STM32速成笔记—串口IAP
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。
文章目录
- 一、串口IAP简介
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- 1.1 什么是IAP
- 1.2 STM32下载程序
- 二、串口IAP有什么作用
- 三、启动流程
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- 3.1 正常启动流程
- 3.2 加入IAP后的启动流程
- 四、必备知识
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- 4.1 修改程序运行起始地址
- 4.2 设置中断向量表偏移
- 4.3 生成.bin文件
- 五、串口IAP实现
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- 5.1 串口中断服务函数
- 5.2 Flash写入程序
- 5.3 IAP程序
- 5.4 main函数
- 六、注意事项
一、串口IAP简介
1.1 什么是IAP
IAP，英文全程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——Bootloader和Application。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。
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。
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。
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 "[email protected]" "#L"
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。
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。