详解STM32在线IAP升级

杨源鑫

发布于 2021-09-17 10:05:14

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发布于 2021-09-17 10:05:14

文章被收录于专栏：嵌入式开发圈嵌入式开发圈

大家好，我是bug菌！

最近一些朋友在玩在线升级，所以这里bug菌挑选了一篇原理与实践结合的技术文章，在stm32上实现还是比较详细的，以前bug也跟大家介绍过这一块的设计方案:

【重磅】剖析MCU的IAP升级软件设计(设计思路篇)

【MCU】一种"灵活且省资源"的IAP升级方案

当然目前比较火热的OTA升级，为了保证升级过程的权限、完整性、稳定性等等，还需要做很多工作包括加密、压缩等等，可能会更加复杂一点，特别是差分升级，通过版本之间的差异来生成升级包进行升级，一方面可以节省空间，另一方面也能够加快升级速度,这一块bug菌后续整理一下~

好了，下面这篇文章，大家好好学习一下:

简介

本文主要讲解在线升级IAP的基础知识, 主要是针对IAP 从原理分析, 分区划分, 到代码编写和实验验证等过程阐述这一过程. 帮助大家加深对在线升级的认识.

1. 在线升级知识

什么是BootLoader?

BootLoader可以理解成是引导程序, 它的作用是启动正式的App应用程序. 换言之, BootLoader是一个程序, App也是一个程序, BootLoader程序是用于启动App程序的.

STM32中的程序在哪儿?

正常情况下, 我们写的程序都是放在STM32片内Flash中(暂不考虑外扩Flash). 我们写的代码最终会变成二进制文件, 放进Flash中感兴趣的话可以在Keil>>>Debug>>>Memory中查看, 右边Memory窗口存储的就是代码

接下来就可以进入正题了.

进行分区

既然我们写的程序都会变成二进制文件存放到Flash中, 那么我们就可以进一步对我们程序进行分区. 我使用的是F103RB-NUCLEO开发板,他的Flash一共128页, 每页1K.见下图:

以它为例, 我将它分为三个区.BootLoader区、 App1区、 App2区(备份区)具体划分如下图:

BootLoader区存放启动代码
App1区存放应用代码
App2区存放暂存的升级代码

总体流程图

先执行BootLoader程序, 先去检查APP2区有没有程序, 如果有就将App2区(备份区)的程序拷贝到App1区, 然后再跳转去执行App1的程序.
然后执行App1程序, 因为BootLoader和App1这两个程序的向量表不一样, 所以跳转到App1之后第一步是先去更改程序的向量表. 然后再去执行其他的应用程序.
在应用程序里面会加入程序升级的部分, 这部分主要工作是拿到升级程序, 然后将他们放到App2区(备份区), 以便下次启动的时候通过BootLoader更新App1的程序. 流程图如下图所示:

2. BootLoader的编写

本节主要讲解在线升级(OTA)的BooLoader的编写，我将以我例程的BootLoader为例, 讲解BootLoader(文末会提供免费的代码下载链接)，其他的大体上原理都差不多。

流程图分析

以我例程的BootLoader为例：

我将App2区的最后一个字节(0x0801FFFC)用来表示App2区是否有升级程序, STM32在擦除之后Flash的数据存放的都是0xFFFFFFFF, 如果有, 我们将这个地址存放0xAAAAAAAA. 具体的流程图见下图所示

程序编写和分析

所需STM32的资源有:

发送USART数据和printf重定向
Flash的读写
程序跳转指令,可以参考如下代码:

 1/* 采用汇编设置栈的值 */
 2__asm void MSR_MSP (uint32_t ulAddr)
 3{
 4    MSR MSP, r0   //设置Main Stack的值
 5    BX r14
 6}
 7
 8
 9/* 程序跳转函数 */
10typedef void (*Jump_Fun)(void);
11void IAP_ExecuteApp (uint32_t App_Addr)
12{
13  Jump_Fun JumpToApp;
14
15  if ( ( ( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr ) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000 )  //检查栈顶地址是否合法.
16  {
17    JumpToApp = (Jump_Fun) * ( __IO uint32_t *)(App_Addr + 4);  //用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)
18    MSR_MSP( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr );                  //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)
19    JumpToApp();                                                //跳转到APP.
20  }
21}

在需要跳转的地方执行这个函数就可以了IAP_ExecuteApp(Application_1_Addr);
其他的代码请参考BootLoader源代码

3. APP的编写

本节主要讲解在线升级(OTA)的App1的编写以及整个流程的说明，我将以我例程的App为例, 采用Ymodem协议进行串口传输,讲解App的编写(后面会提供免费的代码下载链接), 其他的协议原理大体上都差不多, 都是通过某种协议拿到升级的代码。

流程图分析

以我例程的App1为例：

先修改向量表, 因为本程序是由BootLoader跳转过来的, 不修改向量表后面会出现问题；
打印版本信息, 方便查看不同的App版本；
本例程的升级程序采用串口的Ymoderm协议进行传输bin文件. 具体的流程图见下图所示：

程序编写和分析

所需STM32的资源有:

发送USART数据和printf重定向
Flash的读写
串口的DMA收发
YModem协议相关

Ymodem协议

百度百科[Ymodem协议]
具体流程可自行查找相关文档, 这儿提供一个我找到的 XYmodem.pdf(文末和源码一起提供).
Ymodem协议相关介绍可参考我的这篇教程 YModem介绍

(https://blog.csdn.net/weixin_41294615/article/details/104652105).

代码分析

代码大多数都是通过串口实现Ymodem协议的接收, 这儿就不详细说明
后面放了我的源代码, 详情请参考我的源代码.
主函数添加修改向量表的指令

打印版本信息以及跳转指令

YModem相关的文件接收部分

/**
 * @bieaf YModem升级
 *
 * @param none
 * @return none
 */
void ymodem_fun(void)
{
    int i;
    if(Get_state()==TO_START)
    {
        send_command(CCC);
        HAL_Delay(1000);
    }
    if(Rx_Flag)     // Receive flag
    {
        Rx_Flag=0;  // clean flag

        /* 拷贝 */
        temp_len = Rx_Len;
        for(i = 0; i < temp_len; i++)
        {
            temp_buf[i] = Rx_Buf[i];
        }

        switch(temp_buf[0])
        {
            case SOH:///<数据包开始
            {
                static unsigned char data_state = 0;
                static unsigned int app2_size = 0;
                if(Check_CRC(temp_buf, temp_len)==1)///< 通过CRC16校验
                {                   
                    if((Get_state()==TO_START)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 开始
                    {
                        printf("> Receive start...\r\n");

                        Set_state(TO_RECEIVE_DATA);
                        data_state = 0x01;                      
                        send_command(ACK);
                        send_command(CCC);

                        /* 擦除App2 */                            
                        Erase_page(Application_2_Addr, 40);
                    }
                    else if((Get_state()==TO_RECEIVE_END)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 结束
                    {
                        printf("> Receive end...\r\n");

                        Set_Update_Down();                      
                        Set_state(TO_START);
                        send_command(ACK);
                        HAL_NVIC_SystemReset();
                    }                   
                    else if((Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)&&(temp_buf[1] == data_state)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 接收数据
                    {
                        printf("> Receive data bag:%d byte\r\n",data_state * 128);

                        /* 烧录程序 */
                        WriteFlash((Application_2_Addr + (data_state-1) * 128), (uint32_t *)(&temp_buf[3]), 32);
                        data_state++;

                        send_command(ACK);      
                    }
                }
                else
                {
                    printf("> Notpass crc\r\n");
                }

            }break;
            case EOT://数据包开始
            {
                if(Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)
                {
                    printf("> Receive EOT1...\r\n");

                    Set_state(TO_RECEIVE_EOT2);                 
                    send_command(NACK);
                }
                else if(Get_state()==TO_RECEIVE_EOT2)
                {
                    printf("> Receive EOT2...\r\n");

                    Set_state(TO_RECEIVE_END);                  
                    send_command(ACK);
                    send_command(CCC);
                }
                else
                {
                    printf("> Receive EOT, But error...\r\n");
                }
            }break; 
        }
    }
}