基于STM32之IAP功能实现

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攻城狮Melo 发布时间：2023-3-26 18:50

技术帖
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文章简介:	基于STM32之IAP功能实现

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
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。

最终要实现的是：
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。

帖子包含如下几个方面：
1. 什么是IAP?
2. STM32的启动模式？
3. STM32的FLASH分布？
4. STM32程序的运行过程？
5. BootLoader程序的编写（如何实现程序的动态加载）？
6. App程序的编写？
7. bin文件的转换？
8. 上位机串口升级软件的简介
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1. 什么是IAP？
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。
2. STM32的启动模式
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：
STM32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。

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. STM32 FLASH的分布
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
FLASH的分布如下图：主存储块的地址是从0x08000000到0x0803FFFF共256K

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
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：

4. STM32程序的运行过程
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。

如上图所示STM32的正常启动流程是：
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；
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；
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. 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；
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。
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：

加入IAP后程序运行如下：
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；
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；
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
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
至新程序的 main 函数，如标号3、4所示；
d. 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
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；
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；
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。
note:
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
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）。

5. BootLoader程序的编写
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
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。
flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); （FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 是0x08030000的地址）
当flag = FLAG_TO_APP 则加载App程序，否则执行升级程序。
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：
a. 指令的接收，长度为16个字节，协议示例为
test[16] = {55, aa, 01, 指令长度，命令码，00,00，...00, 和校验位}
和校验位 = 0 - 前15字节的和，
b. 程序文件的接收，每包数据为(2048 + 6)个字节，示例为：
test[2054] = {55, aa, 01, 包号，命令码，数据文件2048字节，和校验位}
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。

Boot程序的主函数
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。

int main(void)7 @0 f9 Q* h1 A. A f/ I
{; z* }& e( z) z% [+ M4 v* K$ I
int flag = 3;0 [3 m5 {$ [/ ?" M8 G
int nCount = 0;* d9 b: B- s$ w7 ]2 E* O
delay_init(); ( e, u! s. O% x: Y. _
uart_init(115200);
% @ s$ V2 L- |; B) O
LED_Init();5 Y8 w+ i! J7 U" B9 e
TIM3_Init(99, 719); //10ms定时7 h2 ?6 \$ ?) c; I
flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); //读取标志位
+ k5 b. o2 W! S/ M9 Q9 W5 v
while(1)( G ~+ \ s; s; i1 h
{
$ L; k' \5 J' C/ d$ ~
//FLASH_EraseAllPages(); //仅在擦除所有FLASH时打开
1 c. N+ @# t" }# i4 Y
if(flag == FLAG_TO_APP)
. y- d( R7 [8 Y4 b/ n. p9 `
{8 U4 `7 D) [# E' ~8 {
Iap_Load_App(FLASH_ADDR_APP);/ d$ G! I( L/ w6 P" s3 q1 v% j
}
( Q( F6 h' z0 D, o l0 {' F* X
else
' x# N0 T7 C' r. H/ ~. L; b& l5 X
{ & W2 n5 A% I* |
ReceiveUsartData(); //串口接收
n# m9 j8 ?, l8 ^9 ^4 _
if(Flag10MS == 1) ; L' h% M* D" Y2 t
{ 2 E! F7 I2 f2 v- o4 C/ ?
Flag10MS = 0;
1 w' f6 a) h; ^5 @
nCount++;
/ U* c+ j5 F+ j' x
if(nCount == 10) //100ms
$ B2 B/ `- w# w) p& M7 K
{7 C8 q4 w+ C/ Q6 |& H4 [" h2 p
nCount = 0;3 r5 i& w& V9 ~. |, ^8 e
USARTxSendRespondToServer(USART1, SERIAL_CODE_STM32_UPDATE_PREPAR_BOOT_OK); //不能发送过快否则会有脏数据
2 g4 [& |, Q1 R8 t
LED0 = !LED0;) n( w- T9 P8 _; j
} 9 y9 v3 ~( A% k" n
}' T3 b, a1 s# h: z) l
}& u# `4 a X. g5 P4 S; S
} 9 A6 p0 t/ d: i) l5 m, e
}

复制代码

串口初始化程序
  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，
  具体实现见源码的uart_init()函数。

串口中断服务程序 void USART1_IRQHandler(void)
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
  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
  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
  相同，详见代码。
  （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。）

重新加载代码的程序
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：

void MSR_MSP(u32 addr); @1 q1 p0 v7 K3 o1 j
{
! [/ O+ Z* l: y% q# V9 |
//asm("MSR MSP, r0"); //使用Keil内嵌汇编时使用这两句7 v; j- A/ v J9 r% O+ T
//asm("BX r14");& \7 |) F# x) `; T7 K0 `0 r
__ASM("msr msp, r0"); //set Main Stack value 将主堆栈地址保存到MSP寄存器(R13)中# s# q( @8 C4 F1 {6 Y9 _
__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
# i$ r( q* l1 t" ~* Z5 A. R* Q
}
* R9 A& }! F: S4 v- V
% D1 c+ a- Y: q1 k8 q/ L8 i
( _3 s$ ?' V A! E8 m$ m
typedef void (*IapFun)(void); //定义一个函数类型的参数1 S& _( F% A# H
IapFun JumpToApp;
' H: p& R: {: @3 H& w: U
7 W$ ?! V, }6 ~+ B
6 _5 c& Z4 m: n2 R
//跳转到应用程序 AppAddr:用户代码起始地址.
' @& g3 D a: G' i( l: J
void Iap_Load_App(u32 AppAddr)8 m2 Q% _2 q1 n" Z D# a( }2 J* S# `
{2 }, ]. g% Q& L" R9 {
if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) //检查栈顶地址是否合法.
# w; O7 l% [" N* h0 N& [+ w
{% g* W5 ^3 I5 ^9 Q: I
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) 0 p. r. E( A- `0 A H4 A7 s
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)5 _" c, H0 T% V0 N* s
JumpToApp(); //设置PC指针为新程序复位中断函数的地址，往下执行( |4 E& R" `! n) E
}
3 |& N' [! |2 H4 D) ?" x5 X
}

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
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
户的堆栈地址是否合法。
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
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。
（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。）
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。

中断向量表的设置和起始地址的设置（IAR软件）
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：
1. 打开工程，在工程名STM32_BOOT_v1.0上右键--Options

2. 选择Linker--Edit.

3. 设置中断向量表的地址Vector Table 和 Memory Regions的值

6. App程序的编写
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。
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

7. bin文件的转换
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：
a. 打开工程的Options选项卡选择选择Output Converter

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
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。

8. 上位机升级软件的简介
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：