STM32F103實現(xiàn)IAP在線升級應(yīng)用程序

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一、環(huán)境介紹

MCU: STM32F103ZET6

編程IDE: Keil5.25

二、 IAP介紹

IAP，全稱是“In-Application Programming”，中文解釋為“在程序中編程”。IAP是一種對通過微控制器的對外接口（如USART，IIC，CAN，USB，以太網(wǎng)接口甚至是無線射頻通道）對正在運行程序的微控制器進行內(nèi)部程序的更新的技術(shù)（注意這完全有別于ICP或者ISP技術(shù)）。

ICP（In-Circuit Programming）技術(shù)即通過在線仿真器對單片機進行程序燒寫，而ISP技術(shù)則是通過單片機內(nèi)置的bootloader程序引導的燒寫技術(shù)。無論是ICP技術(shù)還是ISP技術(shù)，都需要有機械性的操作如連接下載線，設(shè)置跳線帽等。若產(chǎn)品的電路板已經(jīng)層層密封在外殼中，要對其進行程序更新無疑困難重重，若產(chǎn)品安裝于狹窄空間等難以觸及的地方，更是一場災(zāi)難。但若進引入了IAP技術(shù)，則完全可以避免上述尷尬情況，而且若使用遠距離或無線的數(shù)據(jù)傳輸方案，甚至可以實現(xiàn)遠程編程和無線編程。這絕對是ICP或ISP技術(shù)無法做到的。某種微控制器支持IAP技術(shù)的首要前提是其必須是基于可重復(fù)編程閃存的微控制器。STM32微控制器帶有可編程的內(nèi)置閃存，同時STM32擁有在數(shù)量上和種類上都非常豐富的外設(shè)通信接口，因此在STM32上實現(xiàn)IAP技術(shù)是完全可行的。

實現(xiàn)IAP技術(shù)的核心是一段預(yù)先燒寫在單片機內(nèi)部的IAP程序。這段程序主要負責與外部的上位機軟件進行握手同步，然后將通過外設(shè)通信接口將來自于上位機軟件的程序數(shù)據(jù)接收后寫入單片機內(nèi)部指定的閃存區(qū)域，然后再跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新寫入的程序，最終就達到了程序更新的目的。

在STM32微控制器上實現(xiàn)IAP程序之前首先要回顧一下STM32的內(nèi)部閃存組織架構(gòu)和其啟動過程。STM32的內(nèi)部閃存地址起始于0x8000000，一般情況下，程序文件就從此地址開始寫入。此外STM32是基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)部通過一張“中斷向量表”來響應(yīng)中斷，程序啟動后，將首先從“中斷向量表”取出復(fù)位中斷向量執(zhí)行復(fù)位中斷程序完成啟動。而這張“中斷向量表”的起始地址是0x8000004，當中斷來臨，STM32的內(nèi)部硬件機制亦會自動將PC指針定位到“中斷向量表”處，并根據(jù)中斷源取出對應(yīng)的中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序。最后還需要知道關(guān)鍵的一點，通過修改STM32工程的鏈接腳本可以修改程序文件寫入閃存的起始地址。

在STM32微控制器上實現(xiàn)IAP方案，除了常規(guī)的串口接收數(shù)據(jù)以及閃存數(shù)據(jù)寫入等常規(guī)操作外，還需注意STM32的啟動過程和中斷響應(yīng)方式。

下圖顯示了STM32常規(guī)的運行流程：

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圖解讀如下：
1、 STM32復(fù)位后，會從地址為0x8000004處取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序。
2、 復(fù)位中斷服務(wù)程序執(zhí)行的最終結(jié)果是跳轉(zhuǎn)至C程序的main函數(shù)，而main函數(shù)應(yīng)該是一個死循環(huán)，是一個永不返回的函數(shù)。
3、 在main函數(shù)執(zhí)行的過程中，發(fā)生了一個中斷請求，此時STM32的硬件機制會將PC指針強制指回中斷向量表處。
4、 根據(jù)中斷源進入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。
5、 中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，程序再度返回至main函數(shù)中執(zhí)行。

若在STM32中加入了IAP程序：

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1、 STM32復(fù)位后，從地址為0x8000004處取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至IAP程序的main函數(shù)。

2、 執(zhí)行完IAP過程后（STM32內(nèi)部多出了新寫入的程序，地址始于0x8000004+N+M）跳轉(zhuǎn)至新寫入程序的復(fù)位向量表，取出新程序的復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新程序的復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至新程序的main函數(shù)。新程序的main函數(shù)應(yīng)該也具有永不返回的特性。同時應(yīng)該注意在STM32的內(nèi)部存儲空間在不同的位置上出現(xiàn)了2個中斷向量表。

3、 在新程序main函數(shù)執(zhí)行的過程中，一個中斷請求來臨，PC指針仍會回轉(zhuǎn)至地址為0x8000004中斷向量表處，而并不是新程序的中斷向量表，注意到這是由STM32的硬件機制決定的。

4、 根據(jù)中斷源跳轉(zhuǎn)至對應(yīng)的中斷服務(wù)，注意此時是跳轉(zhuǎn)至了新程序的中斷服務(wù)程序中。

5、 中斷服務(wù)執(zhí)行完畢后，返回main函數(shù)。

二、hex文件與bin文件區(qū)別

Intel HEX文件是記錄文本行的ASCII文本文件，在Intel HEX文件中，每一行是一個HEX記錄，由十六進制數(shù)組成的機器碼或者數(shù)據(jù)常量。Intel HEX文件經(jīng)常被用于將程序或數(shù)據(jù)傳輸存儲到ROM、EPROM，大多數(shù)編程器和模擬器使用Intel HEX文件。
很多編譯器的支持生成HEX格式的燒錄文件，尤其是Keil c。但是編程器能夠下載的往往是BIN格式，因此HEX轉(zhuǎn)BIN是每個編程器都必須支持的功能。HEX格式文件以行為單位，每行由“：”（0x3a）開始，以回車鍵結(jié)束(0x0d,0x0a)。行內(nèi)的數(shù)據(jù)都是由兩個字符表示一個16進制字節(jié)，比如”01”就表示數(shù)0x01；”0a”，就表示0x0a。對于16位的地址，則高位在前低位在后，比如地址0x010a，在HEX格式文件中就表示為字符串”010a”。

hex和bin文件格式
Hex文件，這里指的是Intel標準的十六進制文件，也就是機器代碼的十六進制形式，并且是用一定文件格式的ASCII碼來表示。具體格式介紹如下： Intel hex 文件常用來保存單片機或其他處理器的目標程序代碼。它保存物理程序存儲區(qū)中的目標代碼映象。一般的編程器都支持這種格式。 hex和bin文件格式Hex文件，這里指的是Intel標準的十六進制文件，也就是機器代碼的十六進制形式，并且是用一定文件格式的ASCII碼來表示。具體格式介紹如下： Intel hex 文件常用來保存單片機或其他處理器的目標程序代碼。它保存物理程序存儲區(qū)中的目標代碼映象。一般的編程器都支持這種格式。

三、使用Keil軟件完成hex文件轉(zhuǎn)bin文件

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選項框里的代碼:

C:\app_setup\for_KEIL\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe --bin -o ./OBJECT/STM32_MD.bin ./OBJECT/STM32_MD.axf

解析如下:

C:\app_setup\for_KEIL\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe:是keil軟件安裝目錄下的一個工具,用于生成bin

--bin -o ./OBJECT/STM32_MD.bin :指定生成bin文件的目錄和名稱

./OBJECT/STM32_MD.axf :指定輸入的文件. 生成hex文件需要axf文件

新工程的編譯指令:

C:\Keil_v5\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe --bin -o ./obj/STM32HD.bin ./obj/STM32HD.axf

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將該文件下載到STM32內(nèi)置FLASH，復(fù)位開發(fā)板，即可啟動程序。

四、 使用win hex軟件將bin文件搞成數(shù)組

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生成數(shù)組之后，可以直接將數(shù)組編譯到程序里，然后使用STM32內(nèi)置FLASH編程代碼，將該程序燒寫到內(nèi)置FLASH里，再復(fù)位開發(fā)板即可運行新的程序。

五、 Keil編譯程序大小計算

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Program Size: Code=x RO-data=x RW-data=x ZI-data=x 的含義

1. Code(代碼): 程序所占用的FLASH大小，存儲在FLASH.

2. RO-data(只讀的數(shù)據(jù)): Read-only-data，程序定義的常量，如const型，存儲在FLASH中。

3. RW-data(有初始值要求的、可讀可寫的數(shù)據(jù)):

4. Read-write-data,已經(jīng)被初始化的變量，存儲在FLASH中。初始化時RW-data從flash拷貝到SRAM。

5. ZI-data:Zero-Init-data,未被初始化的可讀寫變量，存儲在SRAM中。ZI-data不會被算做代碼里因為不會被初始化。

ROM(Flash) size = Code + RO-data + RW-data;

RAM size = RW-data + ZI-data

簡單的說就是在燒寫的時候是FLASH中的被占用的空間為：Code+RO Data+RW Data

程序運行的時候，芯片內(nèi)部RAM使用的空間為： RW Data + ZI Data

六、工程編譯信息與堆棧信息查看

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對于沒有OS的程序，堆棧大小是在 startup.s 里設(shè)置的： Stack_Size EQU 0x00000800

對于使用用 uCos 的系統(tǒng)，OS自帶任務(wù)的堆棧，在 os_cfg.h 里定義：

/* ——————— TASK STACK SIZE ———————- */ 
#define OS_TASK_TMR_STK_SIZE    128    /* Timer      task stack size (# of OS_STK wide entries)        */
#define OS_TASK_STAT_STK_SIZE   128    /* Statistics task stack size (# of OS_STK wide entries)        */ 
#define OS_TASK_IDLE_STK_SIZE   128    /* Idle       task stack size (# of OS_STK wide entries)        */  

用戶程序的任務(wù)堆棧，在 app_cfg.h 里定義：

#define  APP_TASK_MANAGER_STK_SIZE           512 
#define  APP_TASK_GSM_STK_SIZE                        512 
#define  APP_TASK_OBD_STK_SIZE                         512 
#define  OS_PROBE_TASK_STK_SIZE                       128  

總結(jié):

1, 合理設(shè)置堆棧很重要

2, 多種方法結(jié)合，相互核對、校驗

3, 盡量避免大數(shù)組，如果一定要用，盡量定義為 全局變量，使其不占用堆?？臻g, 如果函數(shù)有重入可能性，則要注意保護。

七、實現(xiàn)STM32在線升級程序

7.1 升級的思路與步驟

1. 首先得完成STM32內(nèi)置FLASH編程操作

2. 將(升級的程序)新的程序編譯生成bin文件(編譯之前需要在Keil軟件里設(shè)置FLASH的起始位置)

3. 創(chuàng)建一個專門用于升級的boot程序(IAP Bootloader)

4. 使用網(wǎng)絡(luò)、串口、SD卡等方式接收到bin文件，再將bin文件燒寫到STM32內(nèi)置FLASH里

5. 設(shè)置主堆棧指針

6. 將用戶代碼區(qū)第二個字(第4個字節(jié))為程序開始地址(強制轉(zhuǎn)為函數(shù)指針)

7. 執(zhí)行函數(shù)，進行程序跳轉(zhuǎn)

7.2 待升級的程序FLASH起始設(shè)置

Bootloader的程序大小先固定為: 20KB，最好是越小越好，可以預(yù)留更加多的空間給APP程序使用。

STM32內(nèi)置FLASH閃存的起始地址是: 0x08000000 ，大小是512KB。

現(xiàn)在將內(nèi)置FLASH閃存前20KB的空間留給Bootloader程序使用，后面剩下的空間就給APP程序使用。

設(shè)置FLASH的起始位置（APP主程序）:

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中斷向量表偏移量設(shè)置

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設(shè)置編譯bin文件

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7.3 Bootloader的程序設(shè)置

//設(shè)置寫入的地址,必須偶數(shù),因為數(shù)據(jù)讀寫都是按照2個字節(jié)進行
#define FLASH_APP_ADDR		0x08005000  	//應(yīng)用程序存放到FLASH中的起始地址

int main()
{   
  printf("UART1 OK.....\n");
printf("進入IAP Bootloader程序!\n");
  while(1)
  {
	  key=KEY_Scanf();
      if(key==1)	//KEY1按下,寫入STM32 FLASH
      {
        printf("正在更新IAP程序...............\n");
        iap_write_appbin(FLASH_APP_ADDR,(u8*)app_bin_data,sizeof(app_bin_data));//燒寫新的程序到內(nèi)置FLASH
		printf("程序更新成功....\n");
        iap_load_app(FLASH_APP_ADDR);//執(zhí)行FLASH APP代碼
      }
  }
}

/*
函數(shù)功能:跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序段
appxaddr:用戶代碼起始地址.
*/
typedef  void (*iap_function)(void);				//定義一個函數(shù)類型的參數(shù).   
void IAP_LoadApp(u32 app_addr)
{
	  //給函數(shù)指針賦值合法地址
	  jump2app=(iap_function)*(vu32*)(app_addr+4);//用戶代碼區(qū)第二個字為程序開始地址(復(fù)位地址)		
	  __set_MSP(*(vu32*)app_addr);  //設(shè)置主堆棧指針
	  jump2app();				     //跳轉(zhuǎn)到APP.
}

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