STM32 Customer BootLoader 刷新项目 (一) STM32CubeMX UART串口通信工程搭建

STM32 Customer BootLoader 刷新项目 (一) STM32CubeMX UART串口通信工程搭建

文章目录

  • STM32 Customer BootLoader 刷新项目 (一) STM32CubeMX UART串口通信工程搭建
      • 功能与作用
      • 典型工作流程
    • 1. 硬件原理图介绍
    • 2. STM32 CubeMX工程搭建
      • 2.1 创建工程
      • 2.2 系统配置
      • 2.3 USART串口配置
      • 2.4 时钟树配置
      • 2.5 工程导出设置
    • 3. 代码编写
    • 4. 工程下载和调试

首先用STM32CubeMX 软件搭建基础工程，来作为二级BootLoader，一级BootLoader是STM32官方自带的startup_stm32f407zgtx.s。我们基于上述最小工程来实现Customer BootLoader的功能。本项目采用的是通过串口实现固件刷新。

下面简单介绍一下二级BootLoder的功能与作用：

二级Customer BootLoader（CBL，Customer BootLoader）是一种在嵌入式系统中常见的软件组件。它主要负责在系统启动时执行初始引导操作，加载和运行应用程序代码。二级Customer BootLoader与一级BootLoader（通常称为Primary BootLoader, PBL）一起工作，提供了更灵活和复杂的引导机制。

功能与作用

  1. 硬件初始化： 二级Customer BootLoader通常负责对特定硬件的初始化工作。虽然一级BootLoader已经完成了一些基本的硬件初始化，但二级BootLoader会进行更详细的硬件配置，如设置外设（例如UART、SPI、I2C等）、初始化存储设备（如Flash、EEPROM等）以及配置系统时钟等。
  2. 固件验证与更新： 二级Customer BootLoader常常用于验证固件的完整性和合法性。这可以通过校验和（Checksum）、加密签名等方式来实现。若检测到固件损坏或版本过旧，BootLoader可以从预设的位置（如网络、USB设备或备用存储区）下载并更新固件。
  3. 安全启动： 为了增强系统安全性，二级BootLoader可以实现安全启动机制。它会检查固件的数字签名或哈希值，确保只有经过验证和授权的固件才能被加载和执行，从而防止恶意代码的运行。
  4. 引导多种操作系统或应用程序： 二级Customer BootLoader可以配置为引导不同的操作系统或应用程序。例如，在嵌入式系统中，可能需要根据不同的条件引导进入不同的应用程序模块，BootLoader可以根据预设的规则进行选择和加载。
  5. 配置和诊断功能： 二级BootLoader可以提供一些配置和诊断功能。例如，它可以允许用户通过串口或网络接口进入配置模式，调整系统参数，进行硬件诊断和调试。
  6. 引导时间优化： 由于嵌入式系统通常需要快速启动，二级BootLoader可以优化引导过程，减少启动时间。它可以通过压缩固件、优化初始化代码等手段来实现快速引导。

典型工作流程

  1. 系统加电后，一级BootLoader（PBL）启动：
    • 负责基本硬件初始化（如设置堆栈指针、初始化RAM等）。
    • 加载并执行二级BootLoader（CBL）。
  2. 二级BootLoader启动：
    • 执行更详细的硬件初始化。
    • 验证固件的完整性和合法性。
    • 根据系统配置和状态，选择合适的固件或操作系统进行引导。
    • 加载并启动应用程序或操作系统。

目前本项目的Customer BootLoader具备：

  1. 获取软件版本；
  2. 读芯片Chip ID；
  3. 获取Flash Read Protection等级；
  4. 擦除指定Flash Sector；
  5. 更新指定Flash Sector内容；
  6. 使能读/写保护；

下面开始我们本章内容的工程搭建，其中部分图借用洋桃电子杜老师的STM F4系列的课程内容。

1. 硬件原理图介绍

本项目采用正点原子探索者v2开发板，选用其中的左下角的USB串口进行和上位机之间的串口通信。

image-20240608085309250

正点原子STM32F4 探索者V2开发板，如下图所示，通过短接PA9-RXD，短接PA10-TXD，即将USART1与CH340芯片连接在一起，串口USART1与上位机可通过USB进行通信。

image-20240601085106572

如下图电路所示，使用一根MicroUSB结构的USB数据线，一端连接计算机的USB口，一端连接开发版左下角的USB_232口上，就可以在计算机上虚拟出一个串口，通过这个虚拟串口可以进行计算机与开发板之间的串口通信。

image-20240601085723436

image-20240601185940740

2. STM32 CubeMX工程搭建

2.1 创建工程

打开STM32CubdeMX，点击New Project创建新工程

image-20240519214220349

选择 STM32F407 ZGT6

image-20240520070646930

2.2 系统配置

点击左侧System Core，选择RCC，将HSE和LSE都设置为Crystal/Ceramic Resonator（晶体/陶瓷振荡器）

image-20240604074221880

点击SYS，选择Debug功能为JTAG(5 pins)，跟板子调试口对应image-20240604075633710

2.3 USART串口配置

选择左侧的Connecttivity选项，点击USART1，如下图所示，点击Mode开始配置

image-20240604080347571

STM32对USART模块提供了下面的这些模式，根据需求选择相应模式，本项目选择的是异步模式Asynchronous。

image-20240604080404318

下面我们来对USART进行配置，首先开发板上的串口对应的USART1串口，Mode配置为异步模式Asynchronous，STMCubeMX会自动分配引脚，目前分配的USART1_RX对于PA10，USART1_TX对于PA9，和我们开发板的引脚正好对应，如果不对应的话，可以根据芯片的data Sheet改成相应的引脚。

下面的参数配置Parameter Settings按照默认配置来，波特率为 115200 bit/s，这里确保主从机是一致的，才能通信成功，数据位 8，无校验位，停止位1，数据方向：Receive and Transmit，采样：16.

image-20240604080436567

点击下方的GPIO Settings，可以看到为USART1自动分配的默认引脚

image-20240604080454808

2.4 时钟树配置

点击上方的Clock Configuration，开始配置时钟

image-20240611074559483

下面我们来看一下时钟树的结构，如下图所示

image-20240604081134525

现在开始配置开发板相关的时钟频率，首先选择做左边的Input frequency，选择外部8M的晶振，选择HSE，选择PLLCLK，在HCLK处将时钟敲定为168MHz，即STM32F407可支持的最大时钟频率

image-20240604081430121

2.5 工程导出设置

如下图所示，设置工程

image-20240604213948820

代码生成设置

image-20240604214023852

高级设置Advanced Settings

image-20240604214510752

点击右上角，生成代码GENERATE CODE

image-20240611075023223

点击Open Project，本项目是使用STM32CubeIDE作为集成开发环境，做到编译和调试代码的工具

image-20240604214643976

3. 代码编写

我们目前使用的是Hal库进行的工程实现，如下图所示，是串口轮询发送函数HAL_UART_Transmit()，在发送的过程中，会一直在该函数中进行发送，是Polling Mode。

image-20240608084049717

下图是串口接收函数 HAL_UART_Receive()，也是Polling Mode，在接收数据的过程中，CPU无法被抢占，一直需要等到数据被发送完成后才可退出该函数

image-20240608084138029

下面是在main.c中的代码实现：

引用c标准头文件

image-20240611080012875

宏定义，BL_DEBUG_MSG_EN是为调试用的，重定义huart1，设置数据bl_rx_buffer

image-20240611075845775

在main()函数中调用bootloader_uart_read_data()函数进行数据接收和发送

image-20240611075754745

bootloader_uart_read_data()函数中先接收在发送。

image-20240611075915162

printmsg()打印数据函数实现。

image-20240611075926137

下面是main.c的完整代码：

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2024 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdarg.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
#define BL_DEBUG_MSG_EN
#define BL_RX_LEN  200

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
UART_HandleTypeDef huart1;

/* USER CODE BEGIN PV */
#define C_UART   &huart1

uint8_t bl_rx_buffer[BL_RX_LEN];
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
void  bootloader_uart_read_data(void);
static void printmsg(char *format,...);

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	  bootloader_uart_read_data();
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 168;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief USART1 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */

  /* USER CODE END USART1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */

  /* USER CODE END USART1_Init 1 */
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */

  /* USER CODE END USART1_Init 2 */

}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
/* USER CODE BEGIN MX_GPIO_Init_1 */
/* USER CODE END MX_GPIO_Init_1 */

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

/* USER CODE BEGIN MX_GPIO_Init_2 */
/* USER CODE END MX_GPIO_Init_2 */
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

void  bootloader_uart_read_data(void)
{
	uint8_t rcv_len = 0;
	uint8_t rcv_flag = 0;
	memset(bl_rx_buffer, 0, 200);
	//here we will read and decode the commands coming from host
	//first read only one byte from the host , which is the "length" field of the command packet
	HAL_UART_Receive(C_UART, (uint8_t *)bl_rx_buffer, 1, HAL_MAX_DELAY);
	rcv_len= bl_rx_buffer[0];
	if (rcv_len != 0)
	{
		HAL_UART_Transmit(C_UART,(uint8_t *)&rcv_len, 1, HAL_MAX_DELAY);
		rcv_flag = 1;
	}
	if (rcv_flag == 1)
	{
		printmsg("-> Going to BL mode\n\r");
	}

}

/* prints formatted string to console over UART */
 void printmsg(char *format,...)
 {
#ifdef BL_DEBUG_MSG_EN
	char str[80];

	/*Extract the the argument list using VA apis */
	va_list args;
	va_start(args, format);
	vsprintf(str, format,args);
	HAL_UART_Transmit(C_UART,(uint8_t *)str, strlen(str),HAL_MAX_DELAY);
	va_end(args);
#endif
 }


/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

4. 工程下载和调试

将工程编译，之后下载到板子中。

image-20240608084959855

打开设备管理器，查看串口的端口号COM

image-20240608084402078

打开正点原子的串口调试助手，选择刚才设备管理器中串口的COM号，波特率设置为115200，其他默认，打开串口，随便发送一个数据，开发板接收到这个数据，都会原封不动的将该数据打印出来，然后在执行打印Going to BL mode，说明能够接收并发送数据，至此，我们开发Customer BootLoader的第一步，最小工程代码已经搭建完成，后续我们进行上位机与开发板之间的通信协议开发。

image-20240608084720673

如果大家有什么疑问，请随时私信联系我。

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