STM32实现IAP功能之一
最近因项目需求要实现STM32的在线升级即IAP功能,先将这几天的学习体会和IAP的具体实现总结出来,分享给大家,希望对同样实现IAP的童鞋有所帮助,文中最后会上传名为STM32_Update.zip的压缩文件里面包含了STM32_App、STM32_MyBoot_V1.0和升级软件STM32_UpdateSoftware的源码文件供大家参考。所有程序都经过测试,可以直接在原子哥的开发板上跑,上位机的升级软件大家可以直接打开 STM32_Update\STM32_UpdateSoftware\Release\STM32_UpdateSoftware.exe来升级,如果需要查看源码请用VS2010打开工程文件。
最终要实现的是:
单片机每次上电会先运行Boot程序,检查标志位如果标志位为FLAG_TO_APP则直接跳转到App程序运行,如果标志位为FLAG_TO_BOOT,则运行Boot程序准备升级。在运行App程序时,当接收到升级的指令后会在FLASH中的某处空间写下升级的标志位FLAG_TO_BOOT,并且加载Boot程序,Boot程序会接受新的程序文件并且存储在相应的FLASH空间里,完成升级后会在标志位的空间写下FLAG_TO_APP,并且运行新的程序。
帖子包含如下几个方面:
1. 什么是IAP?
2. STM32的启动模式?
3. STM32的FLASH分布?
4. STM32程序的运行过程?
5. BootLoader程序的编写(如何实现程序的动态加载)?
6. App程序的编写?
7. bin文件的转换?
8. 上位机串口升级软件的简介
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1. 什么是IAP?
IAP的知识网上的各种资料也说的比较明白,在此简单介绍一下。IAP( In Application Programming)即在线应用编程,也就是用户可以使用自己的程序对单片机的User Flash的某一区域(一般为存放自己程序的区域)进行烧写。在真正的工作中产品发布后,可以很方便的使用预留的通信接口(串口、USB、网口、蓝牙等)来完成程序的升级,从而避免了把机器拆开使用下载器烧写程序。要实现IAP功能一般要设计两部分代码,一是BootLoader程序,这部分程序存储在FLASH的某一位置,主要用来引导、升级App程序;二是App程序,这个程序才是实现产品的功能程序。通过BootLoader来完成对App程序的更新升级,这就是IAP功能。
2. STM32的启动模式
很多初学者对于STM32的启动并不是很了解,这在《STM32的参考手册》以及网上各种资料里也有介绍,下面再简单介绍一下:
STM32有三种启动方式,主要是通过管脚BOOT0和BOOT1的连接方式来控制的,如下图所示,因为我们要让程序从主存储器启动,因而在硬件设计时要选择第一种方式把BOOT0接到GND,BOOT1任意,可以拉高也可以拉低。
note: STM32上电启动并不是直接进入main函数,而是先进行系统初始化,这个函数的调用是在启动文件startup_stm32f10x_hd.s(因为我的单片机是STM32F103RCT6,大容量芯片所以是这个文件)中执行复位中断Reset_Handler时被调用的,执行完复位中断才会进入main函数。
3. STM32 FLASH的分布
STM32每种型号单片机的FLASH大小及地址分配在芯片手册里都有介绍,我使用的是STM32F103RCT6的型号其FLASH为256K属于大容量产品其FLASH的分布如下图:主存储块的地址是从0x08000000到0x0803FFFF共256K
我们在设计程序时把FLASH分成3部分,第一部分从0x08000000到0x0800FFFF共64K来存放BootLoader程序,第二部分为0x08010000到0x0802FFFF共128K来存放App程序,第三部分从0x08030000开始到0x803FFFF共64K来存放程序运行的标志位和其他,如下所示:
4. STM32程序的运行过程
STM32的程序运行过程在很多资料里也都有介绍,因为STM32F103的单片机是基于Cortex-M3核的,它的内部主要是通过中断向量表来响应各种中断,内部闪存的起始地址是0x08000000,中断向量表的起始地址是0x8000004,程序启动后,将首先从“中断向量表”取出复位中断向量执行复位中断程序完成启动,当中断来临时STM32 的内部硬件机制亦会自动将 PC 指针定位到“中断向量表”处,并根据中断源取出对应的中断向量执行相应的中断服务程序。
如上图所示STM32的正常启动流程是:
a. STM32上电后会从 0x8000004 处取出复位中断向量的地址,并跳转执行复位中断服务程序,如标号1所示;
b. 复位中断复位程序执行完成之后就会跳转到我们的main函数如标号2所示;
c. main函数一般为死循环,当其收到某一中断请求之后STM32会强制把PC指针指向中断向量表,如标号3所示;
d. 查询中断向量表,根据中断源来跳转到相应的中断服务程序中执行响应的操作;如标号4、5所示;
e. 执行完中断服务程序之后会再回到main函数中,如标号6所示。
以上是STM32的正常运行过程,而当加入IAP程序之后,运行流程就如下所示:
加入IAP后程序运行如下:
a. STM32复位之后还是从0x8000004处获取中断向量表的地址,并跳转执行复位中断服务程序,如标号1所示;
b. 执行完复位中断服务程序之后回调转到IAP的main函数中,如标号2所示;
c. IAP的过程就是通过某种选定的通信方式(如串口)来接收程序文件,并且存储在指定的FLASH空间里,随后会加载新的程序,而新程序的复位中断向量起始地址为0X08000004+N+M,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,如标号3、4所示;
d. 此时在STM32的FLASH里面会有两个中断向量表,在新程序 main 函数执行的过程中,当中断来临时PC指针仍会回跳转至地址为
0x8000004 中断向量表处,而并不是新程序的中断向量表,这是由STM32的硬件机制决定的,如标号5所示;
e. 查询中断向量表,根据中断源来跳转到新的中断服务程序中执行响应的操作,如标号6所示;
f. 执行完中断服务程序之后会再回到main函数中,如标号7、8所示。
note:
由上可知新的程序在FLASH中必须放在IAP程序之后的某个地址里,这里我的程序中设置的是0x08010000 即偏移量为0x10000,而且新程序的中断向量表也要做相应的偏移,偏移量也为0x10000 (地址的设置可以通过编译软件来实现,下文会有介绍)。
5. BootLoader程序的编写
BootLoader程序主要的功能是接收新的程序并把它存储在FLASH的特定位置,然后加载新的程序运行。单片机每次上电都会先读取一个标志位,根据此标志位来决定是运行APP程序还是来运行自己来升级。
flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); (FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 是0x08030000的地址)
当flag = FLAG_TO_APP 则加载App程序,否则执行升级程序。在我的程序中通过串口来完成程序bin文件的传输,为了通信安全制定通信协议,串口接收分为两种:
a. 指令的接收,长度为16个字节,协议示例为
test[16] = {55, aa, 01, 指令长度,命令码,00,00,...00, 和校验位}
和校验位 = 0 - 前15字节的和,
b. 程序文件的接收,每包数据为(2048 + 6)个字节,示例为:
test[2054] = {55, aa, 01, 包号,命令码,数据文件2048字节,和校验位}之所以设置以上的通信协议就是为了保证数据传输的正确性。
- Boot程序的主函数
Boot程序的main函数里主要是读取标志位flag根据flag的值来决定是加载现有的App程序还是运行自身的升级程序,在自身运行时会定时给上位机软件发送BOOT准备完成的指令,告诉上位机我准备好了,并运行 ReceiveUsartData(); 根据串口中断里的标志信息来完成对指令和程序文件的接收。
int main(void)
{ int flag = 3;int nCount = 0;delay_init(); uart_init(115200);LED_Init();TIM3_Init(99, 719); //10ms定时flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); //读取标志位while(1){ //FLASH_EraseAllPages(); //仅在擦除所有FLASH时打开if(flag == FLAG_TO_APP){Iap_Load_App(FLASH_ADDR_APP);} else{ ReceiveUsartData(); //串口接收if(Flag10MS == 1) { Flag10MS = 0; nCount++;if(nCount == 10) //100ms{nCount = 0;USARTxSendRespondToServer(USART1, SERIAL_CODE_STM32_UPDATE_PREPAR_BOOT_OK); //不能发送过快否则会有脏数据LED0 = !LED0;} }}}
}
- 串口初始化程序
使用STM32的USART1,设置波特率为115200、8位数据长度、1个停止位、无校验位,
具体实现见源码的uart_init()函数。
- 串口中断服务程序 void USART1_IRQHandler(void)
在串口中断服务程序中主要是接收上位机升级软件发过来的数据,当UpdateFlag置1时为接收bin程序文件的数据,当UsartRxCodeCount 的计数等于每包传输的总字节数USART_RECEIVE_CODE_DATA_SIZE时,置接收完成标志位UsartReceiveFlag = 1并且置NextPageFlag = 1 跳出中断去ReceiveUsartData()处理,把接收到的数据存储在FLASH的指定位置,不断循环直到文件全部接收完成。升级指令的接收方法 相同,详见代码。
( note:在中断服务函数里,尽量不要做其他的操作,只设定标志位,具体的操作去外面的函数执行。 )
- 重新加载代码的程序
为了实现Boot和App程序之间跳转,则必须在升级完成之后重新加载新的程序文件,其中涉及到在C语言里内嵌汇编语言,代码如下:
void MSR_MSP(u32 addr)
{//asm("MSR MSP, r0"); //使用Keil内嵌汇编时使用这两句//asm("BX r14");__ASM("msr msp, r0"); //set Main Stack value 将主堆栈地址保存到MSP寄存器(R13)中__ASM("bx lr"); //跳转到lr中存放的地址处。bx是强制跳转指令 lr是连接寄存器,是STM32单片机的R14
}typedef void (*IapFun)(void); //定义一个函数类型的参数
IapFun JumpToApp; //跳转到应用程序 AppAddr:用户代码起始地址.
void Iap_Load_App(u32 AppAddr)
{if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) //检查栈顶地址是否合法.{ JumpToApp = (IapFun)*(vu32*)(AppAddr+4); //用户代码区第二个字为程序开始地址(新程序复位地址) MSR_MSP(*(vu32*)AppAddr); //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)JumpToApp(); //设置PC指针为新程序复位中断函数的地址,往下执行}
}
首先 if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) 的作用是检查栈顶地址是否合法,(*(vu32*)AppAddr)是去除用户程序首地 址里面的数据,而这个数据就是用户代码的堆栈地址,而堆栈地址指向RAM,RAM的起始地址是0x20000000,因此可以用上免得语句判断用 户的堆栈地址是否合法。 当判断栈顶地址合法之后取出新的复位中断函数的地址即(vu32*)(AppAddr+4),并把它赋值给函数指针JumpToApp,然后调用 MSR_MSP()函数把主堆栈指针赋值给MSP寄存器,最后调用JumpToApp();来执行新的程序。
(这里涉及到函数指针的知识,一定要理解函数名本身就是该函数的入口地址,它的实质是一个地址。)
上面涉及到嵌入汇编的知识,可能讲解不是很透彻感兴趣的朋友可以参考《Cortex-M3 权威指南》获取更多的了解。
- 中断向量表的设置和起始地址的设置(IAR软件)
在IAR软件中设置程序的中断向量表和程序的入口地址的方法如下:
1. 打开工程,在工程名STM32_BOOT_v1.0上右键--Options
2. 选择Linker--Edit.
3. 设置中断向量表的地址 Vector Table 和 Memory Regions的值
6. App程序的编写
App程序相对简单,它主要包含两部分,一是程序要实现的主体功能(比如点亮LED),主要是你想让App做什么就实现什么;二是通过串口来查询升级指令,当收到升级的命令后要在FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 的地址处写入FLAG_TO_BOOT的标志位,并且调用 Iap_Load_App()l 加载运行BootLoader的程序来完成升级,详细请看源码。
对于App程序的要设置其中断向量表的偏移通过语句 SCB->VTOR = FLASH_BASE | FLASH_VTOR_OFFSET;来实现,FLASH_VTOR_OFFSET这个变量在程序中是 #define FLASH_VTOR_OFFSET ((uint32_t) 0x10000 ) 因为我们的App程序存储地址是 0x08010000 相对于 0x08000000 来说偏移量即为 0x10000, 而且在程序编译时要设置 Vector Table 和 Memory Regions的值为 0x08010000
7. bin文件的转换
升级程序时编译出的程序文件最好选用bin格式的文件,因为bin文件比hex文件要小的多从而占用的FLASH更小,这是比较主观的优点,使用IAR软件编译时可以通过对软件的设置来输出bin格式的可执行文件,设置如下:
a. 打开工程的Options选项卡选择选择Output Converter
b. 在Output format选项中选择 binary格式,同时把Override default输出文件的后缀改为.bin,这样在相应的工程目录下(我的是 STM32_App\Project\EWARM5\Debug\Exe) 路径下就可以找到编译输出的bin格式的可执行文件了。
8. 上位机升级软件的简介
我的上位机升级软件是使用C++写的,具体编码不做介绍了,想了解的朋友可以参考源码。对话框界面如下:
首先设置 端口号 和 波特率 ,然后连接串口,连接成功之后,点击“选择要升级的文件”来实现升级。
升级完成之后会提示“升级完成”。
到此我的IAP实现介绍完成,如果大家有什么问题或者我的程序中大家发现了什么bug可以提出来一起探讨,希望以上内容会对大家学习STM32有所帮助。
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