简介

本文主要讲解在线升级IAP的基础知识, 主要是针对IAP 从原理分析, 分区划分, 到代码编写和实验验证等过程阐述这一过程. 帮助大家加深对在线升级的认识.

1. 在线升级知识
4 x/ R; ~) R" J
什么是BootLoader?

BootLoader可以理解成是引导程序, 它的作用是启动正式的App应用程序. 换言之, BootLoader是一个程序, App也是一个程序,  BootLoader程序是用于启动App程序的.

STM32中的程序在哪儿?

正常情况下, 我们写的程序都是放在STM32片内Flash中(暂不考虑外扩Flash). 我们写的代码最终会变成二进制文件, 放进Flash中 感兴趣的话可以在Keil>>>Debug>>>Memory中查看, 右边Memory窗口存储的就是代码

3 n& ]8 t- V! v+ ~/ o

接下来就可以进入正题了.

进行分区

既然我们写的程序都会变成二进制文件存放到Flash中, 那么我们就可以进一步对我们程序进行分区. 我使用的是F103RB-NUCLEO开发板,他的Flash一共128页, 每页1K.见下图:

* B+ D1 I# U: D& u: C+ Z

! j& S/ M9 ?- x9 x5 [: T& _

以它为例, 我将它分为三个区.BootLoader区、 App1区、 App2区(备份区)具体划分如下图:

• BootLoader区存放启动代码
• App1区存放应用代码
• App2区存放暂存的升级代码
  
  ! a7 s! M- }) ~/ P: o

! p# F6 `6 V: \
总体流程图

• 先执行BootLoader程序, 先去检查APP2区有没有程序, 如果有就将App2区(备份区)的程序拷贝到App1区, 然后再跳转去执行App1的程序.
• 然后执行App1程序, 因为BootLoader和App1这两个程序的向量表不一样, 所以跳转到App1之后第一步是先去更改程序的向量表. 然后再去执行其他的应用程序.
• 在应用程序里面会加入程序升级的部分, 这部分主要工作是拿到升级程序, 然后将他们放到App2区(备份区), 以便下次启动的时候通过BootLoader更新App1的程序. 流程图如下图所示:
  
  

) {( I3 |# ~4 }, I9 W/ q! `' k
, z) x: S4 v' R, S9 F2. BootLoader的编写

本节主要讲解在线升级(OTA)的BooLoader的编写，我将以我例程的BootLoader为例, 讲解BootLoader(文末会提供免费的代码下载链接)，其他的大体上原理都差不多。

  o$ M) ]2 D9 H

流程图分析

以我例程的BootLoader为例：

我将App2区的最后一个字节(0x0801FFFC)用来表示App2区是否有升级程序, STM32在擦除之后Flash的数据存放的都是0xFFFFFFFF, 如果有, 我们将这个地址存放0xAAAAAAAA. 具体的流程图见下图所示

8 k6 Q  S  {) q( r  A: n- U' _1 D

, a$ T9 f# l) A$ S8 Z6 B) i程序编写和分析

所需STM32的资源有:

• 发送USART数据和printf重定向
• Flash的读写
• 程序跳转指令,可以参考如下代码:
  
  8 `( g* q* D. z9 \% e: c8 |

1. 1/* 采用汇编设置栈的值 */
   ( k% y' r0 \; S/ I" X7 S
2. 2__asm void MSR_MSP (uint32_t ulAddr)
   
3. 3{
   + Q7 K& Y1 y/ y; u) ~
4. 4    MSR MSP, r0   //设置Main Stack的值
   3 N1 n5 Z+ g- L% @/ l1 u; H- }* R4 H, ]
5. 5    BX r14
   
6. 6}
   % w2 W- _- }5 {
7. 7
   : x6 z/ s4 [- ^- o2 w0 @
8. 8
   
9. 9/* 程序跳转函数 */
   
10. 10typedef void (*Jump_Fun)(void);
    
11. 11void IAP_ExecuteApp (uint32_t App_Addr)
    
12. 12{
    
13. 13  Jump_Fun JumpToApp;
    
14. 14
    
15. 15  if ( ( ( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr ) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000 )  //检查栈顶地址是否合法.
    / b  }5 ]4 l6 B
16. 16  {
    6 J, I9 K' K; M3 b: z' f
17. 17    JumpToApp = (Jump_Fun) * ( __IO uint32_t *)(App_Addr + 4);  //用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)
    
18. 18    MSR_MSP( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr );                  //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)
    - z4 V: {! P6 {
19. 19    JumpToApp();                                                //跳转到APP.
    : l& Y* |- b; N7 y
20. 20  }
    $ d. \: f$ R+ h( O4 q
21. 21}

复制代码

; V% R9 `8 z) }3 j/ }2 T

• 在需要跳转的地方执行这个函数就可以了IAP_ExecuteApp(Application_1_Addr);
• 其他的代码请参考BootLoader源代码
  
  7 y0 J4 L  T; y6 w) ]

3. APP的编写

本节主要讲解在线升级(OTA)的App1的编写以及整个流程的说明，我将以我例程的App为例, 采用Ymodem协议进行串口传输,讲解App的编写(后面会提供免费的代码下载链接), 其他的协议原理大体上都差不多, 都是通过某种协议拿到升级的代码。

5 C; P# x0 K/ Z

流程图分析

以我例程的App1为例：

• 先修改向量表, 因为本程序是由BootLoader跳转过来的, 不修改向量表后面会出现问题；
• 打印版本信息, 方便查看不同的App版本；
• 本例程的升级程序采用串口的Ymoderm协议进行传输bin文件. 具体的流程图见下图所示：
  
  

' |/ ~2 g' i/ a' k. N/ Q程序编写和分析

所需STM32的资源有:

• 发送USART数据和printf重定向
• Flash的读写
• 串口的DMA收发
• YModem协议相关
  
  

Ymodem协议

• 百度百科[Ymodem协议]
• 具体流程可自行查找相关文档, 这儿提供一个我找到的 XYmodem.pdf(文末和源码一起提供).
• Ymodem协议相关介绍可参考我的这篇教程 YModem介绍
  
  

! p4 ~( j& O. S0 E代码分析

• 代码大多数都是通过串口实现Ymodem协议的接收, 这儿就不详细说明
• 后面放了我的源代码, 详情请参考我的源代码.
• 主函数添加修改向量表的指令
  5 [9 q& i& u& x3 E1 U: v' i

+ D: z  g0 ~9 S6 Z. a

• 打印版本信息以及跳转指令
  . H+ {( c$ x$ P3 w; C$ o

4 G* n; ~0 H7 [  K( Y# A+ K. ^0 r

• YModem相关的文件接收部分
  9 t$ `2 R4 v. F4 Z+ ]

1. 1/**
   ) Z" x( s. C7 o$ [4 E
2. 2 * @bieaf YModem升级
   
3. 3 *
   2 N5 l. x2 X5 }: a: D2 @0 T2 A) ?
4. 4 * @param none
   
5. 5 * @return none
   
6. 6 */
   & k% \, V$ m& N6 A' d0 s- N5 y8 `
7. 7void ymodem_fun(void)
   
8. 8{
   8 o- i) e) R/ v
9. 9    int i;
   ( f" A( |( p$ d8 Y, c8 Q
10. 10    if(Get_state()==TO_START)
    
11. 11    {
    
12. 12        send_command(CCC);
    
13. 13        HAL_Delay(1000);
    ' z! {8 r- j+ v0 f
14. 14    }
    
15. 15    if(Rx_Flag)     // Receive flag
    
16. 16    {
    / D* G# Q+ g1 `  O; t% q+ L2 f+ a
17. 17        Rx_Flag=0;  // clean flag
    * [# A: w+ X5 a! X% g" ^* s( B0 _: P' o
18. 18
    ! v# n2 w) `- j: V  q7 F+ {
19. 19        /* 拷贝 */
    
20. 20        temp_len = Rx_Len;
    
21. 21        for(i = 0; i < temp_len; i++)
    0 Y% }5 f# O; X# L! h' I: i
22. 22        {
    
23. 23            temp_buf[i] = Rx_Buf[i];
    
24. 24        }
    & M- c; T/ J; e8 E  s/ K
25. 25
    
26. 26        switch(temp_buf[0])
    8 o0 v7 i/ d+ ^( o
27. 27        {
    
28. 28            case SOH:///<数据包开始
    / H( G+ H$ q9 V3 K& ?* f- N
29. 29            {
    ( Z3 q5 Y9 |. |+ X, O+ K
30. 30                static unsigned char data_state = 0;
    
31. 31                static unsigned int app2_size = 0;
    
32. 32                if(Check_CRC(temp_buf, temp_len)==1)///< 通过CRC16校验
    
33. 33                {                  
    
34. 34                    if((Get_state()==TO_START)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 开始
    
35. 35                    {
    2 Y8 Q/ O5 F, e' w8 {0 ]
36. 36                        printf("> Receive start...\r\n");
    
37. 37
    
38. 38                        Set_state(TO_RECEIVE_DATA);
    6 B7 _; ?: V6 K& h$ @
39. 39                        data_state = 0x01;                     
    
40. 40                        send_command(ACK);
    ; g3 \  H1 c. L+ ~
41. 41                        send_command(CCC);
    7 f2 @1 o- a% v: Q9 {# f
42. 42
    
43. 43                        /* 擦除App2 */                           
    2 T) G1 B8 P% a1 ?" R
44. 44                        Erase_page(Application_2_Addr, 40);
    & e( [8 \& A3 ~0 |% T
45. 45                    }
    + b6 F7 p8 g+ y. w  Z. C
46. 46                    else if((Get_state()==TO_RECEIVE_END)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 结束
    4 P' s( o/ Q: v$ s
47. 47                    {
    
48. 48                        printf("> Receive end...\r\n");
    
49. 49
    
50. 50                        Set_Update_Down();                     
    
51. 51                        Set_state(TO_START);
    
52. 52                        send_command(ACK);
    
53. 53                        HAL_NVIC_SystemReset();
    
54. 54                    }                  
    1 I" t: G% G0 N
55. 55                    else if((Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)&&(temp_buf[1] == data_state)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 接收数据
    
56. 56                    {
    
57. 57                        printf("> Receive data bag:%d byte\r\n",data_state * 128);
    
58. 58
    
59. 59                        /* 烧录程序 */
    6 O0 H4 c3 Y$ q' H) z# Y) c! u
60. 60                        WriteFlash((Application_2_Addr + (data_state-1) * 128), (uint32_t *)(&temp_buf[3]), 32);
    
61. 61                        data_state++;
    * ]5 n1 R& u: ^& R' x
62. 62
    
63. 63                        send_command(ACK);      
    % u8 O. p2 v! [
64. 64                    }
    & z% _' Y3 p3 |' q1 t
65. 65                }
    1 u: L/ U( v. ?$ n
66. 66                else
    
67. 67                {
    # g( @, P" i2 l+ P1 ]& _
68. 68                    printf("> Notpass crc\r\n");
    ; p. y& g4 h7 q9 v' `7 a6 \
69. 69                }
    
70. 70
    $ Z* [& g( S/ r/ I8 d, @# R! O
71. 71            }break;
    
72. 72            case EOT://数据包开始
    5 u5 T( ]/ @3 w- p! w
73. 73            {
    
74. 74                if(Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)
    7 K& ^: _5 h% x8 Q; s
75. 75                {
    
76. 76                    printf("> Receive EOT1...\r\n");
    
77. 77
    ; g) I; J6 R, j0 h; f
78. 78                    Set_state(TO_RECEIVE_EOT2);                 
    
79. 79                    send_command(NACK);
    ; I# R1 @* @7 o" A; ]0 ]
80. 80                }
    2 i/ z: d" f, S4 T8 i* a% [- H  e
81. 81                else if(Get_state()==TO_RECEIVE_EOT2)
    
82. 82                {
    
83. 83                    printf("> Receive EOT2...\r\n");
    ; {/ E2 d) H5 {3 G$ t
84. 84
    
85. 85                    Set_state(TO_RECEIVE_END);                  
    * z! Z) W% ]4 j+ F& h0 P
86. 86                    send_command(ACK);
    ; J( L3 a5 D" i" P! n
87. 87                    send_command(CCC);
    ; |* G& i; x5 h/ J1 M/ o& B
88. 88                }
    
89. 89                else
    
90. 90                {
    . P5 k" W5 N5 Z
91. 91                    printf("> Receive EOT, But error...\r\n");
    
92. 92                }
    
93. 93            }break;
    & U0 R; Z' y# E' _
94. 94        }
    
95. 95    }
    
96. 96}

复制代码

3 r+ r, D, U5 F+ u0 R- e/ w
+ o' u+ p* O8 c+ t/ p

• 其中部分函数未在以上代码中展现, 详情请参看文末给出的源码链接.
  ( S7 b6 ^5 s. n7 h; W9 E1 |

$ O/ a* x# d7 q3 n) T$ D/ z
4. 整体测试
" d! v2 n- ?7 C8 v$ |8 q本节主要对前三节的教程做测试验证 BootLoader + App的升级功能。
; m+ S- \: [: c5 N% c: s# P3 d) z! A

源代码
BootLoader源代码和App1源代码可以在原作者的gitee获取：

• 由下图可知两份代码的下载区域是不一样的，所以他们「下载的区域也不一样」。
  

( ?- r3 m& @9 Z

* Q7 e( E3 l% d# nBootLoader的下载

• BootLoader的代码默认是最开始的所以不需要特别设置代码的下载位置
• 按照下图, 修改擦除方式为Erase Sectors, 大小限制在0X5000(20K)
  ( o) L1 f1 N8 ]1 D1 h. Y/ |

• 烧录代码
• 运行, 通过串口1打印输出, 会看到以下打印消息
• 说明BootLoader已经成功运行
  " g( I3 p9 a3 L- R7 o

App1的下载

• App1稍微复杂一点, 需要将代码的起始位置设置为0x08005000
• 同时也要修改擦除方式为Erase Sectors, 见下图
  

2 d" s4 ^& q5 n7 r" {5 D1 ~3 J

! i: y+ ?1 ?) T2 {

+ m' c( g7 M( `* E: q& f

• 烧录代码
• 运行, 通过串口1打印输出, 会看到以下打印消息
• 说明BootLoader已经成功跳转到版本号为0.0.1的App1
  

生成App2的.bin文件

• Keil如何生成.bin文件, 请参考这篇博文 Keil如何生成.bin文件
  

https://blog.csdn.net/weixin_41294615/article/details/104656577

• 修改代码, 把版本号改为0.0.2, 并且编译并且生成.bin文件
• 生成好之后你会得到一个.bin结尾的文件, 这就是我们待会儿YModem要传输的文件
  1 l1 P5 j+ V2 D/ n

2 f& L: S: [4 `8 G0 M0 ?+ r

使用Xshell进行文件传输

• 打开Xshell
• 代码中, 串口1进行调试信息的打印, 串口2进行YModem升级的
• 所以使用Xshell打开串口2进行文件传输, 串口1则可以通过串口调试助手查看调试消息
• 你会看到App的版本成功升级到0.0.2了.
• 如果你到了这一步.
• 那么恭喜你! 你已经能够使用在线升级了!
  1 a+ L3 l) a" r+ b

  q4 X% e& w6 o" q
5. 总结
通过本几节的教程, 想必你已经会使用在线升级了, 只要原理知道了其他的问题都可以迎刃而解了, 除了使用YModem协议传输.bin文件, 你还可以通过蓝牙, WIFI,等其他协议传输, 只要能够将.bin文件传输过去, 那其他的部分原理都差不多。
( |; o  J8 K% Q9 g2 ?
3 h6 b6 Q2 N5 P7 [+ U, ^& p
& s, O& `3 h' v. {
转载自： ARM与嵌入式
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  h& V  I. _% G; k
6 Z% S, t9 w* \* T, R