STM32速成笔记(十四)—串口IAP

简介: 本文介绍了什么是IAP,IAP有什么作用,如何实现IAP。最后,给出了IAP的实现程序。


🎀 文章作者:二土电子
🐸 期待大家一起学习交流!


本文涉及到串口通信和Flash知识,对于这部分知识不熟悉的小伙伴可以到博主STM32速成笔记专栏查看。

一、串口IAP简介

1.1 什么是IAP

IAP,英文全称In Application Programming,在应用中编程。很好理解,就是在程序运行过程中我们进行程序的烧写,或者叫升级。

1.2 STM32下载程序

我们都知道,STM32可以利用串口下载程序,这是因为ST公司在产线上就在产品中内嵌了自举程序。所谓的自举程序,实际就是支持我们通过串口下载程序的代码。自举程序被存放在系统存储区,因此如果我们需要通过串口下载程序,需要将Boot0接高电平,Boot1接低电平,让程序从系统存储器开始运行,运行自举程序。下载完成后我们再将Boot0接地,让程序从主闪存存储器开始运行。自举程序是我们用户无法修改的。

二、串口IAP有什么作用

上面我们介绍了什么是IAP,那么这个IAP到底有什么作用呢?

首先介绍两个词——BootloaderApplication。Bootloader实际就是一段引导程序,单片机上电后先执行Bootloader程序,然后再执行用户编写的应用程序Application。介绍完这两个词,我们来介绍一下IAP有什么作用。比如我们生产了A,B两款产品。A产品是某个精密器件的一部分,B产品是一款物联网产品。我们的产品销售范围很广,远销海外。

某天A产品的某个客户反映了一个Bug,我们编写好了程序,需要进行程序更新,或者叫升级。利用IAP,我们可以在程序运行时,通过预留的通信接口直接烧写程序。而不需要再把整个设备拆开,像我们调试时那样下载程序。甚至我们可以直接给客户邮寄一个小设备,客户直接进行傻瓜式升级。

又过了一段时间,B产品的程序出现了一个Bug,风险等级比较低,但是依旧需要全体升级程序。我们总不能挨个产品派人去升级,成本极大。这时候又轮到我们的IAP出场了。它可以在所有设备在线运行的情况下,直接通过网络下发升级程序,实现在线升级,节约了大量的人力成本。

通过上面这两个例子,大家应该能够基本了解IAP的用处,使用IAP让我们不需要再使用调试器进行下载,甚至实现设备的在线升级。

三、启动流程

在介绍如何实现IAP之前,我们先来简单了解以下STM32的启动流程。

3.1 正常启动流程

这里的正常启动流程指的是,没有添加IAP的流程。

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程序启动时首先开辟栈空间,配置栈顶指针。然后配置堆空间。配置完成后,建立中断向量表,在中断向量表中找到复位中断,开始执行复位中断服务函数,然后跳转到main函数中,执行用户代码。当用户代码中有中断请求时,会回到中断向量表,根据中断源执行相应的中断服务函数。

3.2 加入IAP后的启动流程

下面是加入IAP之后的启动流程。

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可以看到,与上面不同的是,加入IAP后,执行完复位中断服务函数后直接进入IAP的main函数。在执行完IAP之后,跳转至新写入程序的复位向量表,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。

由上面的两个启动过程我们可以看出

  • 新程序必须在 IAP 程序之后的某个偏移量为 x 的地址开始。
  • 必须将新程序的中断向量表相应的移动,移动的偏移量为 x。

    四、必备知识

    4.1 修改程序运行起始地址

点击魔术棒,选择“Target”,修改运行起始地址和代码大小。

f9ec3dfab60bb1a0134d39611de5624a_354f2bca5bb74969a40ad7a9cbf7aa76.png

4.2 设置中断向量表偏移

VTOR 寄存器存放的是中断向量表的起始地址。如果要设置中断向量表偏移,只需要在main函数最开始添加如下语句即可

SCB->VTOR = FLASH BASE | 偏移量:

4.3 生成.bin文件

点击魔术棒,选择“User”,按照如下配置,输入下面的内容

fromelf --bin -o "$L@L.bin" "#L"

37eed248a2bd99f3780c3056c24c2dd2_9c2510188006471c81f08031281cea83.png

点击编译,不报错就可以,去设置的输出文件夹中就可以找到对应的.bin文件。

451fcc0a36482c8639a2f4c580c48874_d1106b34b4df489594e4ab03018a4f74.png

五、串口IAP实现

本次的目标是实现一个串口IAP,也就是编写Bootloader,在程序运行过程中实现程序的下载。Bootloader程序应该可以通过串口接收上位机发来的.bin文件(App程序),检查后将.bin文件写入到Flash特定位置,然后跳转到App程序运行。

5.1 串口中断服务函数

本次的串口中断服务函数与之前不同,这里单独贴出来。需要定义一个接收数组,接收数组的起始地址限制为0X20001000。接收数组最多可以接收55K字节,可以根据需要调整。但是需要注意的是,数组的大小需要比App程序要大,而且不能超过芯片的SRAM空间大小。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:USART1_IRQHandler
 *函数功能:USART1中断服务函数
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收计数变量
// 接收数组
// 限制起始地址为0X20001000
// 保证偏移量为 0X200的倍数
// 是为了给App留SRAM空间
u8 gReceFifo[USART_RECE_MAX_LEN]__attribute__ ((at(0X20001000)));

void USART1_IRQHandler(void)  
{
   
   
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一个字节  
    {
   
   
        if (gReceCount < USART_RECE_MAX_LEN)
        {
   
   
            gReceFifo[gReceCount++] = USART1->DR;
        }
        else
        {
   
   
            printf ("APP code out of memory!\r\n");
        }
    }
}

5.2 Flash写入程序

关于Flash程序,这里就不在赘述,只是贴一下带检查的写入程序。其他具体内容可以到博主STM32速成笔记专栏查看。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:Med_Flash_Write
 *函数功能:从指定地址开始写入指定长度的数据
 *输入参数:WriteAddr:写入起始地址;pBuffer:数据指针;
                        NumToRead:写入(半字)数
 *返回值:无
 *备  注:对内部Flash的操作是以半字为单位,所以读写地址必须是2的倍数
 *==============================================================================
 */

// 根据中文参考手册,大容量产品的每一页是2K字节
#if STM32_FLASH_SIZE < 256
    #define STM32_SECTOR_SIZE   1024   // 字节
#else 
    #define STM32_SECTOR_SIZE   2048
#endif

// 一个扇区的内存
u16 STM32_FLASH_BUF[STM32_SECTOR_SIZE / 2];

void Med_Flash_Write (u32 WriteAddr,u16 *pBuffer,u16 NumToWrite)
{
   
   
    u32 secpos;   // 扇区地址
    u16 secoff;   // 扇区内偏移地址(16位字计算)
    u16 secremain;   // 扇区内剩余地址(16位计算)       
     u16 i;    
    u32 offaddr;   // 去掉0X08000000后的地址

    // 判断写入地址是否在合法范围内
    if (WriteAddr < STM32_FLASH_BASE || (WriteAddr >= (STM32_FLASH_BASE + 1024 * STM32_FLASH_SIZE)))
    {
   
   
        return;   // 非法地址
    }

    FLASH_Unlock();   // 解锁
    offaddr = WriteAddr - STM32_FLASH_BASE;   // 实际偏移地址
    secpos = offaddr / STM32_SECTOR_SIZE;   // 扇区地址
    secoff = (offaddr % STM32_SECTOR_SIZE) / 2;   // 在扇区内的偏移(2个字节为基本单位)
    secremain = STM32_SECTOR_SIZE / 2 - secoff;   // 扇区剩余空间大小

    if (NumToWrite <= secremain)
    {
   
   
        secremain = NumToWrite;   // 不大于该扇区范围
    }

    while (1) 
    {
   
   
        // 读出整个扇区的内容
        Med_Flash_Read(secpos * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE,STM32_FLASH_BUF,STM32_SECTOR_SIZE / 2);

        // 校验数据
        for (i = 0;i < secremain;i ++)
        {
   
   
            // 需要擦除 
            if (STM32_FLASH_BUF[secoff + i] != 0XFFFF)
            {
   
   
                break; 
            }                
        }
        // 需要擦除
        if (i < secremain)
        {
   
   
            FLASH_ErasePage(secpos * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE);   // 擦除这个扇区

            // 复制
            for (i = 0;i < secremain;i ++)
            {
   
   
                STM32_FLASH_BUF[i + secoff] = pBuffer[i];      
            }

            // 写入整个扇区
            Med_Flash_Write_NoCheck(secpos * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE,STM32_FLASH_BUF,STM32_SECTOR_SIZE / 2);
        }
        else
        {
   
   
            // 写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间
            Med_Flash_Write_NoCheck(WriteAddr,pBuffer,secremain);
        }

        if (NumToWrite == secremain)
        {
   
   
            break;   // 写入结束了
        }
        // 写入未结束
        else
        {
   
   
            secpos ++;   // 扇区地址增1
            secoff = 0;   // 偏移位置为0      
            pBuffer += secremain;   // 指针偏移
            WriteAddr += secremain;   // 写地址偏移       
            NumToWrite -= secremain;   // 字节(16位)数递减
            if (NumToWrite > (STM32_SECTOR_SIZE / 2))
            {
   
   
                secremain = STM32_SECTOR_SIZE / 2;   // 下一个扇区还是写不完
            }
            else
            {
   
   
                secremain = NumToWrite;   // 下一个扇区可以写完了
            }
        }     
    }    
    FLASH_Lock();   // 上锁
}

5.3 IAP程序

IAP程序包含两部分,一部分是将接收到的.bin文件写入Flash,另一部分是跳转到App执行。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:iap_write_appbin
 *函数功能:写入.bin文件
 *输入参数:appxaddr:App程序起始地址;appbuf:缓存App程序的数组;
                        appsize:App程序大小
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
 // 对Flash操作的最小单位是16位
 u16 iapbuf[1024];   // 要写入Flash的内容

void iap_write_appbin (u32 appxaddr,u8 *appbuf,u32 appsize)
{
   
   
    u16 t;   // 临时循环变量
    u16 i = 0;   // 自增索引
    u16 temp;   // 临时计算变量

    u32 fwaddr = appxaddr;   // 当前写入的地址
    u8 *dfu = appbuf;   // 指向App代码数组首地址的指针

    // for循环,2K为单位进行写入
    for(t = 0;t < appsize;t += 2)
    {
   
           
        temp = (u16)dfu[1] << 8;
        temp += (u16)dfu[0];      
        dfu += 2;   // 偏移2个字节
        iapbuf[i++] = temp;        
        if(i == 1024)
        {
   
   
            i = 0;
            Med_Flash_Write (fwaddr,iapbuf,1024);    
            fwaddr += 2048;   // 偏移2048  16=2*8所以要乘以2
        }
    }
    if(i)
    {
   
   
        Med_Flash_Write (fwaddr,iapbuf,i);   // 将最后的一些内容字节写进去
    }
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称:iap_load_app
 *函数功能:跳转到App
 *输入参数:appxaddr:App程序起始地址
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
iapfun jump2app;

void iap_load_app (u32 appxaddr)
{
   
   
    if(((*(vu32*)appxaddr)&0x2FFE0000)==0x20000000)   // 检查栈顶地址是否合法
    {
   
    
        jump2app=(iapfun)*(vu32*)(appxaddr+4);   // 用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)        
        MSR_MSP(*(vu32*)appxaddr);   // 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)
        jump2app();   // 跳转到APP
    }
}

5.4 main函数

main函数设计如下

int main(void)
{
   
   
    u32 curRecCunt = 0;   // 当前接收数量

    // 设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级,2位响应优先级
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    delay_init();   // 延时初始化
    uart_init(115200);   // 串口初始化

    printf ("Enter the Bootloader Code!\r\n");

    while(1)
  {
   
   
        // 如果接收到内容且传输完成
        if (curRecCunt == gReceCount && gReceCount != 0)
        {
   
   
            printf ("App Code reception complete!\r\n");
            printf ("The length of the received App code is %d!\r\n",gReceCount);

            // 开始准备写入Flash
            if(((*(vu32*)(0X20001000+4)) & 0xFF000000) == 0x08000000)   // 判断是否为0X08XXXXXX.
            {
   
   
                iap_write_appbin(FLASH_APP1_ADDR,gReceFifo,gReceCount);   // 更新FLASH代码  
                gReceCount = 0;   // 清零接收计数变量
                printf("Update complete!\r\n");
            }
            else 
            {
   
    
                printf("Update error!\r\n");
            }

            // 准备跳转App执行
            if(((*(vu32*)(FLASH_APP1_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)   //判断是否为0X08XXXXXX.
            {
   
   
                printf("Enter App!\r\n");
                iap_load_app(FLASH_APP1_ADDR);   //执行FLASH APP代码
            }else 
            {
   
   
                printf("Enter error!\r\n");
            }    
        }
        else   // 未传输完成
        {
   
   
            curRecCunt = gReceCount;   // 更新当前接收数量
            // 延时一定要有,给串口中断留出时间
            // 如果没有会导致接收不完全
            delay_ms(10);
        }
    }
}

六、注意事项

需要注意的是,上面的程序中App程序是从0x8010000开始,需要配置好程序起始地址和中断向量表偏移

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