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

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。

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。

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。

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

选择 STM32F407 ZGT6

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）

点击SYS，选择Debug功能为JTAG(5 pins)，跟板子调试口对应

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

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。

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.

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

2.4 时钟树配置

点击上方的Clock Configuration，开始配置时钟

下面我们来看一下时钟树的结构，如下图所示

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

2.5 工程导出设置

如下图所示，设置工程

代码生成设置

高级设置Advanced Settings

点击右上角，生成代码GENERATE CODE

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

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。

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

下面是在main.c中的代码实现：

引用c标准头文件

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

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

bootloader_uart_read_data()函数中先接收在发送。

printmsg()打印数据函数实现。

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   &huart1uint8_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 packetHAL_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_ENchar 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。

打开设备管理器，查看串口的端口号COM

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。

如果大家有什么疑问，请随时私信联系我。