电子产品如何使用IAP方式升级程序

不脱发的程序猿

发布于 2021-01-20 11:35:53

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发布于 2021-01-20 11:35:53

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1、ICP、ISP和IAP的概念

在项目开发过程中通常使用SWD、JTAG等工具进行程序烧录和仿真，若产品节点较少还是比较方便，但是当设备节点量产时，就需要使用IAP的方式进行程序烧录。

简单说明几个概念ICP、ISP和IAP。

ICP In-circuit programmer

ICP：在电路编程，MCU内部不需要有程序，上电就能够对程序存储区域进行编程，例如平时使用JTAG、SWD等方式。

ISP In-system programer

ISP：在系统编程，通过MCU专用的串行编程接口进行编程，MCU需要具有运行的外部条件，例如有晶振等。

例如STM32通过设置BOOT引脚设置对应启动模式，然后通过串口等对内部Flash进行升级，可以说这种方式就是厂家在芯片内部固化了一个BootLoader程序。

IAP In-application programer

IAP：在应用编程，开发者设计BootLoader程序，通过串口、CAN、以太网等通信方式实现程序升级。

2、IAP升级程序的原理

通常一块MCU芯片的Code(代码)区内只有一个用户程序，而IAP方案则是将代码区划分为两部分，两部分区域各存放一个程序，一个为BootLoader(引导加载程序)，另一个为User Application(用户应用程序)。

BootLoader在出厂时就固定下来了，在需要变更User Application时只需要通过触发BootLoader对User Application的擦除和重新写入即可完成用户应用的更换。

程序执行初始化后首先会进入BootLoader，在BootLoader里面检测条件是否被触发(可通过按键是否被按下、串口是否接收到特定的数据、U盘是否插入等)，如果有则进行对User Application进行擦除和重新写入操作新程序，如果没有则直接跳转到BootLoader执行User Application。

3、IAP升级程序的流程

假设设备仅有User Application，以STM32F103ZET6为例，其启动方式有三种：内置FLASH启动、内置SRAM启动、系统存储器ROM启动。通过BOOT0和BOOT1引脚的设置可以选择从哪中方式启动，这里选择内置的FLASH启动，STM32F103ZET6 FLASH的地址为0x08000000—0x0807FFFF，共512KB。

通常STM32发生中断的过程为以下五步：

1、发生中断(中断请求)；

2、到中断向量表查找中断函数入口地址；

3、跳转到中断函数；

4、执行中断函数；

5、中断返回。

也就是说，STM32的内置的Flash中有一个中断向量表来存放各个中断服务函数的入口地址，内置Flash的分配情况如下图所示：

所以当只有一个程序的情况下（仅有User Applicatio时），程序执行的走向如下所示：

解析上图：

STM32F103ZET6有一个中断向量表，这个中断向量表存放在代码开始部分的后4个字节处(即0x08000004)，代码开始的4个字节存放的是堆栈栈顶的地址，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。

设备上电后从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)。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③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④所示)，执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑤所示)。

下面要讲正题了。

若将STM32F103ZET6在内置的Flash里面添加User Application和BootLoader程序，则Flash分配情况大致如下图所示：

此时，User Application和BootLoader程序各有一个中断向量表，假设BootLoader程序占用的空间为N+M字节，则程序的走向应该如下图所示：

解析上图：

设备上电初始程序依然从0x08000004处取出复位中断向量地址，执行复位中断函数后跳转到IAP的main(标号①所示)，在IAP的main函数执行完成后（在BootLoader里面检测条件是否被触发(可通过按键是否被按下、串口是否接收到特定的数据、U盘是否插入等)，如果有则进行对User Application进行擦除和重新写入操作新程序，如果没有则直接跳转到BootLoader执行User Application）强制跳转到0x08000004+N+M处(标号②所示)，最后跳转到新的main函数中来(标号③所示)，当发生中断请求后，程序跳转到新的中断向量表中取出新的中断函数入口地址，再跳转到新的中断服务函数中执行(标号④⑤所示)，执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑥所示)。

4、IAR环境下IAP的实现

以IAR环境为例，简单讲述IAP的实现步骤。这里MCU以华大HC32L130为例，因为使用的MCU不同，所以实现的细节也不一致，但是基本上官方都会提供Demo例程。

本示例Flash分配情况为：BootLoader地址：0x00000000~0x00000DFF，User Application地址：0x00001000~0x0000FFFF。

4.1、BootLoader程序设计

第1步：设计总体架构，包含三个功能函数：检测BootLoader标志程序、IAP配置程序和IAP烧录功能程序。

/**
 *******************************************************************************
 ** \brief  IAP 主函数
 **
 ** \param  None
 **
 ** \retval int32_t Return value, if needed
 **
 ******************************************************************************/
int32_t main(void)
{
    IAP_UpdateCheck();
    IAP_Init();
    IAP_Main();
}

第2步：检查BootPara标记区数据值，判断是否需要升级APP程序，若需要升级则才会执行IAP_Init()和IAP_Main()函数，否则会直接跳转到User Application程序。

/**
 *******************************************************************************
 ** \brief  检查BootPara标记区数据值，判断是否需要升级APP程序.
 **
 ** \param  None
 **
 ** \retval None
 **
 ******************************************************************************/
void IAP_UpdateCheck(void)
{
    uint32_t u32AppFlag;
    
    u32AppFlag = *(__IO uint32_t *)BOOT_PARA_ADDRESS; //读出BootLoader para区标记值
    if (APP_FLAG != u32AppFlag)                       //如果标记值不等于APP_FLAG,表示不需要升级APP程序
    {
        IAP_JumpToApp(APP_ADDRESS);                   //则直接跳转至APP
    }    
}

第3步：IAP_Init()函数的实现，主要包括外围模块初始化和IAP通信协议标志初始化。

/**
 *******************************************************************************
 ** \brief  IAP 初始化
 **
 ** \param  [in] None
 **
 ** \retval None
 **
 ******************************************************************************/
void IAP_Init(void)
{
    PreiModule_Init();
    Modem_RamInit();
}

/**
 *******************************************************************************
 ** \brief CPU外围模块初始化
 **
 ** \param [in] None
 **
 ** \retval None
 **
 ******************************************************************************/
void PreiModule_Init(void)
{
    HC32_SetSystemClockToRCH22_12MHz();
    HC32_InitUart();
    HC32_InitCRC();
    HC32_InitTIM();
    HC32_InitFlash(FLASH_CONFIG_FREQ_22_12MHZ);
}

/**
 *******************************************************************************
 ** \brief modem文件中相关变量参数初始化
 **
 ** \param [out] None
 ** \param [in]  None
 **
 ** \retval None
 **
 ******************************************************************************/
void Modem_RamInit(void)
{    
    uint32_t i;
    
    enFrameRecvStatus = FRAME_RECV_IDLE_STATUS;                         //帧状态初始化为空闲状态
    
    for (i=0; i<FRAME_MAX_SIZE; i++)
    {
        u8FrameData[i] = 0;                                             //帧数据缓存初始化为零
    }
    
    u32FrameDataIndex = 0;                                              //帧缓存数组索引值初始化为零
}

第4步：IAP_Main(）函数的实现，主要包含对User Application程序更新处理。

/**
 *******************************************************************************
 ** \brief  IAP APP程序升级主函数.
 **
 ** \param  None
 **
 ** \retval None
 **
 ******************************************************************************/
void IAP_Main(void)
{
    en_result_t enRet;

    while (1)
    {
        enRet = Modem_Process();                       //APP程序更新处理
        
        if (Ok == enRet)
        {
            IAP_ResetConfig();                         //复位所有外设模块
            if (Error == IAP_JumpToApp(APP_ADDRESS))   //如果跳转失败
            {
                while(1);
            }
        }
    }
}

/**
 *******************************************************************************
 ** \brief 上位机数据帧解析及处理
 **
 ** \param [in] None             
 **
 ** \retval Ok                          APP程序升级完成，并接受到跳转至APP命令
 ** \retval OperationInProgress         数据处理中
 ** \retval Error                       通讯错误
 **
 ******************************************************************************/
en_result_t Modem_Process(void)
{
    uint8_t  u8Cmd, u8FlashAddrValid, u8Cnt, u8Ret;
    uint16_t u16DataLength, u16PageNum, u16Ret;
    uint32_t u32FlashAddr, u32FlashLength, u32Temp;
    
    if (enFrameRecvStatus == FRAME_RECV_PROC_STATUS)                //有数据帧待处理, enFrameRecvStatus值在串口中断中调整
    {
        u8Cmd = u8FrameData[PACKET_CMD_INDEX];                      //获取帧指令码
        if (PACKET_CMD_TYPE_DATA == u8FrameData[PACKET_TYPE_INDEX]) //如果是数据指令
        {
            u8FlashAddrValid = 0u;
            
            u32FlashAddr = u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX] +      //读取地址值
                           (u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX + 1] << 8)  +
                           (u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX + 2] << 16) +
                           (u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX + 3] << 24);
            if ((u32FlashAddr >= (FLASH_BASE + BOOT_SIZE)) && (u32FlashAddr < (FLASH_BASE + FLASH_SIZE)))  //如果地址值在有效范围内
            {
                u8FlashAddrValid = 1u;                              //标记地址有效
            }
        }
        
        switch (u8Cmd)                                              //根据指令码跳转执行
        {
            case  PACKET_CMD_HANDSHAKE    :                         //握手帧 指令码
                u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;   //返回状态为：正确
                Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE);   //发送应答帧给上位机
                break;
            case  PACKET_CMD_ERASE_FLASH  :                         //擦除flash 指令码
                if ((u32FlashAddr % FLASH_SECTOR_SIZE) != 0)        //如果擦除地址不是页首地址
                {
                    u8FlashAddrValid = 0u;                          //标记地址无效
                }

                if (1u == u8FlashAddrValid)                         //如果地址有效
                {
                    u32Temp = u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX] +      //获取待擦除flash尺寸
                              (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 1] << 8)  +
                              (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 2] << 16) +
                              (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 3] << 24);
                    u16PageNum = FLASH_PageNumber(u32Temp);          //计算需擦除多少页
                    for (u8Cnt=0; u8Cnt<u16PageNum; u8Cnt++)         //根据需要擦除指定数量的扇区
                    {
                        u8Ret = Flash_EraseSector(u32FlashAddr + (u8Cnt * FLASH_SECTOR_SIZE));
                        if (Ok != u8Ret)                             //如果擦除失败，反馈上位机错误代码
                        {
                            u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ERROR;
                            break;
                        }
                    }
                    if (Ok == u8Ret)                                 //如果全部擦除成功，反馈上位机成功
                    {
                        u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;
                    }else                                            //如果擦除失败，反馈上位机错误超时标志
                    {
                        u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_TIMEOUT;
                    }
                }
                else                                                 //地址无效，反馈上位机地址错误
                {
                    u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR;
                }
                Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE);             //发送应答帧到上位机
                break;
            case  PACKET_CMD_APP_DOWNLOAD :                          //数据下载 指令码
                if (1u == u8FlashAddrValid)                          //如果地址有效
                {
                    u16DataLength = u8FrameData[FRAME_LENGTH_INDEX] + (u8FrameData[FRAME_LENGTH_INDEX + 1] << 8)
                                     - PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE; //获取数据包中的数据长度(不包含指令码指令类型等等)
                    if (u16DataLength > PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE)    //如果数据长度大于最大长度
                    {
                        u16DataLength = PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE;    //设置数据最大值
                    }
                    u8Ret = Flash_WriteBytes(u32FlashAddr, (uint8_t *)&u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX], u16DataLength); //把所有数据写入flash
                    if (Ok != u8Ret)                                 //如果写数据失败       
                    {
                        u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ERROR;                //反馈上位机错误 标志
                    }
                    else                                             //如果写数据成功
                    {
                        u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;                   //反馈上位机成功 标志
                    }
                }
                else                                                 //如果地址无效
                {
                    u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR;               //反馈上位机地址错误
                }
                Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE);             //发送应答帧到上位机
                break;
            case  PACKET_CMD_CRC_FLASH    :                          //查询flash校验值 指令码
                if (1u == u8FlashAddrValid)                          //如果地址有效
                {
                    u32FlashLength = u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX] +                 
                                    (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 1] << 8)  +
                                    (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 2] << 16) +
                                    (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 3] << 24);             //获取待校验flash大小
                    if ((u32FlashLength + u32FlashAddr) > (FLASH_BASE + FLASH_SIZE))        //如果flash长度超出有效范围
                    {
                        u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_FLASH_SIZE_ERROR;     //反馈上位机flash尺寸错误
                    }else
                    {
                        u16Ret = Cal_CRC16(((unsigned char *)u32FlashAddr), u32FlashLength);//读取flash指定区域的值并计算crc值
                        u8FrameData[PACKET_FLASH_CRC_INDEX] = (uint8_t)u16Ret;              //把crc值存储到应答帧
                        u8FrameData[PACKET_FLASH_CRC_INDEX+1] = (uint8_t)(u16Ret>>8);
                        u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;                   //反馈上位机成功 标志
                    }
                }
                else                                                                        //如果地址无效
                {
                    u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR;               //反馈上位机地址错误
                }
                Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE+2);           //发送应答帧到上位机
                break;
            case  PACKET_CMD_JUMP_TO_APP  :                          //跳转至APP 指令码
                Flash_EraseSector(BOOT_PARA_ADDRESS);                //擦除BOOT parameter 扇区
                u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;    //反馈上位机成功
                Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE);             //发送应答帧到上位机
                return Ok;                                           //APP更新完成，返回OK，接下来执行跳转函数，跳转至APP
            case  PACKET_CMD_APP_UPLOAD   :                          //数据上传
                if (1u == u8FlashAddrValid)                          //如果地址有效
                {
                    u32Temp = u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX] +
                              (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 1] << 8)  +
                              (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 2] << 16) +
                              (u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 3] << 24);                   //读取上传数据长度
                    if (u32Temp > PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE)                                 //如果数据长度大于最大值
                    {
                        u32Temp = PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE;                                 //设置数据长度为最大值
                    }
                    Flash_ReadBytes(u32FlashAddr, (uint8_t *)&u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX], u32Temp); //读flash数据
                    u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;                       //反馈上位机成功 标志
                    Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE + u32Temp);//发送应答帧到上位机
                }
                else                                                  //如果地址无效
                {
                    u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR;               //反馈上位机地址错误 标志
                    Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE);         //发送应答帧到上位机
                }
                break;
            case  PACKET_CMD_START_UPDATE :                           //启动APP更新(此指令正常在APP程序中调用)
                u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;     //反馈上位机成功 标志
                Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE);             //发送应答帧到上位机
                break;
        }
        enFrameRecvStatus = FRAME_RECV_IDLE_STATUS;                   //帧数据处理完成，帧接收状态恢复到空闲状态
    }
    
    return OperationInProgress;                                       //返回，APP更新中。。。
}

4.2、User Application程序设计

在本示例User Application中，触发BootLoader更新程序的标志在串口接收中实现。

//UART0中断函数
void Uart0_IRQHandler(void)
{
    if(Uart_GetStatus(M0P_UART0, UartRC))         //UART0数据接收
    {
        Uart_ClrStatus(M0P_UART0, UartRC);        //清中断状态位
        u8RxData[u8RxCnt] = Uart_ReceiveData(M0P_UART0);   //接收数据字节
        u8RxCnt++; 
        
        if(u8RxCnt>=18)
        {
            u8RxCnt = 0;
            if ((u8RxData[0]==0x6D)&&(u8RxData[1]==0xAC)&&(u8RxData[6]==0x26)&&(u8RxData[16]==0xA6)&&(u8RxData[17]==0xDA)) //是APP更新帧
            {
                for(uint32_t i=0;i<18;i++)
                {
                    Uart_SendDataPoll(M0P_UART0,u8TxData[i]); //查询方式发送数据
                }
                //boot para区域写标记值,通知BootLoader要更新程序了
                Flash_SectorErase(0xF00);
                Flash_WriteWord(0xF00, 0x12345678);
                
		        NVIC_SystemReset();  //软件复位MCU
            }                    
        }
    }
    
    if(Uart_GetStatus(M0P_UART0, UartTC))         //UART0数据发送
    {
        Uart_ClrStatus(M0P_UART0, UartTC);        //清中断状态位
    }

}

4.3、IAR地址配置及文件输出

最后还需要简答配置下IAR环境。

第1步：确定输出的Linker配置地址，因为需要在这里程序修改地址。

第2步：找到Linker配置文件，修改BootLoader程序地址：0x00000000~0x00000DFF，User Application程序地址：0x00001000~0x0000FFFF。

第3步：找到User Application程序的配置文件（后缀为.s的文件），添加程序中断向量偏移长度：0x00001000，和BootLoader程序配置文件相比有两处不同之处，如下所示：

第4步：将这两个程序按照ICP方式（SWD、JTAG等）烧录后，此后就可以使用IAP方式通过串口烧录HEX文件程序或者BIN文件程序。输出及烧录HEX文件程序或者BIN文件程序方式如下图所示：

5、拓展：解析HEX文件

HEX文件可以通过UltraEdit、Notepad++、记事本等工具打开，用Notepad++打开之后会看到以下数据内容：

使用Notepad++打开后会不同含义的数据其颜色不同。每行数据都会有一个冒号开始，后面的数据由：数据长度、地址、标识符、有效数据、校验数据等构成。以上图的第一行为例，进行解析：

第1个字节10，表示该行具有0x10个数据，即16个字节的数据；

第2、3个字节3E00，表示该行的起始地址为0x3E00；

第4个字节00，表示该行记录的是数据；

第5-20个字节，表示的是有效数据；

第21个字节EB，表示前面数据的校验数据，校验方法：0x100-前面字节累加和；

其中，第4个字节具有5种类型：00-05，含义如下：

字段	含义
00	表示后面记录的是数据
01	表示文件结束
02	表示扩展段地址
03	表示开始段地址
04	表示扩展线性地址
05	表示开始线性地址