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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
' j& x9 d7 X) i5 K' [5 I

* k" |  l+ U3 M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. X- G9 G' I, d6 l& w; j
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。
4 k+ J8 m- N1 H7 x6 x
( K9 C1 Z  A* `* i* }, `

0 `0 n! o) F5 n/ T& ~最终要实现的是:
, k) N* p6 I5 i( r# }; ]1 `( q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。
' x' j& z$ b- p( @( N8 |9 ?6 i# y. @0 I' N& o% i; Q; R
) j- T1 Y$ o2 l
帖子包含如下几个方面:1 I* G1 \* e/ e' x: L) w$ d
1. 什么是IAP?
$ h! A" ~" r! {5 q+ q! N) k2. STM32的启动模式?
- w  z& g8 l4 X4 i3. STM32的FLASH分布?
; C7 b9 D7 j; g# ^9 d. `6 f; O9 x( K4. STM32程序的运行过程?
5 q- ~2 e- V3 Q3 M5. BootLoader程序的编写(如何实现程序的动态加载)?. A+ g2 _  a7 |
6. App程序的编写?8 d; c6 p2 Q, k' I% Q
7. bin文件的转换?
. g! n( m# Q. f: T( Q: P& {$ c8. 上位机串口升级软件的简介
+ {- ?' J' N' y-------------------------------------------------------------------------------------------------
6 L& m2 d3 @2 U( h7 G1. 什么是IAP?
3 G9 I  M* H4 t  }0 O0 A) i" s  VIAP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。
9 F# E2 U' Z4 j; r0 l: B2. STM32的启动模式
! J/ ]  y+ J# Z% A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:
& A: c1 R* a  F0 `; \3 W- O( j$ dSTM32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。  W9 \( I' {8 p; t

& T8 Q3 ?2 M  ]$ t6 c5 k. t
4 x( i9 a$ f! L4 H- H
note: 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。
3 G7 w6 y' d2 q) b( q6 z/ m3.  STM32 FLASH的分布$ B6 i+ f5 @. s' N8 I0 P4 y( ]
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        4 E& z# i. k: b  j9 s; J/ ~
FLASH的分布如下图:主存储块的地址是从0x08000000到0x0803FFFF共256K
" s3 L9 |/ D* L# ]. x4 n' p, |
5 r0 B& F7 O0 J3 F5 u+ B
0 k! a2 {! W) g! ^! z+ q
+ c  H5 ^4 ]. d$ r  l
1 f0 A8 f9 E- s' F* E! 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        
7 t: d) x3 A3 F# u5 C7 s9 ^2 u4 G  R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:3 C  J# f. F) l7 ]  S  G
% }7 @8 w' B, i  [9 X) ?  e( U9 Z+ J

4 O" O) g0 h. o2 h2 ^, j4. STM32程序的运行过程5 J" i2 v  J+ 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。: j6 T; E7 g) }$ T3 _  @! f: a# l" ~8 \

8 F' H, s1 v" E) T2 e1 Y$ i

$ M( N2 Q5 o1 H$ R如上图所示STM32的正常启动流程是:
) k0 W$ H- J; ka. 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;
# Z; }) Q  B( B" M2 {, bb. 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;& Q' m8 j5 F/ N
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;2 h0 k( Z1 a' i. P; {
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;$ m! Y8 B5 |  H8 u& P
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。) M5 f; i( ]$ E7 N0 ?
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:
9 N6 F) C% n3 t+ w9 S
& R# D( ~- Z: }1 g" S
9 \. A5 B1 s1 ?/ _) u+ A. `  B+ ~9 O
加入IAP后程序运行如下:! Y7 @9 U# w) I& y. H
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;
" A: p# b) ?4 K5 J2 _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;
+ l9 ?! E/ ?  i# K; n7 r( d- o, ?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        
, |8 K. P8 C+ W% Y7 b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
# ?* m2 f& v. p$ z- [7 e至新程序的 main 函数,如标号3、4所示;
. z; ~& H! I( U& U8 c# yd. 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+ d& J, f4 O. J5 A
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;. o4 I1 M, c# W4 U0 I
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;: B+ G) h# g/ Z2 V( N! d
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。" m& o) R1 p# C& _& j
note:
. h, }; b8 u3 N; I, r% E4 E! ^6 o; M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
5 A& E9 I( C# ~  x0 c, ~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)。1 D. A1 l% {/ z' [! D3 a8 n/ A

: l9 x" u' i2 _* C! B
, C  ~  a4 f7 W, c' ~
5. BootLoader程序的编写0 d1 C8 [6 z* a2 O, V* N8 j( \( t
   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( x3 H4 R; s# S+ x  q
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。& f# ~+ M) |* i* Q4 N) U
flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); (FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 是0x08030000的地址)
8 k+ b$ e1 ]: J5 S当flag = FLAG_TO_APP 则加载App程序,否则执行升级程序。# d" W- d; I1 G" r9 f* l
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:; i. ?: y' A' ~( D8 ~+ `5 ?
a. 指令的接收,长度为16个字节,协议示例为
- t2 i* D2 A6 ~5 m- S7 Q# stest[16] = {55, aa, 01, 指令长度,命令码,00,00,...00, 和校验位}
" v4 Z: D( x/ d% t. O和校验位 = 0 - 前15字节的和,
+ R- Z1 G+ V6 ~b. 程序文件的接收,每包数据为(2048 + 6)个字节,示例为:
/ K8 N4 ]' n, o  Qtest[2054] = {55, aa, 01, 包号,命令码,数据文件2048字节,和校验位}
  ^( h6 ], l! z! }2 ?       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。* y6 g5 X# \: k$ @' R' `( v
Boot程序的主函数2 V5 k6 Z% ]& }$ X0 h
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。
* `3 C% @" _/ x4 p8 G0 L
  1. int main(void)
    6 v! j2 j9 f0 f  H5 Q) [1 Y  _
  2. {8 y( x  W# i9 ^4 f0 N  \
  3.   int flag = 3;( U! d2 A% S$ N* b: j0 v
  4.   int nCount = 0;
    + f- e2 Y3 h/ k- z6 j& p
  5.   delay_init();  5 ?( W+ `5 Y# Q/ f
  6.   uart_init(115200);
    0 g/ M; x. s  q8 y1 |9 m
  7.   LED_Init();
    , K9 O+ B# Y' p; G: d  I
  8.   TIM3_Init(99, 719);  //10ms定时& X$ _; {# d0 O( M$ |$ K8 C
  9.    flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG);  //读取标志位9 Z3 r5 G& t# x7 d; U
  10.   while(1)+ U3 W' _4 l/ t* _
  11.   {        , @, G# @) I2 t: |5 U* j% s7 c  [$ x
  12.     //FLASH_EraseAllPages();  //仅在擦除所有FLASH时打开
    % K' u  [2 E3 w* F+ j) f: _
  13.     if(flag == FLAG_TO_APP)3 u! g1 d" J' k  L& W6 U
  14.     {
    * l4 _' j3 ]+ l) m0 S, Y6 g9 `: u
  15.         Iap_Load_App(FLASH_ADDR_APP);
    8 |. [* y! @  _  ^5 p# o
  16.     }        ; `$ F6 x9 e. a4 I% T
  17.     else  _1 l% G8 p: T* U2 |
  18.     {      
    ; q+ I" @# T4 q) j4 C
  19.          ReceiveUsartData();   //串口接收  L& n3 a/ W1 p- j( [  O5 X; \  o
  20.         if(Flag10MS == 1)  
    ; p# d) K2 v' h" G% S& r3 N' y8 F0 B
  21.         {         
    " h% h+ ]: R" I) [
  22.             Flag10MS = 0;0 n1 h+ g2 ^% [3 R
  23.             nCount++;
    1 n1 }" i' Z6 s4 y. I0 M
  24.             if(nCount == 10)  //100ms
      j6 e2 Y* j( p+ l; w
  25.             {
      O; c: E$ ^) g6 K( P- S
  26.                 nCount = 0;
    - t7 N: q; R$ I' q" r7 x
  27.                 USARTxSendRespondToServer(USART1, SERIAL_CODE_STM32_UPDATE_PREPAR_BOOT_OK); //不能发送过快否则会有脏数据* o( A5 y8 u* d
  28.                 LED0 = !LED0;
    & p/ N5 Z$ [5 e0 U) _' ?( ^* H: M
  29.             }                           ! x$ l/ n. J' o$ l: z9 ~
  30.         }
    * `+ ]6 C7 k6 S3 \4 }6 E+ y) v
  31.     }" p) W8 b; P( \1 |. v  l
  32.   }   2 ^6 d+ y, [4 @$ }7 Z1 @: I4 T
  33. }
复制代码
串口初始化程序
7 y8 b9 Y+ f1 f0 A" Y0 b  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,        
8 Q, s) Z; U  [, M9 J  具体实现见源码的uart_init()函数。5 ~" D" J1 }3 N7 l
串口中断服务程序 void USART1_IRQHandler(void)$ I$ u# c% a; i" S- O7 Q- v- g% ~2 ]7 O
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        
# h; K8 L* O% d  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
- x, |# g5 l2 F9 [+ t$ E3 C  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2 v+ r7 w$ L$ [$ d
  相同,详见代码。" B5 F) ?: A5 U6 D( `* v( ]* Z
  ( 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。 )
+ ~# |* |3 W9 B$ W重新加载代码的程序6 B4 ~, D. ^3 x/ c& ~
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:
. \. v" t% ?" a5 X
  1. void MSR_MSP(u32 addr)
    4 ]0 j6 [$ ]- O
  2. {
    1 L! L) O4 x2 F1 l; _( ]
  3.     //asm("MSR MSP, r0");  //使用Keil内嵌汇编时使用这两句
    4 q% q- c. G* n; N" x: t. o
  4.     //asm("BX r14");4 P7 {8 v' P) {
  5.   __ASM("msr msp, r0");  //set Main Stack value 将主堆栈地址保存到MSP寄存器(R13)中
    & X9 T8 u: ]+ O1 [
  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$ F9 Y' V; p8 X1 |( `
  7. }
    " d0 L  e( \% O3 }+ H
  8. % B, D9 v( |7 s( t% t
  9. typedef  void (*IapFun)(void);                                //定义一个函数类型的参数! K$ O# d0 @1 A6 {. X5 i, H  l
  10. IapFun JumpToApp;8 W9 X6 o" \- N: g

  11. 6 m+ i5 v+ m" J2 J
  12. //跳转到应用程序 AppAddr:用户代码起始地址.1 Z9 e; H# A. G( q3 y) j9 V
  13. void Iap_Load_App(u32 AppAddr)" S9 [6 Y, f9 q" `# e- g
  14. {7 t& q( @& v* a$ X
  15.         if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000)        //检查栈顶地址是否合法.
    . v  V; d5 \9 H4 A
  16.         {
    8 [8 _' u2 q$ o: `$ o% S& g2 i
  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)               
    9 u3 H. ^) ^! v) f) V
  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)
    0 n6 v. s1 C/ x' p; L6 d
  19.                 JumpToApp();        //设置PC指针为新程序复位中断函数的地址,往下执行
    - `- E0 t8 H# w2 ~3 k
  20.         }. w, R2 G" h3 }
  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
, p1 Z: x# S% q8 z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$ C9 d7 W- I  n2 y  d
户的堆栈地址是否合法。
9 ]5 Z/ t: n. A- L. P- ^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
# r  G. ^) r" H6 I( r6 }, N, }MSR_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。+ x, d* j+ j7 i5 P! ~5 m
   (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。)+ Y  b# ~. y* 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。: S9 M+ A. {7 L3 `& J6 [
中断向量表的设置和起始地址的设置(IAR软件)
8 n* Y3 N0 l5 k9 O6 W( p/ @  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:
4 c% f& f0 L/ i2 k0 g) `1. 打开工程,在工程名STM32_BOOT_v1.0上右键--Options5 h+ U8 P; R+ C1 ]8 Y- g
. u: i  v' Y$ j* `) q! L0 p6 U) K4 i; n

( c* T2 E+ O' i4 ^, [: \2. 选择Linker--Edit.1 a7 h2 P$ c3 h# ~9 @

+ e+ y9 x& o" f+ v, O/ d- K

2 l- o/ L, _/ L; |  Z1 E+ g3. 设置中断向量表的地址 Vector Table 和 Memory Regions的值. X, E$ b/ N' q7 s3 N

' A4 y; E% i& M/ I6. App程序的编写: Q' u0 k0 r( L' s9 Q* }' B
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。
# N7 d8 s; s( f& u/ H# q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
0 @- C: S0 M) t  b: M
+ R: C' h7 }+ x! U9 B7. bin文件的转换* w2 B( H; }/ r' P: b3 |( O
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:" m# ^' i1 V  N$ c
a. 打开工程的Options选项卡选择选择Output Converter: K8 @8 y8 l' [
" d( A' \* Z+ f  B! [$ z9 Y2 N! m% E
    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
" l& \; b. y# H$ e$ }       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。9 C, J6 W( ?% ~* e1 }( w, ]* r
8. 上位机升级软件的简介, }* h) h1 O5 {. {7 `$ R
   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:. f& k. o: p7 _* A' D, Q+ n5 j+ q

9 ?) U5 U& B$ v. `

; W& {8 z9 f5 |' `. k5 p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。
' N  A/ n6 q  o3 F1 g3 @
& ~5 }' X/ I' w" h* g6 b1 ~) j( g
  I  y& S0 t4 C  V
升级完成之后会提示“升级完成”。
- `$ c4 O* O% z2 O2 J, i. k7 |+ q0 o. H8 k  ]. _! J( o9 y7 _; a
+ v2 y" \1 A( H% C/ S" r3 V

. D" H8 x2 G) Z4 D2 b
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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