Stm32 прошивка через usb bootloader. Защита прошивки от копирования

Ноутбуки

Этот клон Ардуино предлагает специальный бутлоадер, который позволяет заливать прошивку через USB, без использования внешних компонентов типа ST-Link или USB-UART переходника.

Сегодня мне понадобилось поработать с голым контроллером из-под CooCox и без stm32duino. Но вот в чем проблема. Даже простая моргалка лампочкой влитая через этот бутлоадер не работает.

Давайте разбираться. Возможно, мои выкладки покажутся кому-то банальностью. Но я только начинаю изучать контроллеры STM32 и на поиск проблемы убил как минимум полдня. Вдруг эта статья сократит кому-то время разработки.

Я ничего не имею против ST-Link и других отладчиков. Но в моем готовом устройстве его не будет, но точно будет USB. Почему бы сразу не заложить возможность обновлять прошивку через USB? Лично я нахожу этот способ удобным. тем более что все равно у меня уже подключен шнурок по которому идет питание и USB Serial.

Давайте посмотрим как работает бутлоадер. Для начала на примере контроллеров AVR. Почему я о нем вспомнил? Я переходил с Arduino и подсознательно ожидал такого же поведения. Но в STM32 оказалось все по другому. Потому хочу рассказать о разнице этих двух микроконтроллеров.

Итак. В микроконтроллерах AVR ATMega под бутлоадер можно зарезервировать некоторое количество памяти ближе к концу флеша. С помощью fuse битов можно регулировать с какого адреса будет стартовать программа. Если бутлоадера нет - программа стартует с адреса 0x0000. Если бутлоадер есть - он запускается с некоторого другого адреса (скажем, в ATMega32 с 0x3C00, если размер бутлоадера выбран 2к).

Когда бутлоадер сделал свои дела он передает управление основной программе с адреса 0x0000. Т.е. программа всегда стартует с адреса 0x0000. Компилятор и линковщик работают с учетом того, что код будет находится в начале адресного пространства.

В микроконтроллерах STM32 все не так. Все программы стартуют с адреса 0x0800000. Бутлоадер не является чем-то таким особенным. Это такая же программа, которая стартует с того же самого начального адреса. В процессе работы бутлоадер может принять прошивку (через USB или UART, считать с флешки, принять со спутника, достать из подпространства, whatever...) и записать ее по адресам выше чем находится сам загрузчик. Ну и, конечно же, в конце своей работы передать управление основной программе.

Так вот при компиляции прошивки нужно знать куда же бутлоадер запишет прошивку и соответствующим образом скорректировать адреса.

На этом с теорией все. Переходим к практике. Ниже пошаговая инструкция как прикрутить USB загрузчик к микроконтроллерам серии STM32F1xx, а может быть и к некоторым другим тоже.

Есть, правда, некоторые ограничения по схемотехнике. Тут я, к сожалению, не силен. ЯТП нужен подтягивающий резистор 1.5к для порта PA12 (он же USB D+). Это позволяет загрузчику в нужные моменты времени подключаться и отключаться от USB.

Теперь микроконтроллер готов ппрошиваться через USB загрузчик. Но ведь еще нужно саму прошивку подправить. А сделать нужно 2 вещи:

Указать линкеру стартовый адрес. В CooCox это делается в настройках проекта, вкладка Link, раздел Memory Areas, Адрес IROM1 Start Address. Бутлоадер занимает первые 8 килобайт, значит стартовый адрес прошивки будет 0x0800000 + 0x2000 = 0x08002000. Поле Size, наверное, тоже стоит уменьшить на 8к.
Где нибудь вначале программы перед инициализацией периферии сделать вызов
NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x2000);
UPDATE 17.05.2018: В современной версии STM32Cube функции NVIC_SetVectorTable() нет. Вместо этого можно в файле system_stm32f1xx.c (или аналогичного для другого микроконтроллера) исправить дефайн VECT_TAB_OFFSET

Заливатор прошивки можно взять из проекта stm32duino . В директории tools ищите скрипт под называнием maple_upload. Я пользовал только виндовую версию - maple_upload.bat.

Запускать так:

"maple_upload.bat" COM20 2 1EAF:0003 "Path\To\Firmware.bin"
Вместо COM20 нужно подставить свой порт куда прицепился микроконтроллер.

Заливатор штука очень нежная, относительных путей не любит. так что путь к прошивке нужно указывать полностью.

1EAF:0003 - это VID и PID

2 - это параметр AltID, который указывает что прошивку нужно заливать по адресу 0x08002000 (читать ).

Еще чуток нюансов. Перед тем как заливать прошивку нужно запустить бутлоадер. Самый простой способ - нажать кнопку ресет. После этого запустится загрузчик и несколько секунд будет ждать прошивку. Если в этот момент никто не запустил maple_upload, загрузчик передаст управление основной прошивке.

Из-за этого может возникнуть неудобство. Если микроконтроллер заглючил и повис, то он уже не слушает порт. Следовательно он не может услышать ключевую последовательность и перегрузиться в бутлоадер. Тогда только ресет в помощь.

На этом все. Надеюсь моя статья прольет свет на то, как работает загрузчик в STM32 и как можно загружать прошивку через USB порт. К сожалению порог вхождения по прежнему высок, но вдруг кому-то моя статья поможет его преодолеть.

Готовую программу надо каким-либо образом запихать в контроллер. Для этого существует множество способов.

JTAG/SWD адаптер
Так как часто для отладки под ARM используется JTAG, то этот метод получается наверное самым популярным. Для этой цели используется какой-либо адаптер. Например я использую так что показывать буду на его примере. Там все просто — подключаешь адаптер к контроллеру стандартным SWD или JTAG шлейфом. Через линии NRST/TDI/TDO/TCK/TMS для JTAG или через SWO/SWOCLK/SWDIO/NRST для SWD режима. На адаптере моей верси CoLinkEX оба эти разьема выведены на одну колодку, так что получается как бы сразу и JTAG и SWD соединение. А там какое надо такое и выбираешь. Особой разницы в отладке/прошивке между ними нет.

Либо используя утилитку CoFlash oт CooCox.com

Чтобы Keil сгенерировал hex файл нужно выставить галочку в опциях проекта.

Формат там такой:

fromelf --bin --output .\имя_будущего_файла.bin .\имя_создаваемого_файла.axf

Ну или, если выходные файлы создаются в какой-либо подпапке, то путь будет включать и эту подпапку

Первичный Bootloader
Если нет JTAG/SWD адаптера, то не беда. Достаточно иметь переходник или так как почти все ARM контроллеры содержат в памяти аппаратно встроенный бутлоадер, позволяющий накатить прошивку. Главное следить за тем, чтобы напряжение на выходе с адаптера совпадало с напряжением питания контроллера, а то можно пожечь входы (FTDI можно запитать от 3.3 вольт. А для работы с RS232 использвоать не MAX232, а MAX3232 — то же самое, но на 3.3 вольта). Я в качестве USB-UART использую свою демоплату с джампером питания выставленным на 3.3 вольта. Питание беру с той же платы.

Вход Boot_0 выставыляю в 1, вход Boot_1 выставляю в 0. Набрасываю на RX1 и TX1 контроллера STM32F103C8 проводочки от RX-TX микрохсемы FTDI

Настраиваем порт, жмем Next

Тут можно посмотреть какие страницы флеша нам доступны на запись. Жмем Next

Для LPC от NXP используется другая утилитка, зовется она Flash Magic — те же яйца, вид сбоку. Разве что может быть для входа в загрузчик надо другие выводы коротить. Это надо в User Manual на LPC уточнять уже.

Mass Storage USB Bootloader
Кроме того, у LPC1343 (у других LPC не встречал) есть одна прикольня фича. Там встроенный загрузчик может работать и по USB. Для этого надо собрать следующую схему:

В противном случае мы, наверное, считаем мусор. А если удалить файл firmware.bin и на ее место записать файл с бинариком новой прошивки, то он вольется во флеш. Усе, не надо больше ничего! Красота! Правда в линухе оно работает не так как надо, дело в том, что линух пишет туда начиная со второго чтоль сектора и в результате Epic Fail. Впрочем, там же есть замечательная утилитка dd которая может скопировать на эту «флешку» файл в точности как надо, с нулевого адреса.

Вторичный бутлоадер
Поскольку я решил зарыться в STM32, то мне тоже захотелось такую вкусняшку как USB boot в режиме mass storage. Забросил идею Владимиру aka RtxOnAir и в результате он, за пару дней, выдал аналогичное решение для STM32F103.

Для загрузки с USB нужна следующая схема:

Транзистор подтягивает линию D+ к питанию и это означает, что на шине кто то появился, заставляя OС компа произвести определение устройства. Можно сделать и по колхозному. Подтянуть D+ через резистор напрямую. Но в этом случае для входа в бут придется передергивать шнур USB, иначе винда не захочет находить устройство. А так контроллер сам дернет вожжу.

Штука у Владимира получилась классная — автоматом определяет все типы кристаллов серии F103, позволяет выбрать любую ногу для передергивания USB шиной. Для входа во вторичный бутлоадер надо выводы Boot_0 и Boot_1 посадить на землю и нажать RESET ну или воткнуть девайс в USB если шина у нас не коммутируемая. Также можно выбирать работу от внутреннего генератора или от внешнего.

Вообще, инструкция явно говорит, что USB может работать только от внешнего кварцевого резонатора, т.к. частота внутреннего нестабильная и вообще кака. Не будем спорить с создателями камня, но у нас наш бутлоадер отлично завелся на HSI и при комнатной температуре отлично работал. Впрочем, стабильность тут явно не на высоте и надо быть осторожным.

Конфигурация бутлоадера
Для конфигурации нашего бута RtxOnAir написал небольшую утилитку:

Запустив которую можно выбрать нужные опции и нажав «Ок» получить сконфигурированный бутлоадер, который надо залить в МК любым вышеуказанным способом. Переключив джамперы Boot0 и Boot1 в режим нормальной работы Boot0=0 Boot1=1 и нажав сброс мы должны увидеть как в системе появится новый USB Mass Storage диск с емкостью равным размеру флеш памяти нашего кристалла за вычетом размеров бутлоадера.

Конфигурация проект под вторичный Bootloader
Поскольку этот бутлоадер распологается в области откуда обычно идет пользовательская прошивка, то в создаваемых под него проектах надо немного сконфигурировать опции линковки и компиляции, чтобы они начинались с области не занятой бутом. Для этого в Keil надо в опции проекта подправить начальный адрес:

После чего файлы прошивки можно банальным копированием загонять в STM32 и никакой программатор или адаптер больше не нужны совсем. Красота же!

Опубліковано 09.08.2016

Микроконтроллеры STM32 приобретают все большую популярность благодаря своей мощности, достаточно разнородной периферии, и своей гибкости. Мы начнем изучать , используя бюджетную тестовую плату, стоимость которой не превышает 2 $ (у китайцев). Еще нам понадобится ST-Link программатор, стоимость которого около 2.5 $ (у китайцев). Такие суммы расходов доступны и студентам и школьникам, поэтому именно с такого бюджетного варианта я и предлагаю начать.

Этот микроконтроллер не является самым мощным среди STM32 , но и не самый слабый. Существуют различные платы с STM32 , в томе числе Discovery которые по цене стоят около 20 $. На таких платах почти все то же, что и на нашей плате, плюс программатор. В нашем случае мы будем использовать программатор отдельно.

Микроконтроллер STM32F103C8. Характеристики

Ядро ARM 32-bit Cortex-M3
Максимальная частота 72МГц
64Кб Флеш память для программ
20Кб SRAM памяти
Питание 2.0 … 3.3В
2 x 12-біт АЦП (0 … 3.6В)
DMA контролер
37 входов / выходов толерантных к 5В
4 16-розрядних таймера
2 watchdog таймера
I2C – 2 шины
USART – 3 шины
SPI – 2 шины
USB 2.0 full-speed interface
RTC – встроенные часы

На плате STM32F103C8 доступны

Выводи портов A0-A12 , B0-B1 , B3-B15 , C13-C15
Micro-USB через который можно питать плату. На плате присутствует стабилизатор напряжения на 3.3В. Питание 3.3В или 5В можно подавать на соответствующие выводы на плате.
Кнопка Reset
Две перемычки BOOT0 и BOOT1 . Будем использовать во время прошивки через UART .
Два кварца 8Мгц и 32768 Гц. У микроконтроллера есть множитель частоты, поэтому на кварце 8 МГц мы сможем достичь максимальной частоты контроллера 72Мгц.
Два светодиода. PWR – сигнализирует о подачи питания. PC13 – подключен к выходу C13 .
Коннектор для программатора ST-Link .

Итак, начнем с того, что попробуем прошить микроконтроллер. Это можно сделать с помощью через USART, или с помощью программатора ST-Link .

Скачать тестовый файл для прошивки можно . Программа мигает светодиодом на плате.

Прошивка STM32 с помощью USB-Uart переходника под Windows

В системной памяти STM32 есть Bootloader . Bootloader записан на этапе производстве и любой микроконтроллер STM32 можно запрограммировать через интерфейс USART с помощью USART-USB переходника. Такие переходники чаще всего изготавливают на базе популярной микросхем FT232RL . Прежде всего подключим переходник к компьютеру и установим драйвера (если требуется). Скачать драйвера можно с сайта производителя FT232RL – ftdichip.com . Надо качать драйвера VCP (virtual com port). После установки драйверов в компьютере должен появиться виртуальный последовательный порт.

Подключаем RX и TX выходы к соответствующим выводам USART1 микроконтроллера. RX переходника подключаем к TX микроконтроллера (A9). TX переходника подключаем к RX микроконтроллера (A10). Поскольку USART-USB имеет выходы питания 3.3В подадим питания на плату от него.

Чтобы перевести микроконтроллер в режим программирования, надо установить выводы BOOT0 и BOOT1 в нужное состояние и перезагрузить его кнопкой Reset или выключить и включить питание микроконтроллера. Для этого у нас есть перемычки. Различные комбинации загоняют микроконтроллер в различные режимы. Нас интересует только один режим. Для этого у микроконтроллера на выводе BOOT0 должно быть логическая единица, а на выводе BOOT1 – логический ноль. На плате это следующее положение перемычек:

После нажатия кнопки Reset или отключения и подключения питания, микроконтроллер должен перейти в режим программирования.

Программное обеспечение для прошивки

Если используем USB-UART переходник, имя порта буде примерно такое /dev/ttyUSB0

Получить информацию о чипе

Результат:

Читаем с чипа в файл dump.bin

sudo stm32flash -r dump.bin /dev/ttyUSB0

Пишем в чип

sudo stm32flash -w dump.bin -v -g 0x0 /dev/ttyUSB0

Результат:

Stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Using Parser: Raw BINARY Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Write to memory Erasing memory Wrote and verified address 0x08012900 (100.00%) Done. Starting execution at address 0x08000000... done.

Прошивка STM32 с помощью ST-Link программатора под Windows

При использовании программатора ST-Link выводы BOOT0 и BOOT1 не используются и должны стоять в стандартном положении для нормальной работы контроллера.

(Книжка на русском языке)

Маркировка STM32

Device family	Product type	Device subfamily	Pin count	Flash memory size	Package	Temperature range
STM32 = ARM-based 32-bit microcontroller	F = General-purpose L = Ultra-low-power TS = TouchScreen W = wireless system-on-chip	60 = multitouch resistive 103 = performance line	F = 20 pins G = 28 pins K = 32 pins T = 36 pins H = 40 pins C = 48/49 pins R = 64 pins O = 90 pins V = 100 pins Z = 144 pins I = 176 pins B = 208 pins N = 216 pins	4 = 16 Kbytes of Flash memory 6 = 32 Kbytes of Flash memory 8 = 64 Kbytes of Flash memory B = 128 Kbytes of Flash memory Z = 192 Kbytes of Flash memory C = 256 Kbytes of Flash memory D = 384 Kbytes of Flash memory E = 512 Kbytes of Flash memory F = 768 Kbytes of Flash memory G = 1024 Kbytes of Flash memory I = 2048 Kbytes of Flash memory	H = UFBGA N = TFBGA P = TSSOP T = LQFP U = V/UFQFPN Y = WLCSP	6 = Industrial temperature range, –40…+85 °C. 7 = Industrial temperature range, -40…+ 105 °C.
STM32	F	103	C	8	T	6

Как снять защиту от записи / чтения?

Если вы получили плату с STM32F103, а программатор ее не видит, это означает, что китайцы защитили Флеш память микроконтроллера. Вопрос “зачем?” оставим без внимания. Чтобы снять блокировку, подключим UART переходник, будем программировать через него. Выставляем перемычки для программирования и поехали:

Я это буду делать из под Ubuntu с помощью утилиты stm32flash.

1. Проверяем видно ли микроконтроллер:

Sudo stm32flash /dev/ttyUSB0

Должны получить что-то такое:

Stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB

2. Снимаем защиту от чтения а затем от записи:

Sudo stm32flash -k /dev/ttyUSB0 stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Read-UnProtecting flash Done. sudo stm32flash -u /dev/ttyUSB0 stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Write-unprotecting flash Done.

Теперь можно нормально работать с микроконтроллером.

Я ничего не имею против ST-Link и других отладчиков. Но в моем готовом устройстве его не будет, но точно будет USB. Почему бы сразу не заложить возможность обновлять прошивку через USB? Лично я нахожу этот способ удобным. тем более что все равно у меня уже подключен шнурок по которому идет питание и USB Serial.

В микроконтроллерах STM32 все не так. Все программы стартуют с адреса 0x0800000. Бутлоадер не является чем-то таким особенным. Это такая же программа, которая стартует с того же самого начального адреса. В процессе работы бутлоадер может принять прошивку (через USB или UART, считать с флешки, принять со спутника, достать из подпространства, whatever…) и записать ее по адресам выше чем находится сам загрузчик. Ну и, конечно же, в конце своей работы передать управление основной программе.

Инструкция:

Качаем github.com/rogerclarkmelbourne/STM32duino-bootloader. В директории STM32F1binaries уже есть пакет скомпилированых бутлоадеров под разные платы. Индекс в конце названия файла указывает куда подключен светодиод. В случае где светодиод подключен к пину C13, я использовал файл generic_boot20_pc13.bin.
Прошивем . Да, тут понадобится USB-UART переходник, но наверняка можно и с помощью отладчика
Теперь микроконтроллер готов ппрошиваться через USB загрузчик. Но ведь еще нужно саму прошивку подправить. А сделать нужно 2 вещи:
- Указать линкеру стартовый адрес. В CooCox это делается в настройках проекта, вкладка Link, раздел Memory Areas, Адрес IROM1 Start Address. Бутлоадер занимает первые 8 килобайт, значит стартовый адрес прошивки будет 0x0800000 + 0x2000 = 0x08002000. Поле Size, наверное, тоже стоит уменьшить на 8к
- Где нибудь вначале программы перед инициализацией периферии сделать вызов NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x2000);
Заливатор прошивки можно . В директории tools ищите скрипт под называнием maple_upload. Я пользовал только виндовую версию - maple_upload.bat
Запускать так:
"maple_upload.bat" COM20 2 1EAF:0003 "PathToFirmware.bin"
Вместо COM20 нужно подставить свой порт куда прицепился микроконтроллер.

Заливатор штука очень нежная, относительных путей не любит. так что путь к прошивке нужно указывать полностью.

1EAF:0003 - это VID и PID

2 - это параметр AltID, который указывает что прошивку нужно заливать по адресу 0x08002000 (читать )

Ну, вот мы и дошли до одного из самых интересных этапов, — как же залить в контроллер готовую прошивку и оживить наконец нашу железяку.

Вообще-то прошивать контроллеры STM32 можно по-разному, но мы рассмотрим самый простой вариант прошивки — через последовательный интерфейс с помощью фирменной утилиты Flash Loader Demonstrator. Эта утилита совершенно бесплатна и её можно скачать как с официального , так и .

Как мы ранее уже говорили, — в системной области памяти контроллера зашит bootloader. Именно он и позволяет записать прошивку во flash-память через последовательный интерфейс.

Детально bootloader описан в документе AN2606 (CD00167594.pdf), а используемый им протокол — в документе AN3155 (CD00264342.pdf). Это для тех, кто хочет исчерпывающей информации, а мы рассмотрим процесс прошивки через bootloader вкратце.

Для начала вам нужно скачать и установить себе на компьютер утилиту Flash Loader Demonstrator.

Итак, ногу Tx контроллера нужно соединить с ногой Rx преобразователя, а ногу Rx контроллера — с ногой Tx преобразователя. Кроме этого, контроллер нужно запитать и обеспечить нужные уровни на ногах BOOT0 (pin 44), BOOT1 (pin 20). Для запуска bootloadera, который расположен в system memory, ногу BOOT1 нужно подтянуть к «земле», а BOOT0 — к «питанию» (табличка справа).

Подтяжку для BOOT0, BOOT1 лучше делать не жёсткую, а джамперами, чтобы можно было легко выбирать режимы загрузки (например, переключившись после заливки проги в режим загрузки из flash, можно будет эту прогу сразу и потестить).

Схема подключения показана ниже.

Чётность и количество бит данных уже настроены как надо, скорость можно менять — контроллер в процессе инициализации обмена настраивается на выбранную скорость автоматически, com-порт нужно выбрать тот, который создался при подключении USB-to-COM преобразователя к компьютеру (наш преобразователь создаёт при подключении виртуальный com-порт, полностью имитирующий настоящий аппаратный). После того, как всё настроили — жмём «Next».

О том, что всё нормально и соединиться с контроллером удалось, нам сообщит зелёный сигнал светофора на следующей страничке. Если связь не установится — на эту страничку нас вообще не пустят, сообщив, что контроллер не отвечает.

При установлении связи программа автоматически определит сколько у контроллера flash-памяти и защищена ли эта память от чтения. Нажав кнопку «Remove protection» защиту можно снять, но при этом содержимое флеша будет стёрто (предыдущая записанная туда прошивка уничтожится). Жмём «Next».

В следующем окне нам предлагают выбрать тип программируемого камня (хотя непонятно зачем, — он и так автоматически определяется), а также показывают для нашего камня PID, карту flash-памяти, и версию bootloader-а. Просто жмём «Next».

В следующем окне нужно выбрать, что мы собственно хотим с нашим контроллером делать. Тут возможны следующие варианты: Erase (стереть), Download to device (загрузить в контроллер прошивку), Upload from device (считать прошивку с контроллера), Enable/Disable Flash protection (включить/выключить защиту flash-памяти), Edit option bytes (изменить байты опций). Соответственно, если мы хотим залить прошивку — выбираем Download to device, потом жмём на квадрат с тремя точками и выбираем в проводнике файл с прошивкой, которую надо залить, после чего опять жмём «Next».

На следующей странице внизу появится прогресс-бар, в котором будет показан ход выполнения процедуры загрузки. После того, как вся прошивка будет загружена в контроллер, этот прогресс-бар станет зелёным и в нём белыми буквами будет написано: «Download operation finished successfully» (операция загрузки успешно завершена). После этого, можно нажать кнопку «Close» и закрыть Flash Loader Demonstrator

Всё, теперь чтобы залитая программа начала выполняться нам останется только настроить контроллер на загрузку из flash (BOOT0 = 0, BOOT1 — любой уровень) и перезагрузить его.