STM32 之八 在线升级(IAP)超详细图解 及 需要注意的问题解决

IAP 是啥

  IAP( In Application Programming)即在应用编程,也就是用户可以使用自己的程序对MCU的中的运行程序进行更新,而无需借助于外部烧写器。其实ST官网也给出了IAP的示例程序,感兴趣的可以直接去官网搜索。
  这里有一点需要特殊注意,就是在MCU中,有一个特殊区域被称为 System memory。在这块区域中存放了ST公司自己的 bootloader 程序,它是在MCU出厂时,有ST固化到芯片中的,后续不能再更改。其中的 bootloader 程序也可以对MCU进行升级(DFU对芯片的编程应该就是用的这个Bootloader)。而且,芯片不同,BootLoader的功能也是有区别的。ST官网对于这些也是有详细文档的,后续再写篇文章介绍这一块。下图为部分芯片BootLoader版本及功能
STM32 之八 在线升级(IAP)超详细图解 及 需要注意的问题解决_第1张图片

STM32 MCU启动配置

  要实现IAP,首先要了解一下MCU是如何启动的。这一点在芯片的参考手册中都有详细的说明,不同的芯片手册所在位置可能不同,但是一般在第二章会有单独一节叫Boot configuration。如下图:
STM32 之八 在线升级(IAP)超详细图解 及 需要注意的问题解决_第2张图片
主要就是说,启动是通过管脚BOOT0和BOOT1的连接方式来控制的。这个是在硬件设计阶段设计好的。不同的配置决定了,MCU将何处映射到0x00000000。从这里又可以看到一点,MCU眼里只有0x00000000。至于为啥可以从Flash(0x08000000)启动,就是因为MCU内部做了映射。从其他位置启动时同理。

IAP 实现

  要实现IAP,则整个程序实现分为大程序(APP)和小程序(IAP)两部分。其中,APP主要接收升级数据并存储,IAP处理擦除APP,并重新写入升级数据。此外,IAP还应该可以独立接收升级数据的情况。但是,由于Cortex-M0核是没有中断向量表偏移寄存器的,这就导致了在Cortex-M0核的MCU上实现在线升级比较麻烦。在实际产品中,整个程序的基本组成结构:
STM32 之八 在线升级(IAP)超详细图解 及 需要注意的问题解决_第3张图片
实际的IAP流程如下:
STM32 之八 在线升级(IAP)超详细图解 及 需要注意的问题解决_第4张图片
就是这么简单!

注意:
(1)与 Cortex-M3 和 Cortex-M4 不同,Cortex-M0 没有中断向量表偏移寄存器(VTOR寄存器)
(2)Cortex-M3 r2p0 及其之前版本,中断向量表只能位于SRAM或者CODE区域,但是Cortex-M3 r2p1及之后,Cortex-M4 没有该限制!
(3)MCU根据Boot引脚配置将指定地址映射为0x地址!

IAP 启动

  启动网上有很多文章介绍,但是或多或少不是很完善,我只做了一张相对来说比较详细的图,如下:
STM32 之八 在线升级(IAP)超详细图解 及 需要注意的问题解决_第5张图片
  Cortex-M内核规定,中断向量表开始的4个字节存放的是堆栈栈顶的地址,其后是中断向量表各中断服务程序的地址。当发生中断后程序通过查找该表得到相应的中断服务程序入口地址,然后再跳到相应的中断服务程序中执行,中断服务程序中最终调用用户实现的各函数。例如:main函数就是复位中断服务函数中调用的!
  在没有IAP时,上电后从0x08000004处取出复位中断向量的地址,然后跳转到复位中断程序的入口(标号①所示),执行结束后跳转到main函数中(标号②所示)。通常main函数是个死循环,不会退出。在执行main函数的过程中发生中断,则STM32强制将PC指针指回中断向量表处(标号④所示),从中断向量表中找到相应的中断函数入口地址,跳转到相应的中断服务函数(标号⑤所示),执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑥所示)。
  在添加IAP后,上电后仍然从0x08000004处取出复位中断向量的地址,然后跳转到复位中断程序的入口(标号①所示),执行结束后跳转到小程序的main函数中(标号②所示)。在执行小程序main函数的过程中发生中断,则STM32强制将PC指针指回中断向量表处(标号④所示),从中断向量表中找到相应的中断函数入口地址,跳转到相应的中断服务函数(标号⑤所示),执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑥所示)。而想要大程序执行,则必须在小程序中显示强制跳转(标号⑦)。
  在大程序的main函数的执行过程中,如果CPU得到一个中断请求,由于我们设置了中断向量表偏移量为N+M,因此PC指针被强制跳转到0x08000004+N+M处的中断向量表中得到相应的中断函数地址,再跳转到相应新的中断服务函数,执行结束后返回到main函数中来。
  需要注意的是,复位中断比较特殊。产生复位后,PC的值会被硬件强制置为0x08000004。因为,在发生复位后,负责中断向量偏移的寄存器VTOR变为了0,因此,复位后的中断就变为了0x08000004。而其他中断发生时,VTOR为已经设置好的终端向量表偏移。

程序实现

  有了上面的介绍,实现就比较简单了!其实我有设计了一套适用于全部STM32芯片的IAP模板,但是属于公司产品,不方便对外公布!简单说几个重点:

  1. 使用 分散加载文件 实现起来会比较方便
  2. 对于没有中断向量表偏移寄存器的MCU(主要是Cortex-M0核),一般采用将中断向量表复制到指定位置的内存中的方式实现:
    1. 使用分散加载文件在内存中指定一块区域:
    	#if   (defined ( __CC_ARM ))
    	  __IO uint32_t VectorTable[48] __attribute__((section("SECTION_APP_VECTOR")));
    	#elif (defined (__ICCARM__))
    	#pragma location = 0x20000000
    	  __no_init __IO uint32_t VectorTable[48];
    	#elif defined   (  __GNUC__  )
    	  __IO uint32_t VectorTable[48] __attribute__((section(".RAMVectorTable")));
    	#elif defined ( __TASKING__ )
    	  __IO uint32_t VectorTable[48] __at(0x20000000);
    	#endif
    
    1. 将APP的终端向量表复制到以上位置,设置中断向量表重映射
    static void SetVectorTable(void)
    {
    	int i;
    
    	/*!< At this stage the microcontroller clock setting is already configured, 
    	this is done through SystemInit() function which is called from startup
    	file (startup_stm32f0xx.s) before to branch to application main.
    	To reconfigure the default setting of SystemInit() function, refer to
    	system_stm32f0xx.c file
    	*/ 
    
    	/* Relocate by software the vector table to the internal SRAM at 0x20000000 ***/  
    	/* Copy the vector table from the Flash (mapped at the base of the application load address 0x08003000) to the base address of the SRAM at 0x20000000. */
    	for(i = 0; i < 48; i++)
    	{
    		VectorTable[i] = *(__IO uint32_t*)(APP_SPACE_ADDR + (i<<2));
    	}
    
    	/* Enable the SYSCFG peripheral clock */
    	RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);	/* 注意:ST官方例程使用 RCC_APB2PeriphResetCmd是不对的 */
    	/* Remap SRAM at 0x00000000 */
    	SYSCFG_MemoryRemapConfig(SYSCFG_MemoryRemap_SRAM);
    }
    
  3. 在由 IAP 跳转到 APP 时,一定注意把 IAP 中开启的外设全部关闭,否则在刚进入 APP中时,如果产生中断将导致死机等问题。 包括 SysTic 中断!!!包括 SysTic 中断!!!包括 SysTic 中断!!!这里可以做测试:
    1. 测试一:IAP 中开启串口,然后用上位机不停的发送数据,在发送数据过程中执行 IAP 跳转 APP
    2. 将 SysTick 中断 配置时间很短(微秒级别),当程序跳转到 APP 后,会出现 先产生 SysTick 中断,然后才会到 main 函数。此时如果 SysTick 中断中有相关代码,将导致出现错误!
  4. STM32 的 back SRAM 在 IAP 中和 APP 中都初始化时,将导致 APP中的初始化不起作用。如果 IAP 中有使用,则在跳转 APP前必须反初始化。

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