单片机FLASH下载算法的制作

环境

硬件使用正点原子STM32F407探索者V2开发板
编程环境使用MDK
下载工具使用JLINK
FLASH芯片使用W25Q128

什么是下载算法

单片机FLASH的下载算法是一个FLM文件，FLM通过编译链接得到，其内部包含一系列对FLASH的操作，包括初始化、擦除、写、读、校验等等操作。

单片机固件下载流程

想要制作下载算法，先要了解下载算法的工作原理。我们下载一个程序的流程大概是这样的：下载工具(比如jlink)先读取FLM文件，然后JLINK提取FLM文件的信息，将其传输到单片机的内部SRAM，下载算法在开始SRAM中运行，由于下载算法包含了一系列对FLASH的操作，那么下载工具通过下发初始化、擦除、写入、校验等指令给单片机，单片机去执行这些指令操作，实现对单片机FLASH的下载。

下载算法FLM文件的制作步骤

首先需要准备一份FLASH的驱动代码，能实现初始化、擦除，读，写等功能。

1. 从MDK安装目录下拷贝一份下载算法工程，路径：MDK\ARM\PACK\ARM\CMSIS\5.4.0\Device_Template_Flash，使用的MDK版本不一样路径可能不一样。此时我们得到了一份空的下载算法工程。
2. 取消工程的只读属性。
3. 给工程添加分组，将Flash驱动代码和用到的库函数添加到对应的分组，和普通工程一样，根据模块添加即可。
4. 添加头文件路径，把头文件的路径都包含进来。
5. 给C/C++选项卡添加宏STM32F40_41xxx,USE_STDPERIPH_DRIVER。
6. Device选项卡选择单片机型号。Target选项卡勾选微库。
7. 在FlashDev.c文件中根据实际Flash属性修改FlashDevice结构体变量。
8. 将target选项卡中的输出文件名字改成FlashDevice结构体Device Name成员中的设备名字，这一步不是必须的，只是为了输出的FLM文件名称和设备名称一致。
9. 在FlashPrg.c文件中根据模板添加Flash操作的相关代码。
10. 编译得到一个FLM文件。

其实上边看似繁琐，实则只有修改FlashDevice结构体变量和修改FlashPrg.c文件是我们新接触的，其它步骤在平时单片机编程中已经再熟悉不过了。接下来我们重点分析这两点。

修改FlashDevice结构体变量的值

struct FlashDevice const FlashDevice  =  {
   FLASH_DRV_VERS,             // Driver Version, do not modify!
   "W25Q128_16M_FLM",   // Device Name 
   EXTSPI,                     // Device Type
   FLASH_BASE_ADDR,            // Device Start Address
   0x01000000,                 // Device Size in Bytes (256kB)  2M
   4096,                       // Programming Page Size 
   0,                          // Reserved, must be 0
   0xFF,                       // Initial Content of Erased Memory
   3000,                       // Program Page Timeout 3000 mSec
   3000,                       // Erase Sector Timeout 3000 mSec

// Specify Size and Address of Sectors
   0x001000, 0x000000,         // Sector Size  8kB (8 Sectors)
   SECTOR_END
};
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其实每一个成员的作用注释已经解释的很清楚了，注意这里把页编程大小改成了4096个字节，不是W25Q128指定的256个字节，这不是必须要改的，修改成4096只是为了提高下载效率。我实测把4096改成8，下载速度非常明显的变慢。
第四个实参使用了一个宏FLASH_BASE_ADDR来初始化的，我这里对FLASH_BASE_ADDR定义的是0x00000000，就以SPI FLASH为例，FLASH的存储空间是从0开始的，为什么我没有固定写0而是写了一个宏定义呢？这在我们验证下载算法的时候介绍。
器件大小、扇区大小、扇区擦除超时时间、页编程超时时间些都根据实际FLASH芯片参数填写即可。

添加FLASH接口代码到FlashPrg.c文件

在FlashPrg.c文件中有Init、UnInit、EraseChip、EraseSector、ProgramPage、Verify这些函数，每个函数的功能一目了然。函数实现如下：

int Init (unsigned long adr, unsigned long clk, unsigned long fnc) {
	SystemInit();//系统初始化
	W25QXX_Init();//初始化W25QXX芯片
  return (0);                                  // Finished without Errors
}
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int UnInit (unsigned long fnc) {
  return (0);                                  // Finished without Errors
}
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int EraseChip (void) {
	for(int i=0;i<4096;i++)//我用的是W25Q128
	{
		W25QXX_Erase_Sector(i);//注意这里参数是扇区的编号
	}
  return (0);                                  // Finished without Errors
}
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int EraseSector (unsigned long adr) {

	uint32_t sector = 0;//扇区编号
	adr -= FLASH_BASE_ADDR; 
	sector = adr /4096;//扇区的大小是4096 计算出了扇区的编号
	W25QXX_Erase_Sector(sector);
  return (0);                                  // Finished without Errors
}
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int ProgramPage (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf) {
	adr -= FLASH_BASE_ADDR; 
	W25QXX_Write_NoCheck(buf,adr,sz);
  return (0);                                  // Finished without Errors
}
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uint8_t read_buf[4096];
unsigned long Verify (unsigned long adr, unsigned long sz, unsigned char *buf) {
	unsigned long remain = sz;	//剩余的字节数
	unsigned long current_add = 0;//当前的地址
	unsigned int index = 0;//用于buf的索引
	current_add = adr - FLASH_BASE_ADDR;
	
	while(remain >= 4096)
	{
		W25QXX_Read(read_buf,current_add,4096);
		for(int i=0;i<4096;i++)
		{
			if(read_buf[i] != buf[index+i])
				return adr+index+i;
		}
		current_add += 4096;
		remain -= 4096;
		index += 4096;
	}
	W25QXX_Read(read_buf,current_add,remain);
	for(int i=0;i<remain;i++)
	{
		if(read_buf[i] != buf[index+i])
			return adr+index+i;
	}
	return (adr+sz);                      // 校验成功
}
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编译我们就能得到一个.FLM文件。

验证测试下载算法

这里我们只验证下载算法的功能，测试是否能正常下载，至于下载进去以后如何运行代码，这里不讨论，留在下一章介绍，因为涉及到链接脚本、拷贝、跳转、等等操作。
把该文件放在\MDK\ARM\Flash路径下，随便打开一个工程，添加下载算法
编译下载，发现报错，如下图：

报错原因是下载算法没有找到08000000H这个地址，我这里使用的是默认的链接脚本：

LR_IROM1 0x08000000 0x00100000  {    ; load region size_region
  ER_IROM1 0x08000000 0x00100000  {  ; load address = execution address
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
  }
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}
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下载算法文件里定义的FLASH起始地址是0x00000000，大小是0x01000000，那么下载算法的空间就是0x00000000~0x00FFFFFF。这里加载地址是0x08000000，就是要往0x08000000开始的地址写入数据。这样一来，很显然下载算法判断出了非法地址就报错了。
既然这个加载地址报错，那就把加载地址改成0x00000000,如下：

LR_IROM1 0x00000000 0x00100000  {    ; load region size_region
  ER_IROM1 0x0800000 0x00100000  {  ; load address = execution address
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
  }
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}
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这总合法了吧，但遗憾的是编译报错，报错的原因是程序里调用了__main函数，__main函数中不能被链接到非启动区域，也就是加载地址和链接地址不一样。这里不讨论报错的原因和应对措施。其实有很多种解决方法。我暂时将链接地址也改成0x00000000如下图：

LR_IROM1 0x00000000 0x00100000  {    ; load region size_region
  ER_IROM1 0x0000000 0x00100000  {  ; load address = execution address
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
  }
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {  ; RW data
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}
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编译下载，下载成功。

下载成功了，我用一个SPI FLASH demo程序把FLASH0地址开始的数据读出来，打印出来：

在把我们烧写进去的固件对应的bin文件打开，对比一下。

可以看到是完全一样的。
证明制作的下载算法是没问题的。FLASH中存储的代码如何执行下一篇文章介绍。