固件升級方案綜述

單片機的固件升級方式有很多種，
1、ICP：In Circuit Programing，簡單說就是在單片機開發(fā)時使用燒錄器升級程序，比如使用J-Link燒錄單片機程序。
2、ISP：In System Programing，在單片機內(nèi)部實現(xiàn)了基于通信接口（如串口、I2C、SPI等等）的FLASH引導(dǎo)程序，配合廠家提供的燒錄軟件工具或自行開發(fā)的軟件實現(xiàn)程序燒錄。
3、IAP：In applicating Programing，是指單片機程序開發(fā)好之后在運行過程中由外部用戶發(fā)起的在線升級，這種升級方式一般由用戶自行設(shè)計升級方案，方案靈活性和自由度較高，在智能家居、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中常用的OTA（Over The Air）即空中下載技術(shù)原理也與之類似。
本文以STM32單片機為例介紹了IAP的設(shè)計原理。

劃分FALSH存儲區(qū)域

在STM32系列單片機中，程序存儲在內(nèi)部FLASH中，按照不同的單片機型號FLASH大小有所不同，有64KB、128KB、512KB等等。以STM32F407VET6系列單片機為例，內(nèi)置FLASH大小為512KB，存儲地址為0x08000000-0x0807FFFF。單片機每次程序復(fù)位時從0x08000000的位置開始執(zhí)行主程序，如果不做IAP則這512KB空間都可以用來存儲用戶編寫的APP程序。
若要實現(xiàn)IAP功能則必須將FLASH空間劃分為幾個部分，每部分都存儲一個可以獨立運行的程序文件（可以理解為幾個獨立的單片機工程）：
1、引導(dǎo)程序，每次復(fù)位時程序默認執(zhí)行此程序，在接下來的執(zhí)行過程中可以跳轉(zhuǎn)到用戶編寫的程序，因此這部分程序是固化在以0x08000000為起始的區(qū)域中。在引導(dǎo)程序中可以對電路系統(tǒng)作出一些自檢和初始化檢查的工作，因此該程序又稱為bootloader或boot程序，需要注意的是在設(shè)計bootloader時要提前規(guī)定好程序空間的大小，比如規(guī)定程序存儲區(qū)域為0x08000000-0x8007FFF，則bootlader程序存儲空間為32KB，編寫boot程序時要注意這一點
2、用戶需要升級的新程序，這部分包含了用戶的業(yè)務(wù)代碼，復(fù)雜的運算邏輯和算法實現(xiàn)均在這一部分完成，稱為APP程序，該部分程序一般存儲在bootloader區(qū)域之后的FLASH中。用一個不是特別恰當?shù)睦宇惐萣ootloader和APP：bootloader相當于電腦組裝時的BIOS，APP則相當于操作系統(tǒng)，電腦開機時首先運行BIOS，完成后跳轉(zhuǎn)運行到操作系統(tǒng)。
3、升級之前的老版APP備份。這部分相當于電腦系統(tǒng)更新前對老系統(tǒng)的備份，一旦在升級過程中發(fā)生錯誤需要還原到備份系統(tǒng)，防止系統(tǒng)升級失敗成磚。同樣的APP與APP備份將剩余的FLASH平分，以上述booloader為例，APP程序及其備份所占區(qū)域為：（512-32）/2=240KB，因此編寫的APP程序編譯后的占用的FLASH空間不得超過240KB，這一點可以通過查驗.map文件確認，對于不同F(xiàn)LASH大小的芯片可以類比以上計算方法確認自己的程序大小上限（在此插入一句，改變編譯器的優(yōu)化等級可以改變最后的程序大小，但是高的優(yōu)化等級對程序編寫規(guī)范要求更高，因此優(yōu)化等級應(yīng)該在一開始設(shè)計APP之前就確定好，中途變更會帶來不可預(yù)測的問題）。
以STM32F407VET6單片機為例劃分后的FALSH存儲框圖如下所示：

bootlader設(shè)計

根據(jù)上面的描述，bootloader主要有完成以下功能：
1、系統(tǒng)自檢
2、實現(xiàn)APP程序跳轉(zhuǎn)
3、升級過程中接收APP文件并存儲到對應(yīng)的FLASH區(qū)域
功能1、3對于不同的系統(tǒng)要求不同，自檢的內(nèi)容以及實現(xiàn)文件傳輸?shù)奈锢韺咏涌诤玩溌穮f(xié)議不同，不在此過多描述。下面主要給出APP跳轉(zhuǎn)的部分代碼：

#define  APP_ADDR     0x08008000    //應(yīng)用程序起始地址 
typedef  void (*pFunction)(void);   //重定義pFunction為void(*)(void)函數(shù)指針類型
void jump(void)
{
	uint32_t      APP_ADDR_Buff=0;   //緩存APP地址數(shù)值
	uint32_t      APP_ADDR_Value=0;  //APP地址的內(nèi)容
	uint32_t     Jump_ADDR;        //跳轉(zhuǎn)的目標地址
	pFunction    Jump_APP;        //跳轉(zhuǎn)的目標函數(shù)指針
	APP_ADDR_Buff = APPLICATION_ADDRESS; //用戶程序的首地址
	APP_ADDR_Value = (*(volatile uint32_t*)APP_ADDR_Buff);//取出首地址里面的值
	if (( APP_ADDR_Value & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000) //判斷APP首地址里面存的棧頂?shù)刂分凳欠窈戏?	{
			DISABLE_INTERRUPTS(); //關(guān)總中斷，使用不同的庫寫法不同，不可直接復(fù)制
			RCC_DeInit();//將外設(shè)RCC寄存器重設(shè)為缺省值，使用不同的庫寫法不同，不可直接復(fù)制
			Jump_ADDR = *(volatile uint32_t*)(APP_ADDR_Buff + 4);//APP起始地址第二個字為程序開始地址(新程序復(fù)位地址)
		    //指針函數(shù)指向用戶程序地址，也就是PC指針goto到用戶程序起始地址
			Jump_APP = (pFunction)Jump_ADDR; //取出程序地址給指針函數(shù)
			__set_MSP(*(volatile uint32_t*)APP_ADDR_Buff);    //初始化APP的堆棧指針 
			Jump_APP();     //執(zhí)行指針函數(shù)，實現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)
	}
    else
    {
        ErrorHandle();  //拋出異常
    }
}
int main(void)
{

	SystemInit();//系統(tǒng)時鐘初始化
	SYSInit();  //系統(tǒng)初始化
	delay_ms(200);	
    if(ReadProgramAPPFlag())  //如果需要更新APP
    {
        APP_FlashWrite(); //接收APP文件數(shù)據(jù)，并將APP程序存儲到指定位置
        if(APP_Check())   //APP文件校驗通過，將新的APP程序更新到備份區(qū)域
            APP_Backup(); 
        else			 //否則恢復(fù)備份區(qū)
            APP_Restore();
        ResetProgramAPPFlag();  //對完成升級的標志復(fù)位
    }
    jump();    //正常情況下運行到這一步時APP區(qū)域已經(jīng)正確寫入程序文件
	while(1);	  
}

其中ReadProgramDoneFlag()是判斷程序應(yīng)該是先接收升級文件再跳轉(zhuǎn)還是直接跳轉(zhuǎn)的標志，在APP中如果有升級需求則對這個標志置位，在bootloader中完成文件接收之后對標志復(fù)位，需要注意的時這個標志位不是全局變量也不是局部變量，要保證程序跳轉(zhuǎn)，初始化堆棧之后這個標志的值不受影響，因此該標志變量最佳選擇是寫在外部EEPROM或內(nèi)置FLASH中，讀寫標志的操作其實是對EEPROM或FLASH的讀寫。

編寫APP程序

APP程序中實現(xiàn)了用戶的業(yè)務(wù)代碼，和由APP跳轉(zhuǎn)回bootloader的邏輯，實際的操作還是對上文中程序存儲Flag的讀寫，這部分邏輯實現(xiàn)的流程圖如下圖所示：

由于APP程序?qū)?yīng)的是另外一個工程文件，因此在工程設(shè)置中要將FLASH的偏移地址向下移動，空出bootlader的區(qū)域，比如上文中bootloader區(qū)域是0x08000000-0x08008000，因此APP工程的FLASH起始地址是0x8008000，偏移量是0x8000，這一點非常重要。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-649468.html

到了這里，關(guān)于STM32單片機實現(xiàn)固件在線升級（IAP）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！