STM32的IAP方案實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

一、什么是IAP，為什么要IAP

IAP即為In Application Programming(在應(yīng)用中編程)，一般情況下，以STM32F10x系列芯片為主控制器的設(shè)備在出廠時(shí)就已經(jīng)使用J-Link仿真器將應(yīng)用代碼燒錄了，如果在設(shè)備使用過程中需要進(jìn)行應(yīng)用代碼的更換、升級等操作的話，則可能需要將設(shè)備返回原廠并拆解出來再使用J-Link重新燒錄代碼，這就增加了很多不必要的麻煩。站在用戶的角度來說，就是能讓用戶自己來更換設(shè)備里邊的代碼程序而廠家這邊只需要提供給用戶一個(gè)代碼文件即可。

而IAP卻能很好的解決掉這個(gè)難題，一片STM32芯片的Code(代碼)區(qū)內(nèi)一般只有一個(gè)用戶程序。而IAP方案則是將代碼區(qū)劃分為兩部分，兩部分區(qū)域各存放一個(gè)程序，一個(gè)叫bootloader(引導(dǎo)加載程序)，另一個(gè)較user application(用戶應(yīng)用程序)。bootloader在出廠時(shí)就固定下來了，在需要變更user application時(shí)只需要通過觸發(fā)bootloader對userapplication的擦除和重新寫入即可完成用戶應(yīng)用的更換。如圖所示

在程序執(zhí)行初始進(jìn)入bootloader，在bootloader里面檢測條件是否被觸發(fā)(可通過按鍵是否被按下、串口是否接收到特定的數(shù)據(jù)、U盤是否插入等等)，如果有則進(jìn)行對user application進(jìn)行擦除和重新寫入操作，如果沒有則直接跳轉(zhuǎn)到user application執(zhí)行應(yīng)用；如果有則進(jìn)行擦除用戶代碼并重新寫入新的用戶代碼。

二、STM32F103ZET6硬件條件

STM32F103ZET6的啟動(dòng)方式有三種：內(nèi)置FLASH啟動(dòng)、內(nèi)置SRAM啟動(dòng)、系統(tǒng)存儲(chǔ)器ROM啟動(dòng)，通過BOOT0和BOOT1引腳的設(shè)置可以選擇從哪中方式啟動(dòng)，這里選擇內(nèi)置的FLASH啟動(dòng)。其FLASH的地址為0x08000000—0x0807 FFFF，共512KB，這些都能從芯片數(shù)據(jù)手冊中直接得到。而這里首要的一個(gè)問題是中斷的問題。

正常情況下發(fā)生中斷的過程為：發(fā)生中斷(中斷請求)到中斷向量表查找中斷函數(shù)入口地址跳轉(zhuǎn)到中斷函數(shù)執(zhí)行中斷函數(shù)中斷返回。也就是說在STM32的內(nèi)置的Flash中有一個(gè)中斷向量表來存放各個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)的入口地址，內(nèi)置Flash的分配情況大致如下圖。

在只有一個(gè)程序的情況下，程序執(zhí)行的走向應(yīng)該如圖所示。

STM32F10x有一個(gè)中斷向量表，這個(gè)中斷向量表存放在代碼開始部分的后4個(gè)字節(jié)處(即0x0800 0004)，代碼開始的4個(gè)字節(jié)存放的是堆棧棧頂?shù)牡刂?，?dāng)發(fā)生中斷后程序通過查找該表得到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口地址，然后再跳到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。上電后從0x08000004處取出復(fù)位中斷向量的地址，然后跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷程序的入口(標(biāo)號①所示)，執(zhí)行結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)中(標(biāo)號②所示)。

在執(zhí)行main函數(shù)的過程中發(fā)生中斷，則STM32強(qiáng)制將PC指針指回中斷向量表處(標(biāo)號③所示)，從中斷向量表中找到相應(yīng)的中斷函數(shù)入口地址，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)(標(biāo)號④所示)，執(zhí)行完中斷函數(shù)后再返回到main函數(shù)中來(標(biāo)號⑤所示)。

若在STM32F103x中使用IAP方案，則內(nèi)置的Flash分配情況大致如下圖

在內(nèi)置的Flash里面添加一個(gè)BootLoader程序，BootLoader程序和user application各有一個(gè)中斷向量表，假設(shè)BootLoader程序占用的空間為N+M字節(jié)，則程序的走向應(yīng)該如下圖所示。

上電初始程序依然從0x08000004處取出復(fù)位中斷向量地址，執(zhí)行復(fù)位中斷函數(shù)后跳轉(zhuǎn)到IAP的main(標(biāo)號①所示)，在IAP的main函數(shù)執(zhí)行完成后強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到0x08000004+N+M處(標(biāo)號②所示)，最后跳轉(zhuǎn)到新的main函數(shù)中來(標(biāo)號③所示)，當(dāng)發(fā)生中斷請求后，程序跳轉(zhuǎn)到新的中斷向量表中取出新的中斷函數(shù)入口地址，再跳轉(zhuǎn)到新的中斷服務(wù)函數(shù)中執(zhí)行(標(biāo)號④⑤所示)，執(zhí)行完中斷函數(shù)后再返回到main函數(shù)中來(標(biāo)號⑥所示)。

對于步驟④⑤，網(wǎng)友認(rèn)為是:“在main執(zhí)行的過程中，如果CPU得到一個(gè)中斷請求，PC指針仍強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到地址0x08000004中斷向量表處，而不是新的中斷向量表，如圖標(biāo)號④所示，程序再根據(jù)我們設(shè)置的中斷向量表偏移量，跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)中斷源新的中斷服務(wù)程序中，如圖標(biāo)號⑤所示”。我對此的理解是：“當(dāng)發(fā)生中斷后，程序從0x08000004(舊)處的中斷向量表中得到相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)入口地址，繼而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序”。但是舊的中斷向量列表里邊存放的是IAP程序中斷函數(shù)的入口地址，它是如何得到user程序中斷函數(shù)的入口地址呢？所以我覺得此種說法是錯(cuò)誤的?！爱?dāng)發(fā)生中斷時(shí)PC指針強(qiáng)制會(huì)跳轉(zhuǎn)到0x08000004處”這種說法并沒有錯(cuò)，只是忽略了后續(xù)的一些知識(shí)要點(diǎn)而導(dǎo)致這個(gè)說法出現(xiàn)矛盾。

對于步驟④⑤我認(rèn)為的是，在main函數(shù)的執(zhí)行過程中，如果CPU得到一個(gè)中斷請求，PC指針本來應(yīng)該跳轉(zhuǎn)到0x08000004處的中斷向量表，由于我們設(shè)置了中斷向量表偏移量為N+M，因此PC指針被強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)到0x08000004+N+M處的中斷向量表中得到相應(yīng)的中斷函數(shù)地址(待求證)，再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)新的中斷服務(wù)函數(shù)，執(zhí)行結(jié)束后返回到main函數(shù)中來。

三、實(shí)現(xiàn)過程

STM32F103ZET6的Flash地址為0x08000000—0x0807 FFFF共512KB，把這512KB的空間分為兩塊，第一塊大小為32KB存放BootLoader程序，剩余的空間存放用戶程序(根據(jù)實(shí)際情況分配這兩塊空間的大小，BootLoader程序占用的空間越小越好，則BootLoader地址為0x08000000—0x08007fff，用戶程序地址為0x08008000—0x0807ffff。BootLoader流程圖大致應(yīng)該如下：

1、初始化時(shí)鐘

2、初始化中斷向量表地址

3、初始化按鍵(使用按鍵觸發(fā)方式，上電時(shí)如果按鍵被按下則進(jìn)行用戶程序更新操作)

4、初始化串口

5、檢測按鍵是否被按下，是則執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟10

6、擦除用戶程序(擦除0x08008000—0x0807ffff地址空間Flash)

7、從串口讀取新的用戶代碼數(shù)據(jù)，把代碼寫入用戶程序空間

8、檢測串口數(shù)據(jù)接收完畢？是則執(zhí)行步驟9，否則跳回步驟7

9、用戶程序更新完畢，等待重新上電或硬件復(fù)位

10、跳轉(zhuǎn)到用戶程序(強(qiáng)制將PC指針跳轉(zhuǎn)到0x08008000+4處)

到這里首先要解決的問題就有：

1、如何進(jìn)行對STM32的Flash進(jìn)行擦除和寫入操作

2、中斷向量表偏移如何設(shè)置

3、如何改變代碼存放的地址空間(因?yàn)锽ootLoader要存放在0x08000000處，用戶程序要存放在0x08008000處,而默認(rèn)的代碼存放的地址空間為0x08000000)

4、怎么進(jìn)行PC指針的強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)時(shí)需要做些什么

5、串口接收的用戶代碼數(shù)據(jù)是什么樣的代碼數(shù)據(jù)，是一種什么樣的文件

問題的解決：

1、使用STM32的固件庫函數(shù)，只需調(diào)用幾個(gè)庫函數(shù)即可輕松解決，使用的固件庫為stm32f10x_flash.c文件，對Flash的操作過程簡要為：Flash解鎖Flash擦除Flash寫入Flash上鎖。

①解鎖：

FLASH_Unlock();//解鎖Flash
FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);//因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘為72M所以要設(shè)置兩個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)

②擦除：

for(i=0;i<240;i++)
{
if(FLASH_ErasePage(FLASH_ADDR+i*2048)?!=?FLASH_COMPLETE)//一定要判斷是否擦除成功
return?ERROR;
}

說明：FLASH_ErasePage(uint32_t Page_Address)即為Flash擦除操作，按頁擦除，每頁2KB，Page_Address為頁的起始地址，如0x08000000是第一頁起始地址，0x08000800為第二頁起始地址，這里的操作擦除了0x08008000—0x0807ffff地址空間的Flash。

③寫入：

unsignedcharbuf[1024];//假設(shè)待寫入的代碼數(shù)據(jù)
unsignedshorttemp;//臨時(shí)數(shù)據(jù)
for(i=0;i<512;i++)
{
??temp?=?(buf[2*i+1]<<8)?|?buf[2*i];//2個(gè)字節(jié)整合為1個(gè)半字
??if(FLASH_ProgramHalfWord(ADDR,temp)?!=?FLASH_COMPLETE)//判斷是否寫入成功
??{
????????Return?ERROR;
??}
??ADDR?+=2;//地址要加2，因?yàn)槊看螌懭氲氖?個(gè)字節(jié)(1個(gè)半字)
}
??

說明：因?yàn)镾TM32的Flash寫入為雙字節(jié)(1個(gè)半字)寫入，F(xiàn)LASH_ProgramHalfWord(uint32_t Address, uint16_t Data)函數(shù)即為對地址為Address寫入1個(gè)半字的Data，每次寫入完成后地址要加2。

④上鎖：

FLASH_Lock();//Flash 上鎖，一個(gè)固件庫函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。

2、關(guān)于中斷向量表的偏移設(shè)置，對于BootLoader程序只需設(shè)置中斷向量表的指向在0x08000000處，對于用戶程序需要設(shè)置中斷向量表的指向在0x08008000處即可。

①在BootLoader程序的中斷向量表指向設(shè)置中應(yīng)有這么一句：

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH,0x0);//設(shè)置中斷向量表指向

其中NVIC_VectTab_FLASH是個(gè)宏定義，的值為0x08000000。

②在用戶程序的中斷向量表指向設(shè)置用應(yīng)有這么一句：

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH,0x8000);//設(shè)置中斷向量表指向

四、結(jié)束語

總的來說STM32的IAP方案實(shí)現(xiàn)需要在進(jìn)行用戶程序之前加一段Bootloader程序，BootLoader程序的作用就是：

1、什么都不做，直接跳轉(zhuǎn)到用戶程序。

2、刪除原有的用戶程序，讀取*.bin文件數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)重新寫入新的用戶程序。對于用戶程序相比普通的編程只需要做三步改動(dòng)即可

3、改變中斷向量表。

4、改變代碼存放的地址空間

5、修改生成*.bin文件

使用通過UART的IAP方案并不是很好的選擇，這只是IAP方案的一個(gè)機(jī)制，因?yàn)槟苁褂肞C機(jī)通過串口升級程序，同樣能通過Jlink燒寫程序，并且自定義的串口通訊協(xié)議在沒有校CRC校驗(yàn)的情況下不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生的錯(cuò)誤。這里推薦使用SD卡(或U盤)進(jìn)行用戶程序更新，將*.bin文件復(fù)制到SD卡(或U盤)中，STM32再通過讀取SD卡(或U盤)的*.bin文件進(jìn)行用戶程序更新，這也避免了STM32與PC笨重的通訊，只需插一個(gè)SD卡(或U盤)更顯得人性化一些，但需要去弄懂STM32如何與SD卡(或U盤)的通訊。

審核編輯：劉清