STM32實現IAP功能的學習筆記
最近因專案需求要實現STM32的線上升級即IAP功能，先將這幾天的學習體會和IAP的具體實現總結出來，分享給大家，希望對同樣實現IAP的童鞋有所幫助，文中最後會上傳名為STM32_Update.zip的壓縮檔案裡面包含了STM32_App、STM32_MyBoot_V1.0和升級軟體STM32_UpdateSoftware的原始碼檔案供大家參考。所有程式都經過測試，可以直接在原子哥的開發板上跑，上位機的升級軟體大家可以直接開啟
STM32_Update\STM32_UpdateSoftware\Release\STM32_UpdateSoftware.exe來升級，如果需要檢視原始碼請用VS2010開啟工程檔案。
最終要實現的是：
微控制器每次上電會先執行Boot程式，檢查標誌位如果標誌位為FLAG_TO_APP則直接跳轉到App程式執行，如果標誌位為FLAG_TO_BOOT，則執行Boot程式準備升級。在執行App程式時，當接收到升級的指令後會在FLASH中的某處空間寫下升級的標誌位FLAG_TO_BOOT，並且載入Boot程式，Boot程式會接受新的程式檔案並且儲存在相應的FLASH空間裡，完成升級後會在標誌位的空間寫下FLAG_TO_APP，並且執行新的程式。
帖子包含如下幾個方面：
1. 什麼是IAP?
2. STM32的啟動模式？
3. STM32的FLASH分佈？
4. STM32程式的執行過程？
5. BootLoader程式的編寫（如何實現程式的動態載入）？
6. App程式的編寫？
7. bin檔案的轉換？
8. 上位機串列埠升級軟體的簡介
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1. 什麼是IAP？
IAP的知識網上的各種資料也說的比較明白，在此簡單介紹一下。IAP（ In Application Programming）即線上應用程式設計，也就是使用者可以使用自己的程式對微控制器的User Flash的某一區域（一般為存放自己程式的區域）進行燒寫。在真正的工作中產品釋出後，可以很方便的使用預留的通訊介面（串列埠、USB、網口、藍芽等）來完成程式的升級，從而避免了把機器拆開使用下載器燒寫程式。要實現IAP功能一般要設計兩部分程式碼，一是BootLoader程式，這部分程式儲存在FLASH的某一位置，主要用來引導、升級App程式；二是App程式，這個程式才是實現產品的功能程式。通過BootLoader來完成對App程式的更新升級，這就是IAP功能。
2. STM32的啟動模式
很多初學者對於STM32的啟動並不是很瞭解，這在《STM32的參考手冊》以及網上各種資料裡也有介紹，下面再簡單介紹一下：
STM32有三種啟動方式，主要是通過管腳BOOT0和BOOT1的連線方式來控制的，如下圖所示，因為我們要讓程式從主儲存器啟動，因而在硬體 設計時要選擇第一種方式把BOOT0接到GND，BOOT1任意，可以拉高也可以拉低。
note: STM32上電啟動並不是直接進入main函式，而是先進行系統初始化，這個函式的呼叫是在啟動檔案startup_stm32f10x_hd.s（因為我的微控制器是
3. STM32 FLASH的分佈
STM32每種型號微控制器的FLASH大小及地址分配在晶片手冊裡都有介紹，我使用的是STM32F103RCT6的型號其FLASH為256K屬於大容量產品其
FLASH的分佈如下圖：主儲存塊的地址是從0x08000000到0x0803FFFF共256K
我們在設計程式時把FLASH分成3部分，第一部分從0x08000000到0x0800FFFF共64K來存放BootLoader程式，第二部分為0x08010000
到0x0802FFFF共128K來存放App程式，第三部分從0x08030000開始到0x803FFFF共64K來存放程式執行的標誌位和其他，如下所示：
4. STM32程式的執行過程
STM32的程式執行過程在很多資料裡也都有介紹，因為STM32F103的微控制器是基於Cortex-M3核的，它的內部主要是通過中斷向量表來響應各種中斷，內部快閃記憶體的起始地址是0x08000000，中斷向量表的起始地址是0x8000004，程式啟動後，將首先從“中斷向量表”取出復位中斷向量執行復位中斷程式完成啟動，當中斷來臨時STM32 的內部硬體機制亦會自動將 PC 指標定位到“中斷向量表”處，並根據中斷源取出對應的中斷向量執行相應的中斷服務程式。
如上圖所示STM32的正常啟動流程是：
a. STM32上電後會從 0x8000004 處取出復位中斷向量的地址，並跳轉執行復位中斷服務程式，如標號1所示；
b. 復位中斷復位程式執行完成之後就會跳轉到我們的main函式如標號2所示；
c. main函式一般為死迴圈，當其收到某一中斷請求之後STM32會強制把PC指標指向中斷向量表，如標號3所示；
d. 查詢中斷向量表，根據中斷源來跳轉到相應的中斷服務程式中執行響應的操作；如標號4、5所示；
e. 執行完中斷服務程式之後會再回到main函式中，如標號6所示。
以上是STM32的正常執行過程，而當加入IAP程式之後，執行流程就如下所示：
加入IAP後程序執行如下：
a. STM32復位之後還是從0x8000004處獲取中斷向量表的地址，並跳轉執行復位中斷服務程式，如標號1所示；
b. 執行完復位中斷服務程式之後回撥轉到IAP的main函式中，如標號2所示；
c. IAP的過程就是通過某種選定的通訊方式（如串列埠）來接收程式檔案，並且儲存在指定的FLASH空間裡，隨後會載入新的程式，而新程式
的復位中斷向量起始地址為0X08000004+N+M，取出新程式的復位中斷向量的地址，並跳轉執行新程式的復位中斷服務程式，隨後跳轉
至新程式的 main 函式，如標號3、4所示；
d. 此時在STM32的FLASH裡面會有兩個中斷向量表，在新程式 main 函式執行的過程中，當中斷來臨時PC指標仍會回跳轉至地址為
0x8000004 中斷向量表處，而並不是新程式的中斷向量表，這是由STM32的硬體機制決定的，如標號5所示；
e. 查詢中斷向量表，根據中斷源來跳轉到新的中斷服務程式中執行響應的操作，如標號6所示；
f. 執行完中斷服務程式之後會再回到main函式中，如標號7、8所示。
note:
由上可知新的程式在FLASH中必須放在IAP程式之後的某個地址裡，這裡我的程式中設定的是0x08010000 即偏移量為0x10000，而且新程式
的中斷向量表也要做相應的偏移，偏移量也為0x10000 （地址的設定可以通過編譯軟體來實現，下文會有介紹）。
5. BootLoader程式的編寫
BootLoader程式主要的功能是接收新的程式並把它儲存在FLASH的特定位置，然後載入新的程式執行。微控制器每次上電都會先讀取一個
標誌位，根據此標誌位來決定是執行APP程式還是來執行自己來升級。
flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); （FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 是0x08030000的地址）
當flag = FLAG_TO_APP 則載入App程式，否則執行升級程式。
在我的程式中通過串列埠來完成程式bin檔案的傳輸,為了通訊安全制定通訊協議，串列埠接收分為兩種：
a. 指令的接收，長度為16個位元組，協議示例為
test[16] = {55, aa, 01, 指令長度，命令碼，00,00，...00, 和校驗位}
和校驗位 = 0 - 前15位元組的和，
b. 程式檔案的接收，每包資料為(2048 + 6)個位元組，示例為：
test[2054] = {55, aa, 01, 包號，命令碼，資料檔案2048位元組，和校驗位}
之所以設定以上的通訊協議就是為了保證資料傳輸的正確性。
- Boot程式的主函式
Boot程式的main函式裡主要是讀取標誌位flag根據flag的值來決定是載入現有的App程式還是執行自身的升級程式，在自身執行時會定時給上位機軟體傳送BOOT準備完成的指令，告訴上位機我準備好了，並執行ReceiveUsartData();根據串列埠中斷裡的標誌資訊來完成對指令和程式檔案的接收。
int main(void)
{
int flag = 3;
int nCount = 0;
delay_init();
uart_init(115200);
LED_Init();
TIM3_Init(99, 719); //10ms定時
flag = STMFLASH_ReadHalfWord(FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG); //讀取標誌位
while(1)
{
//FLASH_EraseAllPages(); //僅在擦除所有FLASH時開啟
if(flag == FLAG_TO_APP)
{
Iap_Load_App(FLASH_ADDR_APP);
}
else
{
ReceiveUsartData(); //串列埠接收
if(Flag10MS == 1)
{
Flag10MS = 0;
nCount++;
if(nCount == 10) //100ms
{
nCount = 0;
USARTxSendRespondToServer(USART1, SERIAL_CODE_STM32_UPDATE_PREPAR_BOOT_OK); //不能傳送過快否則會有髒資料
LED0 = !LED0;
}
}
}
}
}
- 串列埠初始化程式
使用STM32的USART1，設定波特率為115200、8位資料長度、1個停止位、無校驗位，
具體實現見原始碼的uart_init()函式。
- 串列埠中斷服務程式 void USART1_IRQHandler(void)
在串列埠中斷服務程式中主要是接收上位機升級軟體發過來的資料，當UpdateFlag置1時為接收bin程式檔案的資料，當UsartRxCodeCount
的計數等於每包傳輸的總位元組數USART_RECEIVE_CODE_DATA_SIZE時，置接收完成標誌位UsartReceiveFlag = 1並且置NextPageFlag = 1
跳出中斷去ReceiveUsartData()處理,把接收到的資料儲存在FLASH的指定位置，不斷迴圈直到檔案全部接收完成。升級指令的接收方法
相同，詳見程式碼。
（note：在中斷服務函式裡，儘量不要做其他的操作，只設定標誌位，具體的操作去外面的函式執行。）
- 重新載入程式碼的程式
為了實現Boot和App程式之間跳轉，則必須在升級完成之後重新載入新的程式檔案,其中涉及到在C語言裡內嵌組合語言，程式碼如下：
void MSR_MSP(u32 addr)
{
//asm("MSR MSP, r0"); //使用Keil內嵌彙編時使用這兩句
//asm("BX r14");
__ASM("msr msp, r0"); //set Main Stack value 將主堆疊地址儲存到MSP暫存器(R13)中
__ASM("bx lr"); //跳轉到lr中存放的地址處。bx是強制跳轉指令 lr是連線暫存器，是STM32微控制器的R14
}
typedef void (*IapFun)(void); //定義一個函式型別的引數
IapFun JumpToApp;
//跳轉到應用程式 AppAddr:使用者程式碼起始地址.
void Iap_Load_App(u32 AppAddr)
{
if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) //檢查棧頂地址是否合法.
{
JumpToApp = (IapFun)*(vu32*)(AppAddr+4); //使用者程式碼區第二個字為程式開始地址(新程式復位地址)
MSR_MSP(*(vu32*)AppAddr); //初始化APP堆疊指標(使用者程式碼區的第一個字用於存放棧頂地址)
JumpToApp(); //設定PC指標為新程式復位中斷函式的地址，往下執行
}
}
首先 if(((*(vu32*)AppAddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) 的作用是檢查棧頂地址是否合法，(*(vu32*)AppAddr)是去除使用者程式首地
址裡面的資料，而這個資料就是使用者程式碼的堆疊地址，而堆疊地址指向RAM，RAM的起始地址是0x20000000，因此可以用上免得語句判斷用
戶的堆疊地址是否合法。
當判斷棧頂地址合法之後取出新的復位中斷函式的地址即(vu32*)(AppAddr+4)，並把它賦值給函式指標JumpToApp，然後呼叫
MSR_MSP()函式把主堆疊指標賦值給MSP暫存器，最後呼叫JumpToApp();來執行新的程式。
（這裡涉及到函式指標的知識，一定要理解函式名本身就是該函式的入口地址，它的實質是一個地址。）
上面涉及到嵌入彙編的知識，可能講解不是很透徹感興趣的朋友可以參考《Cortex-M3 權威指南》獲取更多的瞭解。
- 中斷向量表的設定和起始地址的設定（IAR軟體）
在IAR軟體中設定程式的中斷向量表和程式的入口地址的方法如下：
1. 開啟工程，在工程名STM32_BOOT_v1.0上右鍵--Options
2. 選擇Linker--Edit.
3. 設定中斷向量表的地址Vector Table 和 Memory Regions的值
6. App程式的編寫
App程式相對簡單，它主要包含兩部分，一是程式要實現的主體功能(比如點亮LED)，主要是你想讓App做什麼就實現什麼；二是通過串列埠來查詢升級指令，當收到升級的命令後要在FLASH_ADDR_UPDATE_FLAG 的地址處寫入FLAG_TO_BOOT的標誌位，並且呼叫Iap_Load_App()l載入執行BootLoader的程式來完成升級，詳細請看原始碼。
對於App程式的要設定其中斷向量表的偏移通過語句 SCB->VTOR = FLASH_BASE | FLASH_VTOR_OFFSET;來實現，FLASH_VTOR_OFFSET這個變數在程式中是 #define FLASH_VTOR_OFFSET ((uint32_t)0x10000) 因為我們的App程式儲存地址是0x08010000相對於0x08000000來說偏移量即為0x10000，而且在程式編譯時要設定Vector Table 和 Memory Regions的值為0x08010000
7. bin檔案的轉換
升級程式時編譯出的程式檔案最好選用bin格式的檔案，因為bin檔案比hex檔案要小的多從而佔用的FLASH更小，這是比較主觀的優點，使用IAR軟體編譯時可以通過對軟體的設定來輸出bin格式的可執行檔案，設定如下：
a. 開啟工程的Options選項卡選擇選擇Output Converter
b. 在Output format選項中選擇 binary格式，同時把Override default輸出檔案的字尾改為.bin，這樣在相應的工程目錄下(我的是
STM32_App\Project\EWARM5\Debug\Exe) 路徑下就可以找到編譯輸出的bin格式的可執行檔案了。
8. 上位機升級軟體的簡介
我的上位機升級軟體是使用C++寫的，具體編碼不做介紹了，想了解的朋友可以參考原始碼。對話方塊介面如下：
首先設定埠號和波特率，然後連線串列埠，連線成功之後，點選“選擇要升級的檔案”來實現升級。
升級完成之後會提示“升級完成”。
到此我的IAP實現介紹完成，如果大家有什麼問題或者我的程式中大家發現了什麼bug可以提出來一起探討,希望以上內容會對大家學習STM32有所幫助。
STM32_Update.zip (17.52 MB, 下載次數: 35934)