Как прошить stm32 через uart

Прошивка микроконтроллера через UART

Через переходник USB-UART подключите микроконтроллер в выходам A9 и A10, которые соответствуют выходам USART1_TX и USART1_RX соответственно.

Чтобы легче запомнить, обратите внимание, что R в алфавите идет первее T, также как 9 идёт первее 10.

После подключения микроконтроллер необходимо перевести в режим прошивки. На некоторых платах для этого есть специальная перемычка. Например, для платы с МК STM32F103C8T6 из предыдущей заметки, — это будет дальняя от кнопки перезагрузки перемычка в положении 1:

На некоторых платах имеются специальные кнопки BOOT0. Например плата STM32F401CСU6 имеет такую кнопку рядом с кнопкой перезагрузки.

Если нет ни перемычки ни кнопки, то необходимо замкнуть ногу BOOT0 на 3.3 вольта. Чтобы не испортить микроконтроллер лучше использовать резистор номиналом 50–200 Ом, однако возможно замкнуть контакт и напрямую.

Осталось перезагрузить контроллер, чтобы он перешел в режим прошивки через UART.

stm32flash

Кросс-платформенное консольное приложение stm32flash позволяет использовать встроенный загрузчик STM32 для загрузки новой программы в память микроконтроллера.

Для установки поместите файл программы stm32flash.exe в папку C:/Windows/System32

Для использования приложения необходимо узнать текстовое обозначение порта (например COM4). В Windows это возможно узнать в Диспетчере устройств, посмотрев, какое устройство появляется при подключении USB-UART преобразователя к компьютеру.

Чтобы не приходилось вводить sudo перед командой прошивки, добавьте пользователя в группу dialout:

Чтобы изменения начали действовать, перезагрузите сеанс пользователя или компьютер.

В Linux текстовое обозначение порта возможно узнать, посмотрев, какой новый файл появляется в каталоге /dev при подключении USB-UART преобразователя (зачастую идентификатор порта будет /dev/ttyUSB0).

Приступаем к проверке!

Если микроконтроллер находится в режиме прошивки, команда в терминале:

даст примерно такой вывод:

Значит микроконтроллер успешно подключен и готов к загрузке программы командой:

Чтобы не открывать терминал, можете сделать текстовый файл с расширением .bat, содержащий данную строку, положить этот файл в папку с проектом, и запускать, когда потребуется обновить прошивку.

st-link

Альтернативный способ прошивки через специальное устройство ST-Link-v2 возможен с помощью приложения st-link командой:

STM32F405: прошить 400кб за 10 секунд или быстрый UART-загрузчик заточенный под USB-UART, размером менее 4 килобайт

C утилитой для ПК и платой — программатором,
с использованием SPL,
с полноценной системой команд и проверкой CRC32,
с гарантией доставки и переотправки сбойной или потерянной команды,
с проверками ошибок, отладочными сообщениями и урезанным printf’ом.
Оптимизирован под современные USB-UART преобразователи и потоковую передачу.

Предыстория

Мы почти во всех своих устройствах используем STM32. Например в наших шлюзах.
В очень многих устройствах стоит STM32F405/407 и имеется USB <—> UART мост на базе CP2103, но иногда FTDI.
У всех STM32 согласно AN3155 имеется встроенный загрузчик UART и мы его используем на всех стадиях: от разработки и производства до техподдержки наших пользователей.
Фирма STM также предлагает утилиты ПК для того чтоб воспользоваться этим протоколом.
У CP2103 есть штатные GPIO, которыми можно устройство сбросить в основную программу или в штатный загрузчик.
Ещё хорошо то, что эти GPIO винда не трогает, когда ищет Plug&Play устройства на RS232, и поэтому устройство не сбрасывается при подключении к ПК и не “улетает” в непонятный для пользователя режим.

Казалось бы всё хорошо, но у этого штатного загрузчика есть ощутимая проблема: больно уж долго он прошивает: около двух минут, особенно когда отлаживаешь схемотехнику, а не свой код.
При этом обычно вносишь минимальные правки и дольше ждёшь когда прошьётся, успеваешь отвлечься и тд.
Да и не дело терять за день более четырёх часов на прошивку изделия, притом что порой разработка длится не один месяц.
Эта проблема долгой прошивки заставила искать причину проблемы и начать её решать.

И решение представленное в этой статье — это вторая попытка.
Первая попытка заключалась в том, что я написал свою утилиту для ПК использующую AN3155 — «ARMkaProg».
Она вышла на порядок удобнее и умнее штатной, смогла использовать GPIO у CP2103 и прочие аппаратные удобства.
Но…
Штатная утилита и AN3155 не рекомендовали шить на скорости выше 115200 бод,
Моя же программа могла шить даже 1000к бодах, но это давало прибавку к скорости всего в 2 раза (по сравнению с 115200).
А не в 9, и в итоге вопрос скорости прошивки остался не решённым.

Анализ причин низкой скорости протокола AN3155

Низкая скорость прошивки проистекает из специфики и простоты этого протокола:

Рекомендованная максимальная скорость — 115200, но многие USB мосты поддерживают как минимум мегабод, но на скоростях выше 115200 протокол активируется с десятой — сотой попытки, а каждая попытка это минимум 300 — 500мс.
Стирать надо всю флеш, даже если размер прошивки 10к из доступных 1024к байт — в некоторых кристаллах были баги с частичным стиранием.
Штатный бутлоадер (bootloader) — универсальный и, поэтому, жутко медленный, он не использует внешний кварец и не использует PLL и высокую частоту, а так же замечено, что флеш медленнее стирается на низкой тактовой — это сделано для батарейного применения.
Маленький размер команды. Максимум за 1 раз можно прошить 256 байт, а на некоторых версиях чипов не более 128.
Куча лишних телодвижений: надо активировать загрузчик, получать списки команд, для производства надо узнать уникальный ChipID, не всегда его удаётся прочитать одной командой и не всегда это даже возможно из бутлоадера.
Из соображений безопасности у нас всегда любые прошивки залочены, даже временные или отладочные. Хоть разлочка по факту — стирание, но штатную процедуру стирания делать обязательно надо, т.к. нигде не сказано, что разлочка гарантированно стирает, а не забивает например мусором / нулями и тд. Поэтому выходит, что надо стирать дважды, а это уже почти минута!
Надо прошивку верифицировать, т.е. гонять туда сюда прошивку дважды: первый раз для записи, а второй раз — считывать и сверять.
В контроллере есть очень много ОЗУ: 192к, но загрузчик этим не пользуется, он единый для всех чипов включая те, что имеют очень мало ОЗУ.
На каждую команду приходится три подтверждения (АСК): на код команды, на адрес и на данные. Но USB работает интервалами по 1мс, в итоге на каждую команду тратится по 3мс даже если надо считать или записать 1 байт и мы можем послать не более 333 команд и без того мизерных блоков данных.

Рассмотрим подробнее команду записи из даташита на AN3155:

где красным отмечено: (1) — подтверждение кода команды, (2) — подтверждение адреса, (3) — блока данных

Смотрим на команду записи осциллографом (скорость 1000к бод)

и реально видим эти состояния АСК: (1), (2) и (3), и их заметную задержку из пункта 9,
а так же видим, что время записи огромное и больше времени тратится на прошивку, чем на передачу данных (см пункт 3).

И если глянуть на десяток команд записи

то видно что пауз очень много и они занимают 2/3 времени.

Хмм, а что если не ждать на каждую команду по три штуки ACK и просто слать данные потоком?
Но ничего хорошего из этого не выходит. Загрузчик прост настолько, что он теряет данные если их не ждёт, приёма по DMA или прерыванием в нём нет, да и ROM памяти тоже нет чтоб на каждый интерфейс сделать всё идеально.

Из всех этих причин логичным образом вытекают:

Требования к моему загрузчику

Фиксированная скорость UART в 921600 BOD: без стадии автоопределения скорости, которая часто сбоит.
Частичное стирание выбранных страниц.
Работа на максимальной тактовой частоте: использовать PLL и прошивать флеш быстрее чем приходят новые данные.
Поддерживать команды с большими блоками данных, минимум 2к байта.
Не должно быть никаких стадий типа активации, следует сразу выдавать одной командой всё необходимое: включая ChipID и все опции и версии.
Возможность работы в залоченном чипе, без его разлочки.
Проверка целостности без считывания в хост: например, отправкой и сверкой CRC всей прошивки.
Использование всего ОЗУ: пока идёт стирание уже можно передать как минимум целых 100 кбайт содержимого прошивки.
Не требовать ожидания подтверждения на каждую команду. Входящий поток от Хоста не должен зависеть или ожидать исходящий от загрузчика. Хост может выдавать команды на максимальной скорости. А загрузчик должен только сообщать, что последний удачно прошитый адрес такой — то. И, в случае сбоя, хост мог бы продолжить с этого адреса. Например, подобным образом работает протокол TCP.

Эти пункты устраняют соответствующие причины низкой скорости.

Но на практике нужны ещё мелочи:

Точка начала прошивки и точка входа должны различаться: первые страницы удобны для организации псевдо-EEPROM и поэтому обычно туда код прошивки и её вектора прерываний не кладут. А начинаются они со смещения 0x08010000 или далее, т.е. в тех страницах, которые большие и долго стираются.
Нужен монитор состояний и текстовые сообщения об ошибках: Не люблю когда нет отладочных и статусных сообщений, т.к. адово тяжело отлаживать “чёрный ящик”.
Загрузчик должен быть как можно меньше: устройства у нас разные и с разной периферией, но с общей платой и общей прошивкой, включая все загрузчики, клиентский код и код самодиагностики — всё в одном. А так же моих загрузчиков в одном образе тоже множество, мой вариант AN3155 с шифрованием, GPRS, полноценный FSK-модем, и все их надо суметь уместить в одну-две первых страницы размером 16-32к байта. В итоге, каждый байт на счету.
Загрузчик должен быть надёжным, в AN3155 защита команд от сбоев и мусора слабая — просто XOR всех байт. Было несколько случаев когда она давала сбои.

Описание протокола загрузчика

Решил сделать более подробное описание своего протокола на случай если кто нибудь захочет портировать программу загрузки для ПК под другие ОС нежели Windows.

Общий принцип

Два участника: Хост и Устройство.
Хост прошивает Устройство.
Хост ведущий и инициирует обмен.
Устройство ведомое.
Обмен производится командами.
Команды оформлены в пакеты.
Порядок байт в пакетах: Little endian
Один пакет — одна команда.
Одна команда — одно действие или событие.
Устройство отвечает на команды Хоста с тем же кодом команды что и хост.
Устройство генерирует без запроса только аварийные команды о перезагрузке и таймауте.
Каждый пакет начинается с 32-х битной сигнатуры начала пакета.
Сигнатуры разные для направлений в Хост и из Устройства.
Остальной формат одинаковый для обоих направлений.
Каждый пакет защищён CRC32 в конце пакета.
Размер пакета в байтах должен быть кратен четырём.
Таймаут на общий сброс Устройства в 500мс, Хост обязан гарантировать что пауз более 500мс не будет.
Помимо команд можно выдавать из Устройства отладочные текстовые сообщения в голом ASCII, они не должны начинаться или содержать сигнатуру начала пакета и должны выводиться вне тела пакетов.

Структура пакета:

адрес	размер	содержимое
0	4	Сигнатура начала команды, для передачи в устройство 0x817EA345, для приёма из устройства 0x45A37E81
4	1	код команды, задаёт тип действия или события
5	1	побитово-инверсный код команды (для проверки)
6	2	N — размер дополнительной информации в байтах (обязан быть кратным 4)
8	N	дополнительная информация — зависит от кода команды
8+N	4	встроенный аппаратный в STM32 CRC32 пакета с адреса 4 по N (исключая сигнатуру)

Сигнатура начала команды для разных направлений выбрана разная для того, чтобы по ошибке не воспринять свои же данные, которые попали себе же на приём. Например когда КЗ на ножках RX и TX контроллера или сбое программатора / кабеля.

Обработка ошибок на уровне пакетов и таймаутов

Если код команды не соответствует проверочному инверсному коду, то начало пакета не засчитывается, и поиск новой команды начинается со следующих байт.
Если принят пакет с размером дополнительной информации больше чем внутренний буфер, то пакет игнорируется, и поиск новой команды начинается со следующих после размера байт.
Если принятая в теле пакета CRC32 не равна фактически расчётной, то содержимое пакета игнорируется и поиск новой команды начинается с следующих после CRC32 байт.
Если приходят байты, но сигнатура начала пакета не задетектирована. То эти байты считать отладочными текстовыми сообщениями и накапливать до кода 13 (перевод строки), а после этого кода выводить в отладочную консоль.
Если с момента приёма последнего пакета прошло более 500мс, то загрузчик сбрасывается в изначальное состояние. Пакет, который не успел приняться до конца, игнорируется и так-же сбрасывается. О таймауте Устройство сообщает пакетом с специальным кодом команды «таймаут».
При запуске загрузчика генерируется другой пакет со специальным кодом «перезагрузка».

Порядок работы со стороны устройства

Отвечаем на команду информации, а при сбросе или таймауте оповещаем хост об этом.
Прошивка записывается последовательно с начала свободного диапазона до конца прошивки или свободного места.
В устройстве содержится адрес текущего блока, который должен быть записан.
По умолчанию адрес текущего блока установлен в 0, что означает, что стирание не было выполнено и запись недопустима.
Команда стирания: стираем сколько запрошено округлив по размеру страницы и отчитываясь о каждой стёртой странице.
По окончанию стирания адрес текущего блока устанавливается на начало свободного диапазона — можно начать запись.
Команда записи: если адрес принятого блока равен адресу текущего блока, то записываем его и обновляем текущий адрес.
Команда записи: если адрес принятого блока НЕ равен адресу текущего блока, то игнорируем запись.
В обоих случаях 6 и 7 сообщаем в хост адрес текущего для записи блока.
По окончании записи Хост должен выдать команду «Старт» с CRC32 всей прошивки, и если она верна, то прошивка запускается.
Если в течении 5 секунд команд не поступало, то запустить основную прошивку если она есть.
При таймауте 500мс или аппаратном сбросе адрес текущего для записи блока сбрасывается в 0.

Порядок работы со стороны хоста

Получаем информацию с устройства: размер флеша, ChipID, размер буфера приёма, адрес старта, версия загрузчика и чипа.
Даём команду стирания либо всей прошивки, либо части указав размер стираемой области.
По завершению стирания начинаем непрерывно отправлять команды записи блоками друг за другом, проверяя что текущая записанная позиция в устройстве увеличивается.
Если позиция перестала увеличиваться (приняли два ответа на команду «запись» с одинаковым адресом), то скорректировать адрес на Хосте, сбросить буферы отправки и начать передавать с нового скорректированного адреса.
По завершению записи подать команду «Старт» передав CRC32 всей прошивки, в ответ Устройство сообщит фактическое CRC32.
Если фактическое CRC32 равно расчётному, то загрузка успешно закончена и прошивка запущена.

Описание команд

В описании команд распишу только дополнительные параметры команды, которые идут после кода и размера параметров.
Код команды дан в круглых скобках, далее константа в исходниках и название на русском

Дополнительные параметры команды из Хоста:
отсутствуют.

Ответ устройства:

размер в байтах	Описание
12	Уникальный ChipID
4	Модель и ревизия чипа, взят из DBGMCU->IDCODE
2	Размер доступной для записи загрузчиком флеш-памяти в KiB (*1024 байт)
2	Версия загрузчика 0x0100
4	Размер буфера приёма устройства (для опции -PreWrite)
4	Адрес начала доступной для записи памяти
4	Адрес таблицы векторов прерываний и место с которого берётся контекст запуска (стек + точка входа)

пример из логов:

Дополнительные параметры команды из Хоста:
4 байта — размер стираемой области в байтах

Ответ устройства: выдаётся по окончанию стирания всех страниц,
4 байта: Если успешно, то размер стёртой области равный тому, что передал Хост. Если произошёл сбой, то 0.

Во время стирания устройство:

Стирает страницы начиная с №1 и до необходимой согласно размеру округлённому в большую сторону.
После стирания каждой страницы отвечает командой SFU_CMD_ERASE_PART (“страница стёрта”).
Накапливает поступающие команды в буфере приёма, но на них не отвечает и обрабатывает только после завершения стирания.
Время стирания первых трёх страниц около 300 мс, последующих около 2 секунд.

пример из логов:

Хост не должен выдавать команду с таким кодом — она будет проигнорирована.
Хост во время стирания может заранее передавать данные для записи командами SFU_CMD_WRITE (“запись”) — для ускорения записи.
Но передавать команд можно не более чем размер буфера приёма устройства, иначе он переполнится и первые пакеты заменятся новыми, а последующие будут проигнорированы.

Параметры команды с Устройства:
4 байта: номер стёртой страницы начиная с №1 до №11.

Дополнительные параметры команды из Хоста:
4 байта — адрес, начиная с которого необходимо записывать содержимое.
X*4 байт — содержимое прошивки, где Х — количество 32 битных слова и должно быть: 1… 1023.

Запись игнорируется если адрес указанный Хостом не равен текущему адресу записи в устройстве.
Устройство отвечает всегда вне зависимости от того произведена была запись или проигнорирована.

Ответ устройства:
4 байта: адрес следующего для записи блока увеличивается если запись произошла успешно, не изменяется если команда проигнорирована
4 байта: кол-во необработанных данных в буфере приёма устройства (для отладки и мониторинга).

Пример ответов нескольких успешных команд «Запись» из логов:

Дополнительные параметры команды из Хоста:
4 байта: CRC32 всей записанной прошивки, начало прошивки указано в команде «Информация», конец — последнее подтверждённое устройством записанное слово командой «запись» — адрес следующего для записи блока (не включительно).

Ответ устройства:
4 байта: Адрес начала прошивки.
4 байта: Количество записанных байт (Внимание, не 32-х битных слов!), кратно четырём.
4 байта: CRC32 для сверки Хостом, вычисляется начиная с «Адрес начала прошивки», размером с «Количество записанных байт».

После этой команды Устройство проверяет CRC32 и если оно совпадает с тем что дал Хост, то запускает прошивку, выполнив полную деинициализацию оборудования.

Пример из логов:

Прошло более 500 мс с момента получения последней команды и таймаут истёк, устройство сбросилось в изначальное состояние

Без параметров.
Хост ничего не должен на неё отвечать.
Это аварийное сообщение — команда, которую выдаёт только устройство.

Запись в флеш память завершилась с ошибкой. Такое встречается если питания недостаточно или поддельные китайские чипы типа GD32F4xx.

Аппаратный сброс устройства. Устройство АППАРАТНО сбросилось в изначальное состояние — загрузчик перезапустился.

Утилита загрузки для ПК

Написана для Windows на Delphi 6 (2001 года, тот что имеет 8 битный тип char и не уникоде). Скомпилировал на Delphi XE5 и проверил работоспособность. Такой старый делфи выбран потому что мне так было проще: ещё с начала 2000-ых были большие наработки по работе с CP210x, COM портами и тд.

Работа с устройством на уровне байт выделена в отдельный поток tCOMclient не зависящий от задержек визуального интерфейса. Связь с этим отдельным потоком сделана при помощи очередей на считывание и запись размером в 65536 байт.
Уровень парсинга с оформлением команд и уровень логики работы с командами разделён на два отдельных класса tSFUcmd и tSFUboot.
Обновление прошивки производится на скорости 921600 бод, без чётности, 8 бит, один стоп бит.

Устройства можно указывать:
По имени COM порта, например COM123.
По серийному номеру записанному в CP210x
По системному пути WinNT, например \??\USB#VID_10C4&PID_EA60#GM18_E_0010#

В любом случае, если открытое устройство CP2103, то утилита может попробовать его сбросить через GPIO1 (18 пин) выставив 0-1-0.
Платка-программатор с её схемой, также приложена и описана далее.

Если запущена без параметров командной строки, то восстанавливает при запуске и сохраняет при завершения настройки из текстового файла: FastTest.exe.config
Если параметры командной строки присутствуют, то настройки из этого файла игнорируются и он не изменяется. Вместо этого настройки в визуальные компоненты берутся из командной строки и прошивка запускается если это указано.

Можно использовать следующие параметры командной строки:

Прошивка указывается без перфиксов
-DEV:<device_name> Имя устройства или COM порта указывается в <device_name>
-reset или -RST сбросить устройство если COM порт идёт через CP2103.
-fast Быстрое стирание, стирать только те страницы, в которых будет размещаться прошивка
-exit Закрыть программу по завершению если прошивка прошла успешно или указана опция -no-Errors-Keep
-no-Errors-Keep Закрыть программу по завершению в любом случае
-no-Prewrite Не посылать данные для записи во время стирания
-go или -run или -start Начать прошивку сразу после запуска приложения, иначе настройки применяются, но запуск не производится.

UART Программатор на базе CP2103

Выкладываю наш маленький и простенький программатор который:

Использует для прошивки у CP2103 UART и GPIO, всего пять проводов: GND, TX, RX, BOOT, RST.
Им можно шить все виды STM32 по уарту, и использовать мой загрузчик из этой статьи.
В нём есть защита от горячего подключения, и за всё время использования он ни разу не сгорел (пока, надеюсь. ).
Контакты подписаны шелкографией, что очень удобно (не забудьте заказать шелкографию в слое топ)
Маленький, чуть больше USB разъёма.
В комплекте есть утилита ConfigProg\CP2102_Enum.exe для настройки GPIO в CP2103: выбрать устройство и нажать «USB write».
ВНИМАНИЕ: он не развязан гальванически.

настройки должны быть такие:

Утилита FastTest из предыдущей главы как раз на этом программаторе разрабатывалась и отлаживалась.

Исходные файлы на программатор качать отсюда:
https://github.com/Mirn/ProgCP2103

Реализация прошивки загрузчика

Средства разработки и сторонние библиотеки:

Среда: Eclipse Kepler Service Release 1
Компилятор: GCC v5.4 2016q2, с настройками:
Линковка и компоновка при помощи файла ld скрипта с секциями.
Проект собирается при помощи утилиты Makefile можно собирать без среды командой make all
Код запуска и инициализации взят из CooIDE версии 1.6, потому что он минимальный и известный мне.
Библиотека работы с периферией от STM: standard peripheral library (SPL V1.3.0)

Профиль использования памяти:

Стек я расположил в отдельной CCM памяти 65к.
Основной кольцевой буфер приёма из UART в 100 килобайт расположен в отдельной секции в начале RAM
Все прочие буфера и переменные расположил в .bss в оставшихся 28к RAM памяти.

Библиотека usart_mini.c

Сделана максимально просто: DMA не используется, передача сделана прямой отправкой в периферию без прерываний при помощи функций SPL. Но раз основная цель ускорения протокола — непрерывный поток команд с содержимым для прошивки, то приём данных из UART сделан по прерыванию USART1_IRQHandler.

Так же в UART я реализовал контроль и учёт ошибок и проверку и коррекцию буфера при переполнении данных, если их записано больше, чем его размер.

При реализации приёма UART в прерываниях возникла проблема:
по умолчанию код находится во флеше и во время прошивки флеш памяти, шина флеша блокируется и исполнение останавливается полностью включая прерывания. И на скоростях выше 500к БОД это приводит к потере принимаемых из UART данных, т.к. время приостановки становится больше времени приёма байта. Поэтому функция обработки прерывания была вынесена в ОЗУ вот таким вот образом:

при этом есть важная тонкость, что если функция, лежащая в RAM, вызывает другие функции в флеш, то получим ошибку вида:

Это вызвано ограничением архитектуры ARM инструкций Thumb2 на максимальное адресное расстояние между вызовами. А в этом случае оно больше допустимого. Я исправил это добавив к всем вызванным из RAM функциям атрибут-модификатор long_call.

Библиотека packet_receiver.c

Принимает пакеты по протоколу описанному в этой статье и проверяет их целостность. При этом, на всех стадиях разбора пакета проверяет на наличие ошибок и подсчитывает их количество если они встретятся. Но ошибки не замалчиваются, а выводятся текстовые сообщения и раз в секунду выводится строка с всеми ошибками как UART так и уровня пакетов и случаев таймаута в 500 мс. Этот таймаут в 500 мс контролируется и вырабатывается этой же библиотекой.

Библиотека sfu_commands.с

Обрабатывает логику команд SFU_CMD_XXX как описано выше. Стирает и прошивает флеш, при этом функция прошивки слова в флеш память также вынесена в RAM, чтоб данные по приёму из UART не терялись. В неё же реализован запуск основной прошивку, при этом проверяя что её контекст указывает на реальную флеш память и RAM память. Перед запуском основной прошивки вся периферия и тактовые полноценно деинициализируются и сбрасываются.

Работоспособность прошивки проверена на моделях: STM32F405RG, STM32F405VG,
и на скоростях от 115200 до 921600 бод.

все исходники прошивки доступны на моём гитхабе по ссылке:
https://github.com/Mirn/Boot_F4_fast_uart

Оптимизация размера

В первую очередь и самое главное что влияет на размер — это общая архитектура алгоритма и использованных данных. Я старался делать всё максимально просто и, даже местами, примитивно. При этом я старался самые сложные вещи в логике перекладывать на Хост. Одним словом, порядок и краткость в коде начинается с порядка в голове разработчика.

Но нужно соблюдать меру и не забывать о тех удобствах, которые помогают лучше понять что твориться в загрузчике, и поэтому остались отладочные сообщения, контроль и подсчёт ошибок и прочие мелочи и удобства. А так же я не стал всё лепить в одну функцию и разложил всё по полочкам, и разбил на модули. Хоть это и приводит к увеличению размера прошивки на пару сотен байт, мне её ещё много лет придётся поддерживать, развивать и на базе неё создавать новые. Ещё небольшой вклад в увеличение размера дала необходимость поместить часть функций в RAM.

Также не стоит забывать, как работает компилятор и его оптимизатор. Компилировал я естественно на -Os, но каких-то других особых ключей не использовал и даже не заморачивался с этим. Если дать побольше конкретики, то компилятор сможет получше оптимизировать: параметры подписывать const где это можно, локальные в пределах одного файла функции как static и т.д.

Так же не стоит шаманить с мелочами типа перестановки строк, вылизывание ифов с булевой оптимизацией условий в них — в это всё компиляторы давным давно умеют. Доверьтесь им. В случае чего, можно глянуть map файл, где написано какая функция, сколько занимает или просто в листинге посчитать кол-во строк. Даже не зная асма при этом сразу будет видно какая функция неожиданно монстроидально развернулась.

Оптимизация SPL

Standard peripheral library от STM имеет очень большой потенциал уменьшения в размере. Она написано очень просто — многие функции перекладывают данные из переданных им заполненных структур, в соответствующие регистры периферии. Эти функции не содержат внутренних статичных переменных, не обращаются к глобальным переменным и обычно не требуют указатели на какие либо хранилища состояний. Они очень редко обращаются к другим своим или чужим функциям. Но у них есть недостаток: они содержат очень много дублирующегося кода, например GPIO_DeInit проверяет равенство переданного GPIO к каждому порту GPIOA, GPIOB… GPIOI, и сбрасывает каждый порт по отдельности отдельным кодом. Т.е. там внутри действительно пачка из десяти if и двадцати RCC_AHB1PeriphResetCmd. И поэтому SPL потребляет очень много флеша. На связку UART и GPIO с RCC обычно приходится около 8 килобайт.
Поэтому я скопировал код использованных функций SPL в отдельный заголовочник, объявил их как static inline и добавил к каждой такой функции суффикс _inline, например GPIO_DeInit_inline. Так же заинлайнил все вызванные ими функции. Это сразу сократило код в разы.

Оптимизация секции .data и .ro_data

В секции .data хранятся стартовые значения переменных, которые заданы на стадии компилирования. Они размещаются в флеше, и в коде есть цикл, который их копирует при старте в RAM.
Я написал код так, чтоб таких переменных не было вообще, и не пришлось бы писать код, который вручную выставляет им нужные параметры.

В секции .ro_data хранятся все константы, в том числе и текстовые. Здесь нужно просто знать меру, и поэмы в терминал не выводить, ограничившись минимально информативным логом из одного-двух слов. А ещё у GCC есть такой баг, когда функция не используется, но её константные переменные в .ro_data и прошивку всё-таки попадают. Такие случаи я тоже закомментировал или удалил.

Оптимизация printf и его тени impure_data и impure_ptr

Я взял из CoIDE готовую реализацию урезанного printf, в ней многое упрощено, а поддержки плавающей запятой вообще нет. Но она неявно использует структуру impure_data и указатель impure_ptr. Они занимают сотни байт и тянут за собой ещё много чего. Компилятор gcc скрыто от программиста помещает stderr и stdin именно в этой структуре и их и необходимо не использовать в коде.

Изначально пример printf как раз содержал stderr и stdout, их упоминания я и убрал, попутно заменив на более прямые вызовы и закомментировал ненужные опции printf. И убрал не используемые варианты вывода например строк, знаковых целых, шестнадцетиричных и тд.

Оптимизация кода запуска и удаление повторного кода

Из CoIDE я взял самый минимальный, который нашел, код запуска и первичной инициализации. Он копирует .data из флеша в RAM, запускает кварец и настраивает частоты, обнуляет .bss и настраивает процессор: стек, плавающие запятые, CCM память и тд.

Но часть этих задач уже реализованы в SPL и использованы мною. Я их заменил прямым вызовом соответствующей не инлайн функции SPLа.

Также было много повторов кода, когда, например, плавающие запятые включаются аж в трёх местах.
Прибил гвоздями SystemCoreClock к дефайну и выкинул функцию SystemCoreClockUpdate.
Код запуска использовал таблицы констант для расчётов которые хранились в RAM как volatile (интересно зачем?). Перенёс в флеш, а при оптимизации компилятор часть из них заменил на прямой расчёт (там где были степени двойки, в тридцать два слова).

Уменьшение таблицы прерываний

Таблица прерываний содержит в первых двух 32-и битных ячейках контекст исполнения: адрес кода и адрес стека. А в последующих содержит указатели на все возможные прерывания. А это почти 500 байт. Так как «Остапа понесло» и я уже не мог смириться, что кода больше 4к (привет 4к демо сцене!). То я избавился и от таблицы тем, что ужал её до первых двух ячеек. А в стартап-коде перенёс вектор на таблицу в RAM, куда добавил только один обработчик UARTа ручками таким кодом:

и поправил ld файл прописав так, чтоб секция для таблицы прерываний в RAM была выровнена как и полагается по 512 байтам

Экономия на таблице векторов вышла почти в 400 байт.

Итог и результаты

Время прошивки размером 400 килобайт.

встроенным загрузчиком по AN3155 с скоростью 256000 БОД: 95 секунд
встроенным загрузчиком по AN3155 с скоростью 500000 БОД: 78 секунд
встроенным загрузчиком по AN3155 с скоростью 921600 БОД: 70 секунд
во всех случаях с разлочкой и залочкой, с полным стиранием

моим загрузчиком со скоростью 921600 БОД: 9 секунд,
что быстрее в 8 раз.

Видео работы нового загрузчика (в начале), и старого по AN3155, запускается после нового.

Проверяем осциллографом на предмет непрерывности потока данных и отсутствия пауз по UART

или более развёрнуто один пакет:

пауз нет, поток непрерывен, ускорение в 8 раз получено.
Получилось всё что было запланировало и к чему стремились.

Это мой первый проект на гитхабе и опубликован с целью его изучения и вхождения в сообщество.
Я решил сделать не «хеллоу ворлд», а что-то реально полезное. Гитхаб для сообщества и глупо начинать с бесполезного всем проекта. Я вспомнил про то, до чего руки чесались, но из за лени много лет не доходили. И вдруг выдался повод: из-за кризиса у меня скоро возникнет просто уйма свободного времени, а что-то делать надо сейчас. В итоге так и родился этот турбо-загрузчик.

Как и чем прошить STM32 STM32F103C8T6 на примере blue pill.

Данное руководство по прошивке микроконтроллеров STM32. В частности и на примере blue pill, на которой установлен контроллер STM32F103C8T6. Если вы знакомы с ардуино, то понимаете, что контроллер можно прошить программатором, либо через встроенный загрузчик. Но в отличии от AVR, и arduino в семействе STM32 загрузчик уже зашит в микроконтроллер. Да, не нужно прошивать загрузчик в пустой кристалл! Он уже зашит с завода, и зашит так, что он не может слететь. Что бы вы не вытворяли с STM32 загрузчик не слетит.

Кто сидит на arduino знакомы с этой проблемой, чуть косяк с прошивкой, чуть она длиннее положеного или указали не тот камень и прошивка затирает загрузчик arduino. При этом, что бы его восстановить нужен программатор. Есть в STM32 еще одна прекрасная вешь, это отсутствие фьюз! то есть конфигурирование микроконтроллера происходит из программы! Не нужно указывать откуда тактироваться, какие режимы включать и т.д. Тиким образом STM32 может по ходу выполнения кода сам себя разгонять — когда нужна производительность, вжарить на максимальной частоте, а потом снизить тактовую частоту и экономить батарейку.

И при этом его в отличии от AVR не окирпичить неправильно зашитыми фьюзами! Неграмотными действиями при прошивке вы не убьете STM32, не переживайте! Да AVR можно восстановить высоковольтным программатором, но у всех ли он есть? Я собирал AVR FUSE BIT DOCTOR для этого. Был грешок, косячил с тактированием.

Теперь о 2х самых распространенных. Это через этот самый загрузчик и через отладочный разьем. В первом случае потребуется USB то UART переходник. Кто пользуется ардуино у них эти переходники или есть, или распаяны на плате с ардуино.

Если нету, то лучше купить внешний, например такой

CH340G RS232

Прошивка STM32 (STM32F103C8T6 )через UART, через выстроенный загрузчик.

Для прошивки через встроенный загрузчик потребуется программа Flash Loader Demonstrator.

Во первых переходник нужно переключить на напряжение 3,3 вольта.

USB to UART для STM32

Перемычка на 3,3 вольта

Заем подключить этот переходник к компьютеру и к самой голубой таблетке, а на таблетке переставить перемычку. Эта перемычка говорит контролеру, с чего загружаться. В данном случае будет загружена не прошивка, а загрузчик. Подключать стоит TX к RX а RX к TX. Если перепутаете, то ничего страшного не произойдет. Просто программа не увидит контроллер, и потом провода можно поменять местами. Нельзя путать только + и — питания.

Установка перемычек

Запустить программу Flash Loader Demonstrator и выбрать в ней COM порт, к которому подключена плата (если в компьютере у вас нет ком порта, то в списке будет всего 1 порт, не ошибетесь).

Выбор порта в программе flash loader demonstrator

Дальше, если все верно подключено, то программа выведет вот такое вот окно.

Контроллер обнаружен flash loader demonstrator

Тут выбирать больше не чего, и нужно нажать кнопку NEXT. На следующей вкладке программы, на которой тоже ничего интересного, просто служебная информация, которая мало кому интересна, трогать тут ничего не нужно, и смело можно жать NEXT.

А вот на следующей вкладке нужно выбрать файл который нужно прошить.

Выбор файла для прошивки

Больше тут ничего трогать не надо, жмем порядком надоевший NEXT, и запускаем тем самым процесс прошивки.

Прогресс бар прошивки

Шкала пробежит 2 раза, один раз прошивка, второй раз сравнение того, что прошилось с оригинальным файлом, так программа проверяет, все ли правильно прошилось и не попал ли какой мусор. После этого программа гордо выведет на экран вот такое вот окно.

Окончание прошивки микроконтроллера

Поздравляю! Прошивка в плате, что бы она запустилось, нужно вернуть перемычку на плате на место.

Прошивка через отладчик.

Быстрее и удобнее все же прошивать СТМ32 программатором через SWD разьем. Если соберетесь программировать под STM32 то вам понадобится отладчик! Это очень удобная вешь. При отладке можно построчно выполнять код в микроконтроллере, и при этом видеть в каком состоянии какая переыерия, и в каком регистре какое значение! даже на компе нет таких возможностей, как в STM32. В общем рекомендую брать STLINK — на вырост так сказать, при этом стоит он столько же, сколько и голубая таблетка.

Плата Stlink ST-Link V2

Китайский клон ST-LINK V2

Китайский клон ST-LINK V2 для STM32

Соответственно это все китайские клоны, но они прекрасно работают и даже в них самих можно обновить прошивку через программу STM32 ST-LINK Utility.

Прошить контроллер так же просто как и с помощью загрузчика, даже еще проще. Для начала нужно подключить STLINK к bluepill. В голубой таблетке для этого выведены отдельные 4 линии, для питания и отладки. На платах есть вся необходимая маркировка, схема не нужна.

Дальше необходимо запустить программу STM32 ST-LINK Utility

STM32 ST-LINK Utility

Для открытия файла с прошивкой необходимо выбрать File->OpenFile и выбрать файл для прошивки

STM32 ST-LINK Utility с открытым файлом

Что бы подключиться к контроллеру необходимо нажать эту кнопку. Контроллер уже должен был быть подключен к программатору, а программатор (отладчик, STLINK, называйте как хотите), к USB порту. Драйвера на ST-Link искать не нужно, они автоматически ставятся с утилитой.

STM32 ST-LINK Utility подключение к микроконтроллеру

Для запуска процесса прошивки необходимо выбрать пункт Target->Program или Target->Program & Verufyty. Во втором случае помимо прошивки, произойдет еще чтение зашитой прошивки обратно и сравнение её с оригиналом, на предмет косяков и мусора. Так вы будете знать, зашилась прошивка верно, или что то пошло не так.

STM32 ST-LINK Utility заливка прошивки
STM32 ST-LINK Utility заливка прошивки -старт

Сама прошивка занимает немного времени.

STM32 ST-LINK Utility процесс заливка прошивки

После успешной прошивки увидите вот эту надпись.

STM32 ST-LINK Utility процесс заливка прошивки

Поздравляю! микроконтроллер прошит.

И ничего в этом сложного не было. В любом случае, если остались вопросы, то пишите в группу в VK

Прошивка stm32 через UART

Любой микроконтроллер stm32 можно прошивать через USART_1 и другие интерфейсы, подробно смотрите в AN2606. Для этого в МК есть специальный системный загрузчик, который зашивается в System memory (спец. область памяти) на этапе производства, его нельзя удалить или изменить. Это загрузчик инициализируется путём «подтягивания» пина BOOT_0 к «плюсу», после чего он ожидает поступления прошивки.

Через USART можно загружать любые .bin или .hex файлы.

Описание сделано на примере платы Blue Pill, однако всё сказанное справедливо для любого stm32.

Фирменные платы типа Discovery и Nucleo тоже можно прошивать через USART.

Для работы потребуется USB to UART конвертер…

Если такой штуковины нет, то есть два варианта превращения ардуины в конвертер…

1. Замкнуть RESET на GND (может не прокатить).
2. Загрузить в неё вот такой незамысловатый скетч:

Чтобы проверить работает ли ардуина в качестве конвертера, замкните RX и TX, откройте и отправьте какие-нибудь символы. Если они вернулись, значит всё работает.

Перед прошивкой необходимо подтянуть пин BOOT0 к «плюсу», это переведёт МК в режим «системного бутлоадера». На описываемой плате это осуществляется перестановкой джампера…

На фирменных платах (Discovery, Nucleo) тоже нужно подтянуть пин BOOT0 к плюсу, но просто так это сделать не получится. Возьмите схему вашей платы и найдите там соответствующие перемычки…

Искать надо что-то вроде этого:

Не помню от какой платы эта схема, но суть такая: в данном случае пин BOOT_0 подтянут к «минусу» через резистор R16 и перемычку SB16. Если убрать перемычку SB16, то пин подтянется к «плюсу» через резистор R17 и можно прошивать. После прошивки надо вернуть всё на место.

Перемычка может выглядеть как резистор.

Bootloader (загрузчик) – это обычная программа, которая в момент старта МК решает, что должно происходить дальше.

Обычный режим, BOOT_0 подтянут к минусу. Как только подаётся питание на плату, сразу же стартует прошитая программа (если она есть конечно).

Режим «системного bootloader’а», BOOT_0 подтянут к плюсу. Системный bootloader ожидает прошивку — можно загружать в МК всё что угодно через USART_1 или через SWD (ST-Link). В более продвинутых камнях можно прошивать и через другие интерфейсы. См. мануал на свой микроконтроллер.

Системный bootloader зашивается в System memory на этапе производства, его нельзя удалить или изменить.

В этом режиме, с помощью программатора, можно заливать прошивку в оперативную память. Это продлевает жизнь Flash-памяти при отладке программ. После обесточивания программа естественно исчезает.

Соединяем конвертер и STM следующим образом…

Конвертер RX <-> PA9 STM
Конвертер TX <-> PA10 STM
Конвертер GND <-> GND STM

… и подключаем конвертер и STM к компьютеру.

Инструкция по прошивке для

Скачайте архив и распакуйте куда-нибудь. Если хотите, можете взять с сайта ST (в самом низу страницы).

Нажмите Reset на плате. Бывает что на описываемой плате, плохо работает кнопочка, поэтому если МК не сбрасывается (не прошивается), тогда кратковременно замкните пин Reset на «землю».

Перейдите в папку Flash Loader Demonstrator и запустите Flash Loader Demonstrator.exe

Выбираем СОМ-порт конвертера и жмем Next.

… означает, что плата, залочена. Ничего страшного нет, просто снимите защиту кнопкой Remove protection и следом нажмите ОК.

Если выдаёт ещё какие-то ошибки, то либо не нажали Reset, либо что-то с конвертером.

Если светофор даёт зеленый свет, то смело жмите Next.

Жмем Next.

В пункте Download to device указываем путь к нужному .bin или .hex файлу и жмем Next.

Всё готово, верните джампер в исходное положение и нажмите Reset.

Инструкция по прошивке для

Скачайте архив и распакуйте куда-нибудь.

Из папки соответствующей вашей ОС скопируйте файл stm32flash в домашнюю папку.

Эта утилита есть в репах ubuntu, в других дистрах не знаю, поэтому выкладываю.

Перед прошивкой всегда нажимайте Reset на плате.

В терминале дайте команду:

Название и путь к файлу у вас будет свой. HEX-файлы тоже можно прошивать этой утилитой.

Если будет ругаться на права, тогда дайте команду…

… или запускайте утилиту через sudo .

Защита от записи

Если появилось вот такое сообщение…

… тогда дайте по очереди две команды:

Первая снимает защиту от записи, вторая от чтения.

Если у Вас стоял ардуиновский загрузчик, то он будет затёрт, чтоб его востановить просто залейте описанным выше способом этот файлик. И не забудьте вот про это.

П.С. Все описанные действия можно проделать с помощью фирменной утилиты — STM32CubeProgrammer (Windows®, Linux®, macOS®)

На этом наверно всё.

Всем спасибо

Статья о том, как из платы Blue Pill сделать программатор.