STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)固件在線升級(jí)（IAP）

1，固件升級(jí)方案綜述

單片機(jī)的固件升級(jí)方式有很多種。1、ICP：簡(jiǎn)單說就是在單片機(jī)開發(fā)時(shí)使用燒錄器升級(jí)程序，比如使用J-Link燒錄單片機(jī)程序。2、ISP：在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了基于通信接口（如串口、I2C、SPI等等）的FLASH引導(dǎo)程序，配合廠家提供的燒錄軟件工具或自行開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)程序燒錄。3、IAP：是指單片機(jī)程序開發(fā)好之后在運(yùn)行過程中由外部用戶發(fā)起的在線升級(jí)，這種升級(jí)方式一般由用戶自行設(shè)計(jì)升級(jí)方案，方案靈活性和自由度較高，在智能家居、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中常用的OTA即空中下載技術(shù)原理也與之類似。

2，劃分FALSH存儲(chǔ)區(qū)域

在STM32系列單片機(jī)中，程序存儲(chǔ)在內(nèi)部FLASH中，按照不同的單片機(jī)型號(hào)FLASH大小有所不同，有64KB、128KB、512KB等等。以STM32F407VET6系列單片機(jī)為例，內(nèi)置FLASH大小為512KB，存儲(chǔ)地址為0x08000000-0x0807FFFF。單片機(jī)每次程序復(fù)位時(shí)從0x08000000的位置開始執(zhí)行主程序，如果不做IAP則這512KB空間都可以用來存儲(chǔ)用戶編寫的APP程序。

若要實(shí)現(xiàn)IAP功能則必須將FLASH空間劃分為幾個(gè)部分，每部分都存儲(chǔ)一個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的程序文件（可以理解為幾個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)工程）：

1、引導(dǎo)程序，每次復(fù)位時(shí)程序默認(rèn)執(zhí)行此程序，在接下來的執(zhí)行過程中可以跳轉(zhuǎn)到用戶編寫的程序，因此這部分程序是固化在以0x08000000為起始的區(qū)域中。在引導(dǎo)程序中可以對(duì)電路系統(tǒng)作出一些自檢和初始化檢查的工作，因此該程序又稱為bootloader或boot程序，需要注意的是在設(shè)計(jì)bootloader時(shí)要提前規(guī)定好程序空間的大小，比如規(guī)定程序存儲(chǔ)區(qū)域?yàn)?x08000000-0x8007FFF，則bootlader程序存儲(chǔ)空間為32KB，編寫boot程序時(shí)要注意這一點(diǎn)

2、用戶需要升級(jí)的新程序，這部分包含了用戶的業(yè)務(wù)代碼，復(fù)雜的運(yùn)算邏輯和算法實(shí)現(xiàn)均在這一部分完成，稱為APP程序，該部分程序一般存儲(chǔ)在bootloader區(qū)域之后的FLASH中。用一個(gè)不是特別恰當(dāng)?shù)睦宇惐萣ootloader和APP：bootloader相當(dāng)于電腦組裝時(shí)的BIOS，APP則相當(dāng)于操作系統(tǒng)，電腦開機(jī)時(shí)首先運(yùn)行BIOS，完成后跳轉(zhuǎn)運(yùn)行到操作系統(tǒng)。

3、升級(jí)之前的老版APP備份。這部分相當(dāng)于電腦系統(tǒng)更新前對(duì)老系統(tǒng)的備份，一旦在升級(jí)過程中發(fā)生錯(cuò)誤需要還原到備份系統(tǒng)，防止系統(tǒng)升級(jí)失敗成磚。同樣的APP與APP備份將剩余的FLASH平分，以上述booloader為例，APP程序及其備份所占區(qū)域?yàn)椋海?12-32）/2=240KB，因此編寫的APP程序編譯后的占用的FLASH空間不得超過240KB，這一點(diǎn)可以通過查驗(yàn).map文件確認(rèn)，對(duì)于不同F(xiàn)LASH大小的芯片可以類比以上計(jì)算方法確認(rèn)自己的程序大小上限（在此插入一句，改變編譯器的優(yōu)化等級(jí)可以改變最后的程序大小，但是高的優(yōu)化等級(jí)對(duì)程序編寫規(guī)范要求更高，因此優(yōu)化等級(jí)應(yīng)該在一開始設(shè)計(jì)APP之前就確定好，中途變更會(huì)帶來不可預(yù)測(cè)的問題）。

以STM32F407VET6單片機(jī)為例劃分后的FALSH存儲(chǔ)框圖如下所示：

3，BOOTLADER設(shè)計(jì)

根據(jù)上面的描述，bootloader主要有完成以下功能：

1、系統(tǒng)自檢

2、實(shí)現(xiàn)APP程序跳轉(zhuǎn)

3、升級(jí)過程中接收APP文件并存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的FLASH區(qū)域

功能1、3對(duì)于不同的系統(tǒng)要求不同，自檢的內(nèi)容以及實(shí)現(xiàn)文件傳輸?shù)奈锢韺?a target="_blank">接口和鏈路協(xié)議不同，不在此過多描述。下面主要給出APP跳轉(zhuǎn)的部分代碼：

#define APP_ADDR 0x08008000 //應(yīng)用程序起始地址 typedef void (*pFunction)(void); //重定義pFunction為void(*)(void)函數(shù)指針類型void jump(void){ uint32_t APP_ADDR_Buff=0; //緩存APP地址數(shù)值 uint32_t APP_ADDR_Value=0; //APP地址的內(nèi)容 uint32_t Jump_ADDR; //跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址 pFunction Jump_APP; //跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)函數(shù)指針 APP_ADDR_Buff = APPLICATION_ADDRESS; //用戶程序的首地址 APP_ADDR_Value = (*(volatile uint32_t*)APP_ADDR_Buff);//取出首地址里面的值 if (( APP_ADDR_Value & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000) //判斷APP首地址里面存的棧頂?shù)刂分凳欠窈戏?{ DISABLE_INTERRUPTS(); //關(guān)總中斷，使用不同的庫寫法不同，不可直接復(fù)制 RCC_DeInit();//將外設(shè)RCC寄存器重設(shè)為缺省值，使用不同的庫寫法不同，不可直接復(fù)制 Jump_ADDR = *(volatile uint32_t*)(APP_ADDR_Buff + 4);//APP起始地址第二個(gè)字為程序開始地址(新程序復(fù)位地址) //指針函數(shù)指向用戶程序地址，也就是PC指針goto到用戶程序起始地址 Jump_APP = (pFunction)Jump_ADDR; //取出程序地址給指針函數(shù) __set_MSP(*(volatile uint32_t*)APP_ADDR_Buff); //初始化APP的堆棧指針 Jump_APP(); //執(zhí)行指針函數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn) } else { ErrorHandle(); //拋出異常 }}int main(void){
SystemInit();//系統(tǒng)時(shí)鐘初始化 SYSInit(); //系統(tǒng)初始化 delay_ms(200); if(ReadProgramAPPFlag()) //如果需要更新APP { APP_FlashWrite(); //接收APP文件數(shù)據(jù)，并將APP程序存儲(chǔ)到指定位置 if(APP_Check()) //APP文件校驗(yàn)通過，將新的APP程序更新到備份區(qū)域 APP_Backup(); else //否則恢復(fù)備份區(qū) APP_Restore(); ResetProgramAPPFlag(); //對(duì)完成升級(jí)的標(biāo)志復(fù)位 } jump(); //正常情況下運(yùn)行到這一步時(shí)APP區(qū)域已經(jīng)正確寫入程序文件 while(1); }

其中ReadProgramDoneFlag()是判斷程序應(yīng)該是先接收升級(jí)文件再跳轉(zhuǎn)還是直接跳轉(zhuǎn)的標(biāo)志，在APP中如果有升級(jí)需求則對(duì)這個(gè)標(biāo)志置位，在bootloader中完成文件接收之后對(duì)標(biāo)志復(fù)位，需要注意的是這個(gè)標(biāo)志位不是全局變量也不是局部變量，要保證程序跳轉(zhuǎn)，初始化堆棧之后這個(gè)標(biāo)志的值不受影響，因此該標(biāo)志變量最佳選擇是寫在外部EEPROM或內(nèi)置FLASH中，讀寫標(biāo)志的操作其實(shí)是對(duì)EEPROM或FLASH的讀寫。

4，編寫APP程序

APP程序中實(shí)現(xiàn)了用戶的業(yè)務(wù)代碼，和由APP跳轉(zhuǎn)回bootloader的邏輯，實(shí)際的操作還是對(duì)上文中程序存儲(chǔ)Flag的讀寫，這部分邏輯實(shí)現(xiàn)的流程圖如下圖所示：

由于APP程序?qū)?yīng)的是另外一個(gè)工程文件，因此在工程設(shè)置中要將FLASH的偏移地址向下移動(dòng)，空出bootlader的區(qū)域，比如上文中bootloader區(qū)域是0x08000000-0x08008000，因此APP工程的FLASH起始地址是0x8008000，偏移量是0x8000，這一點(diǎn)非常重要。