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STM32实现IAP功能的学习笔记

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STMCU-管管 发布时间:2020-12-4 14:55
STM32实现IAP功能的学习笔记
1 i- Z: o# Y% }) \1 B5 k# g1 r

6 G3 v7 P$ G" Y最近因项目需求要实现STM32的在线升级即IAP功能,先将这几天的学习体会和IAP的具体实现总结出来,分享给大家,希望对同样实现IAP的童鞋有所帮助,文中最后会上传名为STM32_Update.zip的压缩文件里面包含了STM32_App、STM32_MyBoot_V1.0和升级软件STM32_UpdateSoftware的源码文件供大家参考。所有程序都经过测试,可以直接在原子哥的开发板上跑,上位机的升级软件大家可以直接打开3 m! |: L$ ~$ ~6 M9 Z$ e8 I3 C
STM32_Update\STM32_UpdateSoftware\Release\STM32_UpdateSoftware.exe来升级,如果需要查看源码请用VS2010打开工程文件。
* t9 y2 P6 s5 c4 K- j' T# V) o! e

4 Z0 f" k# F+ O最终要实现的是:$ x0 W& `2 T" Y+ M2 K/ C2 ]
单片机每次上电会先运行Boot程序,检查标志位如果标志位为FLAG_TO_APP则直接跳转到App程序运行,如果标志位为FLAG_TO_BOOT,则运行Boot程序准备升级。在运行App程序时,当接收到升级的指令后会在FLASH中的某处空间写下升级的标志位FLAG_TO_BOOT,并且加载Boot程序,Boot程序会接受新的程序文件并且存储在相应的FLASH空间里,完成升级后会在标志位的空间写下FLAG_TO_APP,并且运行新的程序。
3 D' W% v/ w! I6 @2 V! h) [5 ~# h
) O: k* B$ J( r+ r' G
+ E1 m0 [# l, m/ F0 ?/ ]  K
帖子包含如下几个方面:& T* k  {& U7 y" c: l
1. 什么是IAP?$ j! `% x* q; d! ]; d4 @% u
2. STM32的启动模式?; w- N& V5 \# s( j) k- D
3. STM32的FLASH分布?
7 O" v0 z2 x* D9 p6 H, U) x# c, K4. STM32程序的运行过程?
( }8 t/ q2 z) f4 O+ ^5. BootLoader程序的编写(如何实现程序的动态加载)?4 l2 o7 ~+ o2 `2 y" J
6. App程序的编写?3 S" s. h$ d: q; p$ Y
7. bin文件的转换?: [1 U! h# y7 ^0 \
8. 上位机串口升级软件的简介- z& }" ^) ?/ p
-------------------------------------------------------------------------------------------------
: P5 f" ^4 A; e6 X1 ?1. 什么是IAP?
8 v7 X. o3 M: N. }$ ?IAP的知识网上的各种资料也说的比较明白,在此简单介绍一下。IAP( In Application Programming)即在线应用编程,也就是用户可以使用自己的程序对单片机的User Flash的某一区域(一般为存放自己程序的区域)进行烧写。在真正的工作中产品发布后,可以很方便的使用预留的通信接口(串口、USB、网口、蓝牙等)来完成程序的升级,从而避免了把机器拆开使用下载器烧写程序。要实现IAP功能一般要设计两部分代码,一是BootLoader程序,这部分程序存储在FLASH的某一位置,主要用来引导、升级App程序;二是App程序,这个程序才是实现产品的功能程序。通过BootLoader来完成对App程序的更新升级,这就是IAP功能。/ y* u7 T. O% |" U* W
2. STM32的启动模式4 D! O3 w6 }! U
很多初学者对于STM32的启动并不是很了解,这在《STM32的参考手册》以及网上各种资料里也有介绍,下面再简单介绍一下:
, w; f+ K2 L1 t: f/ kSTM32有三种启动方式,主要是通过管脚BOOT0和BOOT1的连接方式来控制的,如下图所示,因为我们要让程序从主存储器启动,因而在硬件                设计时要选择第一种方式把BOOT0接到GND,BOOT1任意,可以拉高也可以拉低。) A% z: W! ^9 p, W( R9 g/ V' u, q

& Y5 f2 {! U% `/ {% j3 m  g/ K

( o3 {3 Y/ S2 b) u' enote: STM32上电启动并不是直接进入main函数,而是先进行系统初始化,这个函数的调用是在启动文件startup_stm32f10x_hd.s(因为我的单片机是STM32F103RCT6,大容量芯片所以是这个文件)中执行复位中断Reset_Handler时被调用的,执行完复位中断才会进入main函数。
% q, f2 S6 O* N3.  STM32 FLASH的分布# y3 G" r2 n; f( l! @* p- {
STM32每种型号单片机的FLASH大小及地址分配在芯片手册里都有介绍,我使用的是STM32F103RCT6的型号其FLASH为256K属于大容量产品其        8 x8 e# g8 Q0 f/ L
FLASH的分布如下图:主存储块的地址是从0x08000000到0x0803FFFF共256K
0 r" ^3 b/ j! \/ M6 c4 ?3 K8 U
5 l6 W, u2 _/ I+ [% o! R# r

, q6 E9 k# [0 \/ D9 w% x! @: J) l6 ^( u

+ D5 \4 ~" t. p: o  [7 G, S我们在设计程序时把FLASH分成3部分,第一部分从0x08000000到0x0800FFFF共64K来存放BootLoader程序,第二部分为0x08010000        9 S% u- @$ a$ m
到0x0802FFFF共128K来存放App程序,第三部分从0x08030000开始到0x803FFFF共64K来存放程序运行的标志位和其他,如下所示:
$ z. N& D% l7 I' y( h8 e/ F
8 A  l( t4 d6 t
1 w" o1 o7 L0 k) a6 @8 n! @
4. STM32程序的运行过程3 j. X5 H9 \  W
STM32的程序运行过程在很多资料里也都有介绍,因为STM32F103的单片机是基于Cortex-M3核的,它的内部主要是通过中断向量表来响应各种中断,内部闪存的起始地址是0x08000000,中断向量表的起始地址是0x8000004,程序启动后,将首先从“中断向量表”取出复位中断向量执行复位中断程序完成启动,当中断来临时STM32 的内部硬件机制亦会自动将 PC 指针定位到“中断向量表”处,并根据中断源取出对应的中断向量执行相应的中断服务程序。& N5 T7 X% S; n1 C/ n
) A" e5 y/ d9 q% x' q  D" N3 T. t
" [: G! d2 k# P5 C& l
如上图所示STM32的正常启动流程是:2 x  x* J8 ^2 o7 ?' {3 u& D! h
a. STM32上电后会从 0x8000004 处取出复位中断向量的地址,并跳转执行复位中断服务程序,如标号1所示;- W2 [& b2 o+ C1 x
b. 复位中断复位程序执行完成之后就会跳转到我们的main函数如标号2所示;5 Q9 D$ ~: C, G9 O4 B& M, ]# Q5 j6 a
c. main函数一般为死循环,当其收到某一中断请求之后STM32会强制把PC指针指向中断向量表,如标号3所示;. D+ s, f( \4 d0 P/ l5 ?, Z& M
d. 查询中断向量表,根据中断源来跳转到相应的中断服务程序中执行响应的操作;如标号4、5所示;! ^+ [3 a. o" g2 I( [
e. 执行完中断服务程序之后会再回到main函数中,如标号6所示。& g' b3 `4 C+ B* Y/ i: x1 ]1 a
以上是STM32的正常运行过程,而当加入IAP程序之后,运行流程就如下所示:
) M9 e+ i4 L/ L9 o+ X; o9 k" O% |! ^$ S- e* {% k+ j) |% t7 e

9 m4 U9 |1 I. R+ j- l( M加入IAP后程序运行如下:7 r* V: r1 e6 I) N2 d9 v
a. STM32复位之后还是从0x8000004处获取中断向量表的地址,并跳转执行复位中断服务程序,如标号1所示;% D/ T/ {: N4 w, s+ D8 R
b. 执行完复位中断服务程序之后回调转到IAP的main函数中,如标号2所示;
, V% J) D4 V9 C  l- D/ ?c. IAP的过程就是通过某种选定的通信方式(如串口)来接收程序文件,并且存储在指定的FLASH空间里,随后会加载新的程序,而新程序        1 e; c. s1 i- J% q6 n2 R; W
的复位中断向量起始地址为0X08000004+N+M,取出新程序的复位中断向量的地址,并跳转执行新程序的复位中断服务程序,随后跳转
9 {' s( Q( Y# @. J至新程序的 main 函数,如标号3、4所示;
4 v" L" u" g; z- [0 T$ Rd. 此时在STM32的FLASH里面会有两个中断向量表,在新程序 main 函数执行的过程中,当中断来临时PC指针仍会回跳转至地址为' I" y1 m: J3 m/ y+ o
0x8000004 中断向量表处,而并不是新程序的中断向量表,这是由STM32的硬件机制决定的,如标号5所示;
6 Q( `4 @8 E6 h9 S$ \e. 查询中断向量表,根据中断源来跳转到新的中断服务程序中执行响应的操作,如标号6所示;+ E" {* e- _) r* r$ V" N
f. 执行完中断服务程序之后会再回到main函数中,如标号7、8所示。8 ]# d/ j2 p. e: J$ G
note:
! X$ E+ p! V8 Z5 Z由上可知新的程序在FLASH中必须放在IAP程序之后的某个地址里,这里我的程序中设置的是0x08010000 即偏移量为0x10000,而且新程序
4 ]: y0 f$ K3 y0 u6 R" j的中断向量表也要做相应的偏移,偏移量也为0x10000 (地址的设置可以通过编译软件来实现,下文会有介绍)。
6 o, M! o2 c# d0 ~3 c
* o/ D9 g" Y% u# [! K1 S# l
" M8 b2 w" [9 \
5. BootLoader程序的编写: f! }2 g3 y+ P: F0 `
   BootLoader程序主要的功能是接收新的程序并把它存储在FLASH的特定位置,然后加载新的程序运行。单片机每次上电都会先读取一个
( L  \) e4 Y  X6 ~0 ?  o: \标志位,根据此标志位来决定是运行APP程序还是来运行自己来升级。
  {- V+ h, L; c2 f/ \& Zflag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); (FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 是0x08030000的地址)* @) y+ T/ B- J9 n2 J0 z; I  a& N
当flag = FLAG_TO_APP 则加载App程序,否则执行升级程序。
& C  C- g; f4 B6 g, q在我的程序中通过串口来完成程序bin文件的传输,为了通信安全制定通信协议,串口接收分为两种:
4 K$ F6 I8 c1 y: x8 G1 ?1 Ca. 指令的接收,长度为16个字节,协议示例为5 a0 f( I  M9 }) t5 {
test[16] = {55, aa, 01, 指令长度,命令码,00,00,...00, 和校验位}
1 F* f' e+ A. U和校验位 = 0 - 前15字节的和,  Q" X! F0 L0 m. N' G, @8 @
b. 程序文件的接收,每包数据为(2048 + 6)个字节,示例为:" J6 L$ d9 x" O. I/ `; w7 e
test[2054] = {55, aa, 01, 包号,命令码,数据文件2048字节,和校验位}, R+ n- U/ R* u+ v$ q7 j0 m) R
       之所以设置以上的通信协议就是为了保证数据传输的正确性。
" M4 q7 w! F1 E. s8 A2 ~2 vBoot程序的主函数1 q* I$ p6 F" n, O7 l: w5 K
Boot程序的main函数里主要是读取标志位flag根据flag的值来决定是加载现有的App程序还是运行自身的升级程序,在自身运行时会定时给上位机软件发送BOOT准备完成的指令,告诉上位机我准备好了,并运行 ReceiveUsartData(); 根据串口中断里的标志信息来完成对指令和程序文件的接收。
# N' ?3 K+ M* s# q
  1. int main(void)
      H* H" f. ^/ E& X  j/ Z
  2. {
    ' C- E, j1 S! t1 L2 t8 J7 _
  3.   int flag = 3;
    4 i$ ]+ q" m, x- Q
  4.   int nCount = 0;$ p4 Y2 o1 Z* H, l, H* X
  5.   delay_init();  # B9 e# `" [( B3 g9 r1 P  H
  6.   uart_init(115200);
    / r; {$ U* V; V
  7.   LED_Init();
    , e! |/ X/ z4 @6 y, M- j: X0 I% i2 r
  8.   TIM3_Init(99, 719);  //10ms定时
    4 L9 x# p0 x0 D5 A0 b9 |# }! |7 f
  9.    flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG);  //读取标志位
    2 R$ ?8 @' g: m+ Q' [! X1 @6 z
  10.   while(1)( R( i' R) A6 Y7 z
  11.   {        
    ; w% D, y/ T. [0 n' B3 }
  12.     //FLASH_EraseAllPages();  //仅在擦除所有FLASH时打开
    ( c5 c2 M3 s+ t4 J
  13.     if(flag == FLAG_TO_APP)3 t# B7 Q6 ~* Z. Z# L' h' q% B2 f. Y
  14.     {
    : J. _9 ^7 {5 R
  15.         Iap_Load_App(FLASH_ADDR_APP);
    1 R: V3 H1 i- N+ y$ }" @: z" P3 {! Z
  16.     }        
    # u2 [( O: }. B# N+ o
  17.     else/ n) A( [' q# m  N/ h
  18.     {      
    : d1 G3 }% G; l$ R# X0 |' m
  19.          ReceiveUsartData();   //串口接收
    / M5 w( L1 V5 W) T- \; V& x: U$ v" ?
  20.         if(Flag10MS == 1)  6 }# \- l; M  S7 O  _) y) D" |
  21.         {         2 ]& X- |5 y( Y; s$ Z$ Y
  22.             Flag10MS = 0;
    $ R1 u$ E+ z3 v% I  u0 q1 U: z
  23.             nCount++;
    3 e5 ]4 G: b) E( Q4 q
  24.             if(nCount == 10)  //100ms
    % D" r! H: W- p& V# }0 u" \
  25.             {9 `4 g2 a/ [; G+ G  L
  26.                 nCount = 0;
    ; E% r/ u* L( @2 V+ c9 k
  27.                 USARTxSendRespondToServer(USART1, SERIAL_CODE_STM32_UPDATE_PREPAR_BOOT_OK); //不能发送过快否则会有脏数据2 V$ K8 k, }/ @: b! K
  28.                 LED0 = !LED0;
    2 S6 x9 y+ _! g, a! |% M
  29.             }                           9 b6 Z8 B. W/ @- j. V" l0 l6 S
  30.         }5 A$ M5 K# L: M6 m& F
  31.     }1 j: c4 l1 Z3 Z
  32.   }   
    / l! }9 A* r! X% J4 E$ W4 o8 Y$ O
  33. }
复制代码
串口初始化程序
+ C! R6 h+ ?$ O# P$ g# A( `  使用STM32的USART1,设置波特率为115200、8位数据长度、1个停止位、无校验位,        3 N+ Z6 a& Y. L, g, E! q9 q/ p& ]
  具体实现见源码的uart_init()函数。
; Z( G% M2 N! l8 s串口中断服务程序 void USART1_IRQHandler(void)
8 ?% Y5 [5 h+ b$ ?# J/ H& r在串口中断服务程序中主要是接收上位机升级软件发过来的数据,当UpdateFlag置1时为接收bin程序文件的数据,当UsartRxCodeCount        
8 R8 D) @& t/ B  的计数等于每包传输的总字节数USART_RECEIVE_CODE_DATA_SIZE时,置接收完成标志位UsartReceiveFlag = 1并且置NextPageFlag = 1
# Q* i9 b8 X8 d! M, D$ s  跳出中断去ReceiveUsartData()处理,把接收到的数据存储在FLASH的指定位置,不断循环直到文件全部接收完成。升级指令的接收方法; C4 C/ N. ~' @, d
  相同,详见代码。7 V: V- w; b$ d' s
  ( note:在中断服务函数里,尽量不要做其他的操作,只设定标志位,具体的操作去外面的函数执行。 )
) L& h7 T! Y+ _, ~6 S重新加载代码的程序( h; e; A2 r* F5 d4 _, H; ^
为了实现Boot和App程序之间跳转,则必须在升级完成之后重新加载新的程序文件,其中涉及到在C语言里内嵌汇编语言,代码如下:
9 _! I& t/ q" m' N. o4 Q, b" S
  1. void MSR_MSP(u32 addr)
    ! A. {& S6 N7 J6 @8 D8 p: ]
  2. {, `5 f. Z% Y7 W: ?. k
  3.     //asm("MSR MSP, r0");  //使用Keil内嵌汇编时使用这两句
    " s) T1 f# b7 E# Y! a. _' P) r
  4.     //asm("BX r14");
    " h% a5 q* q& [2 k( f
  5.   __ASM("msr msp, r0");  //set Main Stack value 将主堆栈地址保存到MSP寄存器(R13)中- V/ u/ r. H. J3 s+ U
  6.   __ASM("bx lr"); //跳转到lr中存放的地址处。bx是强制跳转指令 lr是连接寄存器,是STM32单片机的R14  v0 w! N, b+ L2 w2 U+ s) y1 q
  7. }
      Q* i8 d6 X" ?7 }6 X

  8. 9 t5 R3 L. H: i# q* [
  9. typedef  void (*IapFun)(void);                                //定义一个函数类型的参数
      e  s, n) S% v
  10. IapFun JumpToApp;
    $ b0 H9 ^( N( b+ X. s- W

  11. ) h' h. j2 [& o. `
  12. //跳转到应用程序 AppAddr:用户代码起始地址.
    ' ]3 m+ q% o. ^- E% v$ {
  13. void Iap_Load_App(u32 AppAddr)
    / h5 I) A2 u/ u! s7 b: T
  14. {. o, J. f7 |# P1 _! d. a
  15.         if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000)        //检查栈顶地址是否合法.: O& f( g7 t7 }6 P) v7 z  D1 s
  16.         {
    + @& j% w, T: d# v4 e4 V
  17.                 JumpToApp = (IapFun)*(vu32*)(AppAddr+4); //用户代码区第二个字为程序开始地址(新程序复位地址)               7 _1 G% N4 X4 M% V4 a- _
  18.                 MSR_MSP(*(vu32*)AppAddr);                 //初始化APP堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)$ z; ]1 s7 _& s3 o6 j
  19.                 JumpToApp();        //设置PC指针为新程序复位中断函数的地址,往下执行9 H" h4 i3 Y# n% g0 \5 c6 {
  20.         }
    . |  n2 g1 |& {% c; O2 u* B
  21. }
复制代码
首先 if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) 的作用是检查栈顶地址是否合法,(*(vu32*)AppAddr)是去除用户程序首地- R0 M' z& O: @
址里面的数据,而这个数据就是用户代码的堆栈地址,而堆栈地址指向RAM,RAM的起始地址是0x20000000,因此可以用上免得语句判断用
1 W' h5 ^/ f. `; z8 `户的堆栈地址是否合法。4 Z( L- I0 D6 |1 M
当判断栈顶地址合法之后取出新的复位中断函数的地址即(vu32*)(AppAddr+4),并把它赋值给函数指针JumpToApp,然后调用
- {; K- ?* Q6 V2 f7 rMSR_MSP()函数把主堆栈指针赋值给MSP寄存器,最后调用JumpToApp();来执行新的程序。
: k* u; E8 `& H% o9 {. I$ \$ [% B5 o   (这里涉及到函数指针的知识,一定要理解函数名本身就是该函数的入口地址,它的实质是一个地址。)
9 c! Q2 V6 Z2 C0 A9 H6 {" I! q4 f上面涉及到嵌入汇编的知识,可能讲解不是很透彻感兴趣的朋友可以参考《Cortex-M3 权威指南》获取更多的了解。
: ]* J" H6 S* X9 F中断向量表的设置和起始地址的设置(IAR软件), [6 E4 d! O3 T1 U6 I
  在IAR软件中设置程序的中断向量表和程序的入口地址的方法如下:3 q0 i/ x' K5 t- c/ L3 O
1. 打开工程,在工程名STM32_BOOT_v1.0上右键--Options# \. N  _: a! n( e0 w
% M" a: M! P- g; F# k5 N1 i

& d, D/ R* a7 q2. 选择Linker--Edit.+ x! z# t; ^0 N, C2 N: P: e
0 y2 x+ f; x5 b3 G- {5 L0 ]% P

$ f% t- O+ V1 u7 H! o3. 设置中断向量表的地址 Vector Table 和 Memory Regions的值
+ r) C$ `/ t1 W( _- m
5 n  d* {0 {' N6 _3 s! ~- g6. App程序的编写. Z* b/ h: i, k( Y( z
App程序相对简单,它主要包含两部分,一是程序要实现的主体功能(比如点亮LED),主要是你想让App做什么就实现什么;二是通过串口来查询升级指令,当收到升级的命令后要在FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 的地址处写入FLAG_TO_BOOT的标志位,并且调用 Iap_Load_App()l 加载运行BootLoader的程序来完成升级,详细请看源码。
% h) l% O! A: [* m对于App程序的要设置其中断向量表的偏移通过语句 SCB->VTOR = FLASH_BASE | FLASH_VTOR_OFFSET;来实现,FLASH_VTOR_OFFSET这个变量在程序中是 #define FLASH_VTOR_OFFSET  ((uint32_t) 0x10000 ) 因为我们的App程序存储地址是 0x08010000 相对于 0x08000000 来说偏移量即为 0x10000, 而且在程序编译时要设置 Vector Table 和 Memory Regions的值为 0x08010000+ |9 `: g7 u" ]% y# Z
/ _: x. d3 I) {4 j; }
7. bin文件的转换0 b9 `/ }- _8 W% Y+ K& e8 E
升级程序时编译出的程序文件最好选用bin格式的文件,因为bin文件比hex文件要小的多从而占用的FLASH更小,这是比较主观的优点,使用IAR软件编译时可以通过对软件的设置来输出bin格式的可执行文件,设置如下:
/ ^5 f( D: s3 ta. 打开工程的Options选项卡选择选择Output Converter
/ x% y. a' f; Q. e
/ M1 ^& o# B- Z' Y( R    b. 在Output format选项中选择 binary格式,同时把Override default输出文件的后缀改为.bin,这样在相应的工程目录下(我的是
) N7 k0 J% L3 m/ \# J/ t       STM32_App\Project\EWARM5\Debug\Exe) 路径下就可以找到编译输出的bin格式的可执行文件了。
1 u) r  f* V; t. {" s8. 上位机升级软件的简介- X  u8 K& H1 u' h2 C7 N' N4 P
   我的上位机升级软件是使用C++写的,具体编码不做介绍了,想了解的朋友可以参考源码。对话框界面如下:$ s$ @# O/ @" ?6 C7 L5 B

8 l! h+ ^6 }* \* h, [6 O& Y
5 H" G& Q9 o# B( n5 B
首先设置 端口号 和 波特率 ,然后连接串口,连接成功之后,点击“选择要升级的文件”来实现升级。3 u2 f. j! d& A/ i, K6 C. {

: `' o, V' t9 ~( X9 ^

3 s9 s+ w/ d+ ]0 |升级完成之后会提示“升级完成”。2 R  D( p8 M. M2 i

6 o4 a+ |/ }; [8 p

% d; U9 o# A: U6 E/ Q4 U9 X# j7 L0 y9 v8 }* g$ X
收藏 2 评论1 发布时间:2020-12-4 14:55

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1个回答
wfmjj 回答时间:2020-12-8 14:26:53
弱弱问一句上传的文件怎么看不到!
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