如何将Flash刷写程序放到SRAM中运行？

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将Flash刷写程序（Flash Driver）完全存储和运行在SRAM中，并在升级时通过CAN FBL加载它，这是一个在嵌入式系统开发中（尤其是汽车电子、安全升级等场景）很常见的高级需求。核心目标是避免在擦写Flash时，执行来自正在被修改的Flash中的代码。

以下是实现的关键步骤、方法和注意事项：

核心思路

1. 分离Flash Driver： 将Flash擦写编程相关的代码（Flash Driver）单独编译链接，生成一个纯二进制映像 (*.bin 或 *.s19)。


2. SRAM区域划分： 在目标MCU的SRAM中预留一块足够大且地址固定的区域，用于存放和运行这个Flash Driver。通常需要将其地址标记为non-cached且具有执行权限(这在绝大多数现代微控制器默认SRAM就是可执行)。


3. CAN FBL加载： 在CAN FBL应用程序中，实现接收Flash Driver二进制映像的功能，并通过CAN总线接收数据包。


4. 数据传输与校验： FBL将接收到的Flash Driver数据传输到预留的SRAM区域。数据传输完成后（或分块传输+校验），进行完整性校验（如CRC32）。


5. 跳转执行： 将PC指针（程序计数器）强制跳转到SRAM中存储的Flash Driver入口地址，开始执行SRAM中的Flash Driver代码。该Flash Driver负责完成实际的擦除、编程操作。


6. 通信代理 (可选但推荐)： SRAM中的Flash Driver通常需要与PC上的刷写工具或原始FBL通信（报告状态、处理后续刷写请求）。此时需要：
   
   
   
   • FBL在跳转前将必要的通信接口（如CAN发送接收函数指针、配置参数）传递给SRAM中的Flash Driver（通常通过寄存器或约定好的SRAM位置传递参数）。
   
   
   • Flash Driver本身必须包含与FBL约定的精简通信协议处理代码。
   
   

详细实现步骤

1. 创建独立的Flash Driver项目/模块

• 代码隔离： 将与Flash操作相关的函数（Flash_EraseSector, Flash_ProgramWord, Flash_Init, Flash_Unlock等）以及与底层硬件寄存器交互的代码放到一个单独的源文件/模块中。


• 独立链接： 编译链接时，必须为该模块指定特定的链接地址，使其基地址对应你预留的SRAM区域。
  
  
  
  • 修改链接脚本(.ld, .sct等): 定义一个新的内存区域指向预留的SRAM块 (例如 MEMORY { RAM_FLASH_DRIVER (rwx) : ORIGIN = 0x20010000, LENGTH = 0x2000 }) 并将Flash Driver的所有代码(.text, .data, .bss)和只读数据(.rodata)强制放置在该区域。
  
  
  • 关键点: 确保链接器将vector table (如果需要初始化SP、PC的话，但SRAM中简单的驱动通常可以不用完整向量表)和所有代码、数据都定位到SRAM地址。编译器生成的地址必须是绝对地址。
  
  


• 位置无关代码 (可选): 如果你的链接脚本能完美处理所有重定位，可以构建为位置无关代码(PIC)，但这会增加复杂度和开销。对于确定的固定SRAM地址，构建位置相关代码更简单直接。


• 剥离依赖： Flash Driver必须完全独立，不能依赖于主FBL中的任何全局变量或函数（除非通过参数传递）。它只能访问自己的代码/数据、传进来的参数、硬件寄存器。


• 体积优化： 尽量精简Flash Driver。移除所有打印、复杂逻辑、大的缓冲区。只保留最核心的硬件操作和基本通信协议处理。

2. 处理全局/静态变量和常量

• 问题： C代码中的全局变量、静态变量和常量字符串编译时会被分配到.data, .bss, .rodata段，这些段也必须被加载到SRAM中它们的链接地址处。


• 解决方案：
  
  
  
  • 在链接脚本中，将所有必要段都放置到RAM_FLASH_DRIVER区域。
  
  
  • 加载程序时必须将这些段的初始化值也包含在二进制映像中一并加载到正确的地址。链接器生成的二进制文件(.bin)通常包含了.text和.data初始化值的拷贝。
  
  

3. 编译生成Flash Driver二进制映像

• 编译链接独立的Flash Driver项目，生成可执行文件(.elf, .axf)。


• 使用工具链提供的工具（objcopy, fromelf等）从可执行文件中提取出纯二进制载荷：
  
  
  
  • arm-none-eabi-objcopy -O binary flash_driver.elf flash_driver.bin
  
  
  • 这个flash_driver.bin文件包含了.text, .data（初始化值）以及需要加载到.bss段地址的信息（.bss段本身是0填充，不在bin文件中，但链接地址和大小信息在elf/axf中，通常加载器需要自己初始化.bss为零或确保加载前目标SRAM区域已清零）。更简单的做法是Flash Driver入口包含一个清零自己.bss的小函数。
  
  

4. CAN FBL实现加载器

• 接收映像： FBL通过CAN接收flash_driver.bin的内容。实现数据包接收、重组、可能的流控制。


• 存储到SRAM： 直接将接收到的数据字节流拷贝到预留SRAM区域的起始地址 (0x20010000)。拷贝可以使用memcpy。关键： 拷贝的目标地址必须与Flash Driver的链接地址完全一致！


• 缓存一致性 (Cache Incoherency)： 如果MCU有数据缓存(D-Cache)，在拷贝完数据后，必须使拷贝目标地址范围的D-Cache无效(SCB_InvalidateDCache_by_Addr)，以确保CPU执行指令/读取数据时看到的是刚从内存加载的最新数据，而不是缓存中的旧数据。如果MCU有指令缓存(I-Cache)，在跳转前最好也将其无效。


• 校验 (推荐)： 拷贝完成后，计算接收数据的CRC32或其他校验和，并与预期值（可以是加载前FBL已知的，也可以在传输中包含）比较。校验失败需报告错误。


• 初始化.bss段 (如果需要)： 如果.bss段没有被加载器清零，则需要确保这部分内存被清零。可以在Flash Driver的入口点代码中自己实现（更通用），或者FBL在加载后按链接信息（从elf文件解析，较麻烦）去清零对应区域。

5. 跳转执行Flash Driver

• 函数指针： 在FBL代码中，定义一个指向Flash Driver入口地址的函数指针。


• 跳转代码：
  

  // 假设 Flash Driver 入口函数名为 `RAM_FlashDriver_Main` 且链接地址是 0x20010000
  
  typedef void (*pfn_RamFlashDriver)(void *pParams); // 定义函数指针类型, 通常需要参数传递
  
  pfn_RamFlashDriver RunFlashDriver = (pfn_RamFlashDriver)(0x20010000); // 或 &RAM_FlashDriver_Main (如果地址已知)



• 设置栈指针 (可选但重要): 在跳转到Flash Driver之前，最好将栈指针(SP)重新定位到Flash Driver自己内部的栈区。这可以通过在Flash Driver入口点代码中第一条指令设置SP实现，或者在跳转前由FBL设置（需要FBL知道Flash Driver需要的栈顶地址）。
  
  
  
  • 跳转前设置：
    

    __set_MSP((uint32_t)(&__stack_top__)); // __stack_top__ 是 Flash Driver 在SRAM中栈顶的符号

  
  
  • 在Flash Driver入口代码设置更安全（假设入口是汇编或C包装）：
    

    LDR SP, =__flash_driver_stack_top

  
  


• 传递参数： 如果需要，在跳转时通过寄存器或事先约定的SRAM位置，将参数（如CAN发送函数指针、用于指示状态回调的结构体指针）传递给Flash Driver。


• 执行： 调用函数指针。
  

  // 通常需要传递参数结构体
  
  FlashDriverParams params;
  
  params.SendCANFrame = &MyCAN_SendFunction; // FBL 提供的CAN发送函数
  
  params.CommandCallback = &MyCommandHandler; // 处理后续命令的回调（可选）
  
  ... // 设置其他参数
  
  // 确保D-Cache无效，I-Cache无效（如有必要）
  
  SCB_InvalidateDCache(); // 对整个D-Cache失效，针对拷贝区域
  
  SCB_InvalidateICache(); // 对整个I-Cache失效
  
  RunFlashDriver(¶ms); // 跳转到SRAM执行

6. Flash Driver内部实现注意事项

• 硬件初始化： Flash Driver执行时，硬件状态是初始化了还是原始状态？可能需要在Flash Driver内部重新初始化必要的时钟、外设（特别是Flash控制器本身和可能用到的通信接口如CAN）。


• 通信协议： Flash Driver必须实现一个精简的协议，用于接收擦除、编程命令和数据。通常复用CAN接口。


• 中断： 尽量避免使用中断。如果必须使用中断（例如UART接收），需要Flash Driver自己提供中断向量表或接管中断处理函数。高度不推荐，会极大增加复杂性。在SRAM驱动中，简单轮询通常更可取。关键： 确保所有使用的中断在跳转前已被禁用，并在Flash Driver中自己管理中断。


• 返回机制： Flash Driver执行完毕后（成功完成编程或发生错误），如何返回控制权给FBL？可以设计为：
  
  
  
  • 跳转回FBL指定的一个回调函数地址（通常也在SRAM或Flash中）。
  
  
  • 触发复位（最简单）。
  
  
  • 通过约定的状态码停机（需要FBL轮询检测）。
  
  


• 原子操作： Flash编程操作需要特别注意时序和原子性，通常需要在编程期间禁用中断。

参考资料与示例

• 微控制器厂商文档：
  
  
  
  • STMicroelectronics (STM32):
    
    
    
    • 应用笔记 AN3155: USART protocol used in the STM32 bootloader (虽然是USART，但Bootloader概念和跳转机制相关)。
    
    
    • 应用笔记 AN4826: Level 0 I-Cache and D-Cache basics for STM32H7 series (关键！缓存一致性操作)。
    
    
    • STM32CubeF4/...H7 FW包: 查看 Projects/STM32xxx_Val/Applications/BootLoader 下的代码。虽然主要展示从Flash引导升级主程序，但其中Bootloader -> Application 的跳转机制（地址设置、向量表重映射/重加载、栈指针设置、函数指针跳转）是核心基础。你需要做的是从FBL -> SRAM_Code的跳转，并且这个SRAM_Code是动态加载的。跳转部分很相似。
    
    
  
  
  • NXP (S32K, Kinetis):
    
    
    
    • AN12283: Kinetis Bootloader.
    
    
    • S32 Design Studio Bootloader examples.
    
    
    • S32 SDK中通常有bootloader工程。
    
    
  
  
  • Infineon (AURIX): 相关应用笔记和手册。
  
  
  • Texas Instruments (C2000, MSP430): Bootloader相关文档和C2000Ware中的例子。
  
  


• 链接脚本： 学习你的编译器（GCC/ARMCC/IAR）的链接脚本语法手册。理解MEMORY和SECTIONS命令是关键。


• 缓存操作： 查阅你所使用的具体MCU型号的参考手册中关于缓存控制寄存器的章节。例如ARM Cortex-M7的SCB->CACR, SCB->ICIALLU, SCB->DCISW等寄存器的操作。

总结与关键点回顾

1. 隔离与链接： 将Flash Driver单独编译，链接到固定的SRAM地址。


2. 加载： FBL接收其二进制映像并精确拷贝到预定SRAM地址。处理Cache！


3. 跳转： 设置好栈指针(SP)，关闭中断，使Cache无效，然后通过函数指针跳转到SRAM入口。


4. 传递： 清晰定义FBL与SRAM Flash Driver之间的接口（参数传递）。


5. 独立： SRAM Flash Driver必须高度自包含且精简。


6. 通信： SRAM Flash Driver需实现与PC工具/主机通信的精简协议。


7. 复位/返回： 设计好SRAM Flash Driver执行完毕后的控制流（复位或跳回）。

实现这个功能需要深入理解链接、加载、内存映射、处理器架构（特别是缓存）和硬件操作。仔细阅读芯片手册和相关应用笔记至关重要。建议先在一个简单的裸机程序上测试SRAM中的代码跳转和Cache操作，成功后再集成到复杂的CAN FBL中。