STM32H750使用片外Flash执行程序的方法

一、前言

被这个bootloader折磨好久了，从寒假到现在差不多得有4个月。一开始接触到bootloader是rt-thread的ART-Pi，例程用的就是bootloader+application的方式开发。我自己这个板子是weact studio的stm32h750vbt6，板载一颗w25q64jv型号的flash，由于h750的片上flash只有128kB，所以我也有了使用bootloader和application的想法。中间歧路没少走，如今成功了，也写一篇文章给大家避避坑。

二、 程序编写

bootloader和application是两个独立的工程，不同点在于app位于外部flash而bootloader在内部flash。bootloader主要负责对QSPI器件的初始化、升级用户app等等。application主要实现工程的最终目的。

bootloader

初始化QSPI

这一步的主要工作是初始化QSPI并使其进入内存映射模式。内存映射后，外部flash的地址为QSPI_BASE == 0x90000000，MCU就可通过总线访问外部flash。值得注意的是，QSPI还有一个QSPI_R_BASE，这是寄存器地址，而QSPI_BASE是外部flash地址。

初始化的工作主要包括：

退出四字节模式：通过向w25qxx发送0xFF命令退出。这个指令在w25q64jv的手册上找不到，包括下面进入四字节模式的0x38也找不到，但是却能用，很奇怪。

/**

• [url=home.php?mod=space&uid=2666770]@Brief[/url] exit quad mode, set member QSPI_mode to SPI(false)
• [url=home.php?mod=space&uid=3142012]@param[/url] none

*/

void Flash_T::m_exit_quad_mode(void)

{

QSPI_CommandTypeDef cmd = {0};

  cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_4_LINES;

  cmd.Instruction = 0xFF;

  HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 100);

  m_QSPI_mode = SPI;

}

复位：先发送0x66使能复位，等待busy，再发送0x99复位，等待busy。

/**

• @brief reset the w25q64 controller
• @param none

*/

void Flash_T::m_reset(void)

{

QSPI_CommandTypeDef cmd = {0};

  cmd.Instruction = 0x66;

  cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;

  if(m_QSPI_mode)

      cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_4_LINES;

  else

      cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;

  if(HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 100) != HAL_OK)

      while(1);

  m_wait(); //wait for busy

  cmd.Instruction = 0x99;

  if(HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 100) != HAL_OK)

      while(1);

}

进入四字节模式：写状态寄存器2的QE位；发送0x38进入四字节模式；发送0xC0(Set Read Parameter，不知道有啥用，参考别人的代码时看到了，就写了下来)。

注意：进入或退出QSPI模式后要设置一个标志位，之后发送命令或传输数据、地址等用几条线都要根据标志位设置。

/**

• @brief enter quad spi mode and set member QSPI_mode to QSPI(true)
• @param none

*/

void Flash_T::m_set_quad_mode(void)

{

uint8_t tmp = 0;

  m_read_register(&tmp, 2);

  if((tmp & 0x2) == 0)

  {

      tmp |= 0x02;

      m_write_register(tmp, 2);

  }

  if(((tmp >> 1) & 0x1) != 1)

      while(1);

  //enter quad mode

  QSPI_CommandTypeDef cmd = {0};

  cmd.Instruction = 0x38;

  cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;

  cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;

  if(HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 100) != HAL_OK)

      while(1);

  m_QSPI_mode = QSPI;

  //set ReadParam

  cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_4_LINES;

  cmd.Instruction = 0xC0;

  cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;

  cmd.NbData = 1;

  tmp = 0x03 << 4;

  m_write_enable();

  if(HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 100) == HAL_OK)

  {

      HAL_QSPI_Transmit(&hqspi, &tmp, 100);

  }

}

读取ID（可选）：发送0x90（二字节id）或0x9F（三字节id）读取。

/**

• @brief read w25q64 id
• @param none
• @retval id if read success and HAL_ERROR if sending message error
• [url=home.php?mod=space&uid=1902110]@NOTE[/url] you can add something to detect whether what you have read is the correct id

*/

uint16_t Flash_T::m_readJEDECID(void)

{

QSPI_CommandTypeDef cmd = {0};

  uint8_t tmp[2] = {0};

  uint16_t ret = 0;

  cmd.Instruction = 0x90;

  if(m_QSPI_mode == QSPI) //choose line mode according to QSPI_mode

      {cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_4_LINES;cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;}

  else

      {cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;cmd.DataMode = QSPI_DATA_1_LINE;}

  cmd.Address = 0;

  cmd.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES;

  cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;

  cmd.NbData = 2;

  if(HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 100) != HAL_OK)

      return HAL_ERROR;

  if(HAL_QSPI_Receive(&hqspi, tmp, 100) != HAL_OK)

      return HAL_ERROR;

  ret |= tmp[0] << 8;

  ret |= tmp[1] << 0;

  return ret;

}

进入内存映射模式

/**

• @brief enter memory map mode
• @param none
• @note you can choose 0xEB or 0x0B for read command

*/

void Flash_T::memory_map(void)

{

QSPI_CommandTypeDef cmd = {0};

  QSPI_MemoryMappedTypeDef cfg = {0};

  cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_4_LINES;

  cmd.Instruction = 0xEB; //quad fast read

  cmd.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES;

  cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;

  cmd.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE;

  cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;

  cmd.DummyCycles = 8;

  cfg.TimeOutActivation = QSPI_TIMEOUT_COUNTER_DISABLE;

    cfg.TimeOutPeriod = 0;

  if (HAL_QSPI_MemoryMapped(&hqspi, &cmd, &cfg) != HAL_OK)

  {

      LED_Blink(10); //if memory map error, blink to indicate

  }

}

跳转前准备

除能Systick

SysTick->CTRL = 0; //disable systick

SysTick->LOAD = 0; //clear loaded value

SysTick->VAL = 0; //clear current systick value

清除pending的中断，进入特权模式，全局中断除能，DeInit IO口。

for(uint8_t i = 0; i < 8; i++) //clear all NVIC Enable and Pending registers

{

NVIC->ICER[i]=0xFFFFFFFF;

  NVIC->ICPR[i]=0xFFFFFFFF;

}

__set_CONTROL(0); //priviage mode

__disable_irq(); //disable interrupt

__set_PRIMASK(1);

HAL_GPIO_DeInit(GPIOE, GPIO_PIN_3); /deinit io

跳转操作

全局定义

typedef void (*pFunction)(void);

pFunction JumpToApplication; //void (*JumpToApplication)(void);

这里的typedef大家可能看不懂，typedef 其实和 define差不多，但是typedef比define更灵活一些。我来举个例子。

一般我们定义函数指针可以这么定义void (*myfunc)(void) = xxx;， 这样我们就直接定义了一个无返回值无参数的函数指针叫做’myfunc’，它可以指向任何无返回值无参数的函数。但是这里的typedef是给了void (*xxx)(void)一个别名，typedef后，pFunction也就是“无返回值无参数函数指针类型”的别名，于是第二句就是声明了一个名为JumpToApplication的指向无返回值无参数类型函数的函数指针。

语句myfunc();就可以直接调用这个指针指向的函数，但实际上，执行这一句其实是跳转到这个指针的地址执行指令（函数名就是地址）。所以如果我们在bootloader里给这个指针赋一个application里一个函数的地址，就可以实现从bootloader到application的跳转。

函数内跳转

JumpToApplication = (pFunction) ( (__IO uint32_t )(APPLICATION_ADDRESS + 4));

__set_MSP( (__IO uint32_t ) APPLICATION_ADDRESS);

JumpToApplication(); //jump

这里刚接触bootloader的可能看不懂。这里的APPLICATION_ADDRESS就是0x90000000，也就是app的起始地址。在后面的链接文件中，我们把app的中断向量表放在最前面，也就是起始地址0x90000000。熟悉cortex中断向量表的可能知道，表中第一个地址存放的是sp指针，就是堆栈指针；第二个（也就是0x90000004）才是Reset_Handler，是单片机上电后开始运行的第一个函数，它调用SystenInit函数配置时钟，调用C库的__main(armcc compiler)或__mainCRTStartup(gcc compiler)来初始化sp指针和bss段或者直接在函数内设置sp指针的值，初始化bss段。

总之，执行完最后一句后，程序就跳转到App执行。

application

建立一个application工程，需要注意这三点：

重定位中断向量表

开启在bootloader中除能的中断

修改链接脚本文件，使程序烧录到外部flash(QSPI_BASE)上。

重定位中断向量表只需在main函数开头加上一句SCB->VTOR = QSPI_BASE;。你也可以加在其他任何地方，只要你能保证执行这条语句之前没有任何中断发生。

根据在bootloader中的除能配置，重新使能__enable_irq(); __set_PRIMASK(0);

linker scripts的语法和使用

在这个工程中，我们主要了解MEMORY指令、LMA和VMA。其他的建议去官方资料详细查看。Linker scripts (haw-hamburg.de)

MEMORY可以定义一个或多个内存区域，可以指定起始地址、长度和属性（可读可写可执行），这些内存区域的名字不能重复。例如：

MEMORY

{

FLASH (rx) : ORIGIN = 0x8000000, LENGTH = 128K

RAM_D1 (xrw) : ORIGIN = 0x24000000, LENGTH = 512K

}

这里我们定义了一个名为FLASH的内存区域，它的属性是可读(r)、可执行(x)，起始地址是0x8000000，长度是128KB。还有一个名为RAM_D1的内存区域，它的属性是可读(r)、可执行(x)、可写(w)，起始地址0x24000000，长度为512KB。

定义了一个内存区域后，我们可以在输出段后添加>FLASH来指定该段要加载到哪个地址。例如：

SECTIONS

{

.isr_vector :

 {

     . = ALIGN(4);

     KEEP(*(.isr_vector)) /* Startup code */

     . = ALIGN(4);

 } >FLASH

 /* Initialized data sections goes into RAM, load LMA copy after code */

 .data : 

 {

     . = ALIGN(4);

     _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */

     *(.data)           /* .data sections */

     *(.data*)          /* .data* sections */

     . = ALIGN(4);

     _edata = .;        /* define a global symbol at data end */

 } >RAM_D1 AT> FLASH

}

这里把.isr_vector段（中断向量表）加载到了FLASH这块区域。而.data段后面有两个指令，一个是>RAM_D1， 另一个是AT> FLASH。这里就引申出了LMA和VMA的不同了。

virtual address (VMA)：VMA是指程序运行时所用的地址，也是大多数情况下我们使用的地址。我们平时用STM32时，程序都以0x08000000为起始地址，这个0x08000000既是VMA也是LMA，因为在官方的system_stm32h7xx.c文件中，定义了向量表的起始地址是0x08000000；在链接文件中，FLASH的起始地址也是0x08000000。一个是在程序中使用的，是程序运行过程中使用的；另一个是在程序外部，程序并不关心。

这里的FLASH_BANK1_BASE也就是0x08000000。

load address (LMA)：LMA就是我们要烧录程序的地址。对于bootloader，应该下载到0x08000000这个地址，而Application要下载到bootloader之后，在我们这个工程里是0x90000000(QSPI_BASE)。

bootloader烧录地址：

可以看到由于程序需要烧录在0x08000000，所以openocd擦除了0x08000000到0x08005de0的位置。（0x5de0是这个程序的大小）。

application烧录地址：

通常.text（代码）和.rodata段都放在FLASH（也就是ROM）里。

关于ROM和RAM，你可能会有些疑惑：如今的FLASH都是可读写的，为何在单片机里还是ROM呢？这是因为我们指定了这块FLASH的属性(attribute)为rx，r为read，x为execute，即可读可执行（仅nor flash支持可执行，nand flash不支持）。而RAM的属性一般是rxw。

修改代码的链接地址

打开链接脚本文件STM32H750VBTx_FLASH.ld，如果你是keil开发，请移步其他教程（大概是在Target选项卡里修改存储的配置）。把原来FLASH的起始地址008000000改为0x90000000，LENGTH改为8192k。

点灯

三、程序烧录

Openocd配置文件

打开Openocd安装路径下的scripts arget文件夹，找到stm32h7x.cfg，复制为stm32h7x_extern.cfg，打开并添加set QUADSPI 1。

编辑makefile

在makefile最后添加如下语句：

connect:

openocd -f I:/MCU/Openocd/INSTALL/scripts/interface/cmsis-dap.cfg -f I:/MCU/Openocd/INSTALL/scripts/target/stm32h7x_extern.cfg

download:

openocd 
  -f I:/MCU/Openocd/INSTALL/scripts/interface/cmsis-dap.cfg 
  -f I:/MCU/Openocd/INSTALL/scripts/target/stm32h7x_extern.cfg 
  -c init 
  -c halt 
  -c "flash write_image erase $(BUILD_DIR)/$(TARGET).hex 0x00000000" 
  -c reset 
  -c shutdown

gdb:

arm-none-eabi-gdb $(BUILD_DIR)/$(TARGET).elf

注意connect 和download 下的路径要改为自己的路径。

两个工程都配置完成后，make编译，再make download烧录。connect和gdb用于gdb调试。烧录完两个程序后，可以看到板子执行了APP的闪灯程序。

Openocd具体使用请参照上一篇文章或者Openocd官网。

四、跳转失败问题总结

时钟配置

在一些不使用外部Flash的bootloader程序里，可能会使用HAL_RCC_DeInit();来复位RCC，但是在我们这个工程里不能使用。由于QSPI在整个程序中不能被影响，改变时钟会影响QSPI对Flash的控制，会导致总线无法正常访问外部flash的区域。

QSPI时钟源选择。应该选择HCLK为时钟源，因为跳转到App后复位，时钟源会重置为默认的HCLK。

内存区域配置

有一些程序会有SCB_DisableDCache();或者SCB_DisableICache();这两条。如果你的工程使用的是DTCMRAM，并且开启了DCache和ICache，那么就要加上这两条；否则加上会让程序hard fault。

如果你在bootloader中有对内存的读取或者是其他对w25qxx controller做通信的地方，请把这些语句放到memory-map之前。

如果你在创建CubeMX工程时选择了MPU使能，在跳转准备之前加上HAL_MPU_Disable();。

在你烧录完bootloader后，确保Openocd能读出w25qxx芯片的信息（具体参考这位大佬的视频[Linux开发STM32h750]使用OpenOCD下载程序到外部flash_哔哩哔哩_bilibili），并且在JumpToApplication();之前，JumpToApplication是app中Reset_Handler的地址，APPLICATION_ADDRESS指向的是app中堆栈指针的值。

图中0x9000339d是app中Reset_Handler的地址；0x2407ffff是我设置的堆栈指针(_estack)的值。

Reset_Handler

_estack:

五、结语

这个想法搞到现在四个月，由于中间忙着期末忙着比赛，所以才搞了这么久。实现了自己的想法还是挺开心的。如果文中有问题，希望大家批评指正。

原作者：Budali11