STM32 IAP應(yīng)用開發(fā)——通過串口/RS485實現(xiàn)固件升級（方式1）

什么是IAP？

IAP（In-Application Programming） 指MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對自己重新編程，即可用程序來改變程序。在應(yīng)用編程（IAP）是用戶的應(yīng)用代碼對片內(nèi)Flash存儲器進(jìn)行擦除/編程的方法。這種方式的典型應(yīng)用就是用一小段代碼來實現(xiàn)程序的下載，實際上單片機(jī)的ISP功能就是通過IAP技術(shù)來實現(xiàn)的，即片子在出廠前就已經(jīng)有一段小的boot程序在里面，片子上電后，開始運行這段程序，當(dāng)檢測到上位機(jī)有下載要求時，便和上位機(jī)通信，然后下載數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，從而實現(xiàn)固件升級。

什么是BootLoader？

百度百科：在嵌入式操作系統(tǒng)中，BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行。可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序（注，有的嵌入式CPU也會內(nèi)嵌一段短小的啟動程序），因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由BootLoader來完成。

實際上，BootLoader不僅僅在操作系統(tǒng)上使用，在一些內(nèi)存小，功能應(yīng)用較為簡單的單片機(jī)設(shè)備上面也可以通過BootLoader來完成OTA升級。

我之前也有發(fā)過一些關(guān)于STM32遠(yuǎn)程升級的文章，實現(xiàn)的方式有很多種，感興趣的同學(xué)可以去看一下。
固件升級系列合集：https://blog.csdn.net/ShenZhen_zixian/article/details/129074047

那么這一期我來介紹一下如何自己制作一個BootLoader程序，并且通過串口或者RS485實現(xiàn)固件升級。

1 環(huán)境搭建

關(guān)于STM32以及Keil的環(huán)境這里就不具體介紹了，網(wǎng)上教程也很多，不懂的同學(xué)自行查閱資料。

2 功能描述

在做bootloader之前一定要先想好升級的途徑和方式，這樣才好規(guī)劃分區(qū)以及制作bootloader。

關(guān)于bootloader詳細(xì)的講解，可以看下我之前發(fā)的博客：

STM32 IAP應(yīng)用開發(fā)——自制BootLoader

分區(qū)介紹：

我用的是STM32F407，內(nèi)存是512K的（想用內(nèi)存更小的MCU也是可以的，改下各個分區(qū)的內(nèi)存分配就行了）。

注：F4系列的MCU不像F1那樣，內(nèi)存扇區(qū)都很大(最少也是16K)，而且同一塊扇區(qū)只能一起擦除，所以就沒辦法分的那么細(xì)了。詳細(xì)的內(nèi)存分布可以參考下面的兩個圖。

STM32F4x扇區(qū)分布圖如下：

STM32F1x扇區(qū)分布圖如下：

那么我這里呢，就用一個512k的內(nèi)存，分成4個區(qū)域，來實現(xiàn)升級的功能。

分區(qū)表如下：

方案介紹：

1）bootloader部分：

運行時從setting分區(qū)里面讀取升級相關(guān)的數(shù)據(jù)，確定是否需要升級，如果需要，則把download分區(qū)的固件搬運到app分區(qū)，如果不需要升級則直接跳轉(zhuǎn)到app分區(qū)。另外，使用串口1來打印運行的一些信息。

2）APP部分：

通過串口2或者RS485連接到PC端，然后等待上位機(jī)發(fā)送特定的升級命令，如果MCU收到命令，則進(jìn)入下載模式，然后通過串口2或者RS485傳輸新固件到download分區(qū)，并且在下載完成后把升級標(biāo)志寫入到setting分區(qū)里面。

我這里圖方便，串口傳輸固件的方式我采用的是Ymodem協(xié)議，因為這個協(xié)議很多tool都可以用，就不用專門做一個上位機(jī)了。如果你想用其他的協(xié)議或者自定義協(xié)議其實都是可以的，稍做修改就行。

3 程序編寫

3.1 BootLoader部分

不管用的是什么MCU，要實現(xiàn)固件升級都離不開BootLoader，BootLoader是一個統(tǒng)稱，它其實只是一段引導(dǎo)程序，在MCU啟動的時候會先運行這段代碼，判斷是否需要升級，如果不需要升級就跳轉(zhuǎn)到APP分區(qū)運行用戶代碼，如果需要升級則先通過一些硬件接口接收和搬運要升級的新固件，然后再跳轉(zhuǎn)到APP分區(qū)運行新固件，從而實現(xiàn)固件升級。

BootLoader的制作需要根據(jù)實際的需求來做，不同的運行方式或者升級方式在做法上都是有區(qū)別的，包括BootLoader所需要的內(nèi)存空間也不盡相同。

不過不管是用什么方式，Bootloader都應(yīng)該盡可能做的更小更簡潔，這樣的話內(nèi)存的開銷就更小，對于內(nèi)存較小的MCU來說壓力就沒那么大了。

示例代碼如下：

分區(qū)定義：

#define FLASH_SECTOR_SIZE           1024
#define FLASH_SECTOR_NUM            512    // 512K
#define FLASH_START_ADDR            ((uint32_t)0x8000000)
#define FLASH_END_ADDR              ((uint32_t)(0x8000000 + FLASH_SECTOR_NUM * FLASH_SECTOR_SIZE))

//flash sector addr
#define ADDR_FLASH_SECTOR_0         ((uint32_t)0x08000000) 	//sector0 addr, 16 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_1         ((uint32_t)0x08004000) 	//sector1 addr, 16 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_2         ((uint32_t)0x08008000) 	//sector2 addr, 16 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_3         ((uint32_t)0x0800C000) 	//sector3 addr, 16 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_4         ((uint32_t)0x08010000) 	//sector4 addr, 64 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_5         ((uint32_t)0x08020000) 	//sector5 addr, 128 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_6         ((uint32_t)0x08040000) 	//sector6 addr, 128 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_7         ((uint32_t)0x08060000) 	//sector7 addr, 128 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_8         ((uint32_t)0x08080000) 	//sector8 addr, 128 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_9         ((uint32_t)0x080A0000) 	//sector9 addr, 128 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_10        ((uint32_t)0x080C0000) 	//sector10 addr,128 Kbytes  
#define ADDR_FLASH_SECTOR_11        ((uint32_t)0x080E0000) 	//sector11 addr,128 Kbytes  

#define BOOT_SECTOR_ADDR            0x08000000
#define BOOT_SECTOR_SIZE            0x4000
#define SETTING_SECTOR_ADDR         0x08004000
#define SETTING_SECTOR_SIZE         0x4000
#define APP_SECTOR_ADDR             0x08008000     // APP sector start address  
#define APP_SECTOR_SIZE             0x18000        // APP sector size    
#define DOWNLOAD_SECTOR_ADDR        0x08020000     // Download sector start address
#define DOWNLOAD_SECTOR_SIZE        0x20000        // Download sector size 

程序跳轉(zhuǎn)：

uint8_t jump_app(uint32_t app_addr) 
{
    uint32_t jump_addr;
    jump_callback cb;
    if (((*(__IO uint32_t*)app_addr) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000) 
    {  
        jump_addr = *(__IO uint32_t*) (app_addr + 4);  
        cb = (jump_callback)jump_addr;  
        __set_MSP(*(__IO uint32_t*)app_addr);  
        cb();
        return 1;
    } 
    return 0;
}

主函數(shù)：

void print_boot_message(void)
{
    uart_log("---------- Enter BootLoader ----------rn");
    uart_log("rn");
    uart_log("======== flash pration table =========rn");
    uart_log("| name     | offset     | size       |rn");
    uart_log("--------------------------------------rn");
    uart_log("| boot     | 0x08000000 | 0x00004000 |rn");
    uart_log("| setting  | 0x08004000 | 0x00004000 |rn");
    uart_log("| app      | 0x08008000 | 0x00018000 |rn");
    uart_log("| download | 0x08020000 | 0x00020000 |rn");
    uart_log("======================================rn");
}

int main() 
{
    process_status process;
    uint16_t i;
    uint8_t boot_state;
    uint8_t down_buf[128];
    uint32_t down_addr;
    uint32_t app_addr;

    delay_init(168);
    uart_init(115200);
    print_boot_message();

    boot_parameter.process = read_setting_boot_state();
    boot_parameter.addr = APP_SECTOR_ADDR;

    while (1) 
    {
        process = get_boot_state();
        switch (process) 
        {
            case START_PROGRAM:
                uart_log("start app...rn");
                delay_ms(50);
                if (!jump_app(boot_parameter.addr)) 
                {
                    uart_log("no programrn");
                    delay_ms(1000);
                }
                uart_log("start app failedrn");
                break;
            case UPDATE_PROGRAM:
                uart_log("update app program...rn");
                app_addr = APP_SECTOR_ADDR;
                down_addr = DOWNLOAD_SECTOR_ADDR;

                uart_log("app addr: 0x%08X rn", app_addr);
                uart_log("down addr: 0x%08X rn", down_addr);

                uart_log("erase mcu flash...rn");
                mcu_flash_erase(app_addr, APP_ERASE_SECTORS_NUM);  
                uart_log("mcu flash erase successrn");
            
                uart_log("write mcu flash...rn");
                // memset(down_buf, 0, sizeof(down_buf));
                for (i = 0; i < (APP_SECTOR_SIZE / 1024) * 8; i++)
                {
                    mcu_flash_read(down_addr, &down_buf[0], 128);
                    delay_ms(5);
                    mcu_flash_write(app_addr, &down_buf[0], 128);
                    delay_ms(5);
                    down_addr += 128;
                    app_addr += 128;
                    // uart_log("mcu_flash_write: %drn", i);
                }
                uart_log("mcu flash write successrn");

                set_boot_state(UPDATE_SUCCESS);
                break;
            case UPDATE_SUCCESS:
                uart_log("update successrn");
                boot_state = UPDATE_SUCCESS_STATE;
                write_setting_boot_state(boot_state);
                set_boot_state(START_PROGRAM);
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

關(guān)于bootloader詳細(xì)的講解，可以看下我之前發(fā)的博客：

STM32 IAP應(yīng)用開發(fā)——自制BootLoader

完整代碼下載地址：https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87546126

3.2 APP的制作

APP部分根據(jù)自己實際的功能來做，我這里用的是串口或者RS485連接PC端，然后傳輸固件的協(xié)議用的是Ymodem。

當(dāng)然了，協(xié)議也是可以自定義，只要能正確的把固件從PC端搬運到MCU的flash就行了。

示例代碼如下：

Ymodem協(xié)議部分：

注：詳細(xì)的協(xié)議解析這里就不講解了，不懂的同學(xué)自行查閱資料。

void ymodem_ack(void) 
{
    uint8_t buf;
    buf = YMODEM_ACK;
    RS485_Send_Data(&buf, 1);
}

void ymodem_nack(void) 
{
    uint8_t buf;
    buf = YMODEM_NAK;
    RS485_Send_Data(&buf, 1);
}

void ymodem_c(void) 
{
    uint8_t buf;
    buf = YMODEM_C;
    RS485_Send_Data(&buf, 1);
}

void set_ymodem_status(process_status process) 
{
    ymodem.process = process;
}

process_status get_ymodem_status(void) 
{
    process_status process = ymodem.process;
    return process;
}

void ymodem_start(ymodem_callback cb) 
{
    if (ymodem.status == 0) 
    {
        ymodem.cb = cb;
    }
}

void ymodem_recv(download_buf_t *p) 
{
    uint8_t type = p->data[0];
    switch (ymodem.status) 
    {
        case 0:
            if (type == YMODEM_SOH) 
            {
                ymodem.process = BUSY;
                ymodem.addr = DOWNLOAD_SECTOR_ADDR;
                mcu_flash_erase(ymodem.addr, ERASE_SECTORS);
                ymodem_ack();
                ymodem_c();
                ymodem.status++;
            }
            else if (type == '1') 
            {
                uart_log("enter update modern");
                ymodem.process = UPDATE_PROGRAM;
            }
            break;
        case 1:
            if (type == YMODEM_SOH || type == YMODEM_STX) 
            {
                if (type == YMODEM_SOH) 
                {
                    mcu_flash_write(ymodem.addr, &p->data[3], 128);
                    ymodem.addr += 128;
                }
                else 
                {
                    mcu_flash_write(ymodem.addr, &p->data[3], 1024);
                    ymodem.addr += 1024;
                }
                ymodem_ack();
            }
            else if (type == YMODEM_EOT) 
            {
                ymodem_nack();
                ymodem.status++;
            }
            else 
            {
                ymodem.status = 0;
            }
            break;
        case 2:
            if (type == YMODEM_EOT) 
            {
                ymodem_ack();
                ymodem_c();
                ymodem.status++;
            }
            break;
        case 3:
            if (type == YMODEM_SOH) 
            {
                ymodem_ack();
                ymodem.status = 0;
                ymodem.process = UPDATE_SUCCESS;
            }
    }
    p->len = 0;
}

void ymodem_handle(void)
{
    uint8_t boot_state;
    process_status process;

    process = get_ymodem_status();
    switch (process) 
    {
        case START_PROGRAM:
            break;
        case UPDATE_PROGRAM:
            ymodem_c();
            delay_ms(1000);
            break;
        case UPDATE_SUCCESS:
            boot_state = UPDATE_PROGRAM_STATE;
            mcu_flash_erase(SETTING_BOOT_STATE, 1);
            mcu_flash_write(SETTING_BOOT_STATE, &boot_state, 1);
            // mcu_flash_read(SETTING_BOOT_STATE, &boot_state, 1);
            // uart_log("boot_state:%drn", boot_state);
            uart_log("firmware download successrn");
            uart_log("system reboot...rn");
            delay_ms(2000);
            system_reboot();
            break;
        default:
            break;
    }
}

void ymodem_init(void)
{
    RS485_Init(115200);
    timer_init();
    queue_initiate(&rx_queue);
}

主函數(shù)：

#define APP_VERSION   "V100"

void print_boot_message(void)
{
    uart_log("======================================rn");
    uart_log("-------------- Enter APP -------------rn");
    uart_log ("app version is: %srn", APP_VERSION);
    uart_log("======================================rn");
}

int main(void)
{
    delay_init(168);
    uart_init(115200);
    ymodem_init();
    print_boot_message();
    
    uart_log ("app init successrn");
    while (1)
    {
        ymodem_handle();
    }
}

修改中斷向量：

bootloader的運行地址是在起始地址上的，所以中斷向量是0，不用改。

但是app的運行地址是在起始地址上做了偏移的，所以中斷向量也要改，不然會運行會出問題。

#define VECT_TAB_OFFSET  0x8000

注：這個變量定義在system_stm32f4xx.c中可以找到。

完整代碼下載地址：https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87546126

4 修改工程中的內(nèi)存配置

因為我們對stm32的內(nèi)存進(jìn)行了分區(qū)，不同的代碼要存放在不同的區(qū)域，因此，我們在編譯工程之前需要先定義好各自的區(qū)域，以免出現(xiàn)內(nèi)存越界。

4.1 Bootloader工程內(nèi)存配置

Bootloader的起始地址不需要改，按flash默認(rèn)地址即可，size需要改成實際分區(qū)大小。

4.2 APP工程內(nèi)存配置

APP的起始地址和size都需要根據(jù)實際的分區(qū)來改。

5 燒錄相關(guān)配置

我們的Bootloader做好以后需要燒錄到MCU里面，可以直接用Keil uVison來下載，也可以用J-Flash或者其他，這個都沒關(guān)系，但是要注意內(nèi)存的分配，要把固件燒到對應(yīng)的內(nèi)存地址上。

5.1 BootLoader部分

1）使用Keil uVision下載

如果是用keil下載的話，需要注意flash的配置，具體如下：

2）使用其他下載工具

如果是用J-Flash或者STlink的工具燒錄的話注意燒錄的起始地址是0x08000000就好了。

5.2 APP部分

1）使用Keil uVision下載

跟BootLoader一樣，我們按照前面分配好的空間配置APP的參數(shù)即可。

2）使用其他下載工具

如果是用J-Flash或者STlink的工具燒錄的話注意燒錄的起始地址是0x08008000就好了。

6 運行測試

用串口助手查看運行l(wèi)og（我這里用的是XShell，用其他的也是可以的）。

1）開始運行代碼

不需要升級時直接跳轉(zhuǎn)到App區(qū)，如下圖：

2）進(jìn)入燒錄模式

進(jìn)入APP之后，往串口2/RS485發(fā)送一個字符"1"，進(jìn)入升級模式，然后通過調(diào)試工具發(fā)送新固件的bin文件。

注：為了方便調(diào)試才用了一個字符"1"，實際使用的話最好改一下，太簡單的話容易出現(xiàn)誤操作。

串口調(diào)試窗口log如下圖：

3）通過Ymodem傳輸新固件

調(diào)試工具我用的是XShell，實際上用其他工具也行，只要支持Ymodem方式傳輸文件即可。

4）升級固件

固件搬運完成后自動重啟，重新運行Bootloader，然后進(jìn)行固件的升級。

至此，整個升級流程就走完了。

結(jié)束語

好了，關(guān)于自制BootLoader并實現(xiàn)串口和RS485在線升級的介紹就講到這里，本文列舉的例子其實只是升級的其中一種方式，只是提供一個思路，不是唯一的方法，實際上最好還是根據(jù)自己實際的需求來做。

需要源碼的同學(xué)可以在下面的鏈接下載，我把BootLoader和APP都上傳了。

如果你有什么問題或者有更好的方法，歡迎在評論區(qū)留言。

完整代碼下載地址：https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87546126