大的难点在于如何将函数地址按顺序排列到Driver区的起始地址上。事实上，答案就在ST提供的启动文件里，启动文件为中断向量表分配了固定的Flash空间，我们完全可以仿照这一方法。对启动文件不熟悉的读者可以参考我的另一篇文章：STM32启动流程详解。
下面的例子使用的是Keil MDK编译平台，芯片为STM32F103RCT6，Flash和Ram分配如下：
     



     Flash和Ram分配情况   

3.2 Driver工程代码
以下是Driver工程仿照启动文件编写的汇编文件，用于将所需函数地址按序排列在起始地址上。


                PRESERVE8
                THUMB


; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    FIRMWARE, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

__Vectors       DCD     FirmwareInit            
                DCD     LED_ON
                DCD     LED_OFF
                DCD     uart_put_char
                DCD     delay_ms
                DCD         GetCount

__Vectors_End

__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors

                AREA    |.text|, CODE, READONLY
                EXPORT  FirmwareInit                [WEAK]
                EXPORT  LED_ON                      [WEAK]
                EXPORT  LED_OFF                     [WEAK]
                EXPORT        uart_put_char               [WEAK]
                EXPORT  delay_ms                    [WEAK]
                EXPORT  GetCount                    [WEAK]
                                       
FirmwareInit         
LED_ON
LED_OFF
uart_put_char
delay_ms
GetCount
                B   .
                END
因为分配了Flash和Ram地址，且上述汇编文件中定义了新的段：FIRMWARE段，Driver工程的分散加载文件也需要修改，以下是修改后的分散加载文件。对分散加载不够了解的读者，可以看我的另一篇文章：STM32链接脚本详解。


LR_IROM1 0x08030000 0x00010000  {    ; 加载时域
  ER_IROM1 0x08030000 0x00010000  {  ; 第一段运行时域
   *.o (FIRMWARE, +First)            ; FIRMWARE段最先编译
   ;*(InRoot$$Sections)              ; 因为FirmWare没有__main,所以不需要这个段
   .ANY (+RO)
  }
  RW_IRAM1 0x20008000 0x00004000  {  ; 第二段运行时域
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}
由于没有__main函数帮忙重定位RW数据段和ZI数据段，所以Driver层还需要手动将Flash中的RW段复制到Ram对应的运行地址，并将Ram中对应的ZI段清零，代码如下。


static void RW_And_ZI_Init (void)
{
    extern unsigned char Image$$ER_IROM1$$Limit;       // 获取RW段在FLASH中的加载地址
    extern unsigned char Image$$RW_IRAM1$$Base;        // 获取RW段在RAM中的运行地址   
    extern unsigned char Image$$RW_IRAM1$$RW$$Limit;   // 获取RW段在RAM中的结束地址
    extern unsigned char Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit;   // 获取ZI段在RAM中的结束地址
    unsigned char * psrc, *pdst, *plimt;
               
    psrc  = (unsigned char *)&Image$$ER_IROM1$$Limit;
    pdst  = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$Base;
    plimt = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$RW$$Limit;
    while(pdst < plimt)     // 将FLASH中的RW段拷贝到RAM的RW段运行地址上
    {
        *pdst++ = *psrc++;
    }

    psrc  = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$RW$$Limit;
    plimt = (unsigned char *)&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit;
    while(psrc < plimt)     // 将RAM中的ZI段清零
    {
        *psrc++ = 0;
    }
}
然后将RW_And_ZI_Init函数再做一层封装。以下程序同时初始化了一些外设，并提供了一个测试函数供App获取Firmware中的全局变量。


/* 初始化Firmware */
void FirmwareInit(void)
{
    SystemInit();       // 初始化系统时钟、中断向量
    RW_And_ZI_Init();   // 初始化Firmware的RW段、ZI段
    delay_init();       // systick初始化
    uart_init(115200);  // 串口1初始化
    LED_Init();         // LED初始化
}

/* 返回Firmware中的一个全局变量并加1 */
unsigned int GetCount(void)
{
    return cnt++;
}
3.3 App工程代码
#define FIRMWARE_ADDR        0x08030000       /* Firmware的起始地址 */

typedef struct FUN                       /* 声明Firmware提供的函数类型 */
{                                        /* 注意函数的顺序要和Firmware保持一致 */
    void (*FirmwareInit)(void);
    void (*LED_ON)(void);
    void (*LED_OFF)(void);
    int (*uart_put_char)(int ch);
    void (*delay_ms)(u16 nms);
    u32 (*GetCount)(void);
}FUNC_S;

/* 定义一个全局结构体指针，强制指向Firmware的起始地址 */
FUNC_S *gFunc = (FUNC_S*)(FIRMWARE_ADDR);

int main(void)
{       
    gFunc->FirmwareInit();    /* 初始化Firmware */
    while(1)
    {
        printf("Cnt = %drn",gFunc->GetCount());
        gFunc->LED_ON();
        gFunc->delay_ms(500);       
        gFunc->LED_OFF();
        gFunc->delay_ms(500);
    }
}
为了方便说明，上述程序裁剪掉了printf的实现，并将结构体的声明直接放在了c文件里。整个工程仅需一个main.c和ST提供的启动文件即可，连标准库或HAL库都不用添加，因为底层的初始化已经在Firmware中完成了。App的分散加载文件也需要根据Flash和Ram的划分做简单的修改，这里就不再赘述了。



四、总结

上述例子只是一个demo，实际要考虑的问题更多，例如哪些代码存放在Firmware中，哪些代码应该存放App中。上述例子直接将标准库也放到了Firmware中，实际上会有一些问题，因为没有考虑到中断向量的偏移，但可以事先在Firmware中写好对应的中断处理函数，然后在App的中断服务函数中被调用。关于中断的设想暂时没有去实际验证，但这样有一个好处：如果有Boot工程，那么Boot也可以调用Firmware的API，例如避免了Boot和App都存一份标准库，大大节省空间。
这种开发方式将单片机开发拉向了Linux，分成了驱动开发和应用开发。在软件上做好分层的规划、使用低耦合的程序框架，才能写出优秀的代码。