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STM32 IAP应用开发——通过串口/RS485实现固件升级(方式1)

07/15 14:18
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什么是IAP?

IAP(In-Application Programming) 指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程,即可用程序来改变程序。在应用编程(IAP)是用户的应用代码对片内Flash存储器进行擦除/编程的方法。这种方式的典型应用就是用一小段代码来实现程序的下载,实际上单片机ISP功能就是通过IAP技术来实现的,即片子在出厂前就已经有一段小的boot程序在里面,片子上电后,开始运行这段程序,当检测到上位机有下载要求时,便和上位机通信,然后下载数据到数据存储区,从而实现固件升级。

什么是BootLoader?

百度百科:在嵌入式操作系统中,BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中,通常并没有像BIOS那样的固件程序(注,有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序),因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。

实际上,BootLoader不仅仅在操作系统上使用,在一些内存小,功能应用较为简单的单片机设备上面也可以通过BootLoader来完成OTA升级。

我之前也有发过一些关于STM32远程升级的文章,实现的方式有很多种,感兴趣的同学可以去看一下。
固件升级系列合集:https://blog.csdn.net/ShenZhen_zixian/article/details/129074047

那么这一期我来介绍一下如何自己制作一个BootLoader程序,并且通过串口或者RS485实现固件升级。

1 环境搭建

关于STM32以及Keil的环境这里就不具体介绍了,网上教程也很多,不懂的同学自行查阅资料。

2 功能描述

在做bootloader之前一定要先想好升级的途径和方式,这样才好规划分区以及制作bootloader。

关于bootloader详细的讲解,可以看下我之前发的博客:

STM32 IAP应用开发——自制BootLoader

分区介绍:

我用的是STM32F407,内存是512K的(想用内存更小的MCU也是可以的,改下各个分区的内存分配就行了)。

注:F4系列的MCU不像F1那样,内存扇区都很大(最少也是16K),而且同一块扇区只能一起擦除,所以就没办法分的那么细了。详细的内存分布可以参考下面的两个图。

STM32F4x扇区分布图如下:

请添加图片描述

STM32F1x扇区分布图如下:

请添加图片描述

那么我这里呢,就用一个512k的内存,分成4个区域,来实现升级的功能。

分区表如下:

name offset size function
boot 0x08000000 0x00004000 存放boot程序
setting 0x08004000 0x00004000 存放升级相关的配置参数
app 0x08008000 0x00018000 存放应用程序
download 0x08020000 0x00020000 存放需要升级的新固件

请添加图片描述

方案介绍:

1)bootloader部分:

运行时从setting分区里面读取升级相关的数据,确定是否需要升级,如果需要,则把download分区的固件搬运到app分区,如果不需要升级则直接跳转到app分区。另外,使用串口1来打印运行的一些信息。

2)APP部分:

通过串口2或者RS485连接到PC端,然后等待上位机发送特定的升级命令,如果MCU收到命令,则进入下载模式,然后通过串口2或者RS485传输新固件到download分区,并且在下载完成后把升级标志写入到setting分区里面。

我这里图方便,串口传输固件的方式我采用的是Ymodem协议,因为这个协议很多tool都可以用,就不用专门做一个上位机了。如果你想用其他的协议或者自定义协议其实都是可以的,稍做修改就行。

在这里插入图片描述

3 程序编写

3.1 BootLoader部分

不管用的是什么MCU,要实现固件升级都离不开BootLoader,BootLoader是一个统称,它其实只是一段引导程序,在MCU启动的时候会先运行这段代码,判断是否需要升级,如果不需要升级就跳转到APP分区运行用户代码,如果需要升级则先通过一些硬件接口接收和搬运要升级的新固件,然后再跳转到APP分区运行新固件,从而实现固件升级。

BootLoader的制作需要根据实际的需求来做,不同的运行方式或者升级方式在做法上都是有区别的,包括BootLoader所需要的内存空间也不尽相同。

不过不管是用什么方式,Bootloader都应该尽可能做的更小更简洁,这样的话内存的开销就更小,对于内存较小的MCU来说压力就没那么大了。

示例代码如下:

分区定义:

#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 

程序跳转:

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;
}

主函数:

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;
        }
    }
}

关于bootloader详细的讲解,可以看下我之前发的博客:

STM32 IAP应用开发——自制BootLoader

完整代码下载地址:https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87546126

3.2 APP的制作

APP部分根据自己实际的功能来做,我这里用的是串口或者RS485连接PC端,然后传输固件的协议用的是Ymodem。

当然了,协议也是可以自定义,只要能正确的把固件从PC端搬运到MCU的flash就行了。

示例代码如下:

Ymodem协议部分:

注:详细的协议解析这里就不讲解了,不懂的同学自行查阅资料。

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);
}

主函数:

#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();
    }
}

修改中断向量:

bootloader的运行地址是在起始地址上的,所以中断向量是0,不用改。

但是app的运行地址是在起始地址上做了偏移的,所以中断向量也要改,不然会运行会出问题。

#define VECT_TAB_OFFSET  0x8000

注:这个变量定义在system_stm32f4xx.c中可以找到。

完整代码下载地址:https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87546126

4 修改工程中的内存配置

因为我们对stm32的内存进行了分区,不同的代码要存放在不同的区域,因此,我们在编译工程之前需要先定义好各自的区域,以免出现内存越界。

4.1 Bootloader工程内存配置

Bootloader的起始地址不需要改,按flash默认地址即可,size需要改成实际分区大小。

请添加图片描述

4.2 APP工程内存配置

APP的起始地址和size都需要根据实际的分区来改。

请添加图片描述

5 烧录相关配置

我们的Bootloader做好以后需要烧录到MCU里面,可以直接用Keil uVison来下载,也可以用J-Flash或者其他,这个都没关系,但是要注意内存的分配,要把固件烧到对应的内存地址上。

5.1 BootLoader部分

1)使用Keil uVision下载

如果是用keil下载的话,需要注意flash的配置,具体如下:

请添加图片描述

2)使用其他下载工具

如果是用J-Flash或者STlink的工具烧录的话注意烧录的起始地址是0x08000000就好了。

5.2 APP部分

1)使用Keil uVision下载

跟BootLoader一样,我们按照前面分配好的空间配置APP的参数即可。

请添加图片描述

2)使用其他下载工具

如果是用J-Flash或者STlink的工具烧录的话注意烧录的起始地址是0x08008000就好了。

6 运行测试

用串口助手查看运行log(我这里用的是XShell,用其他的也是可以的)。

1)开始运行代码

不需要升级时直接跳转到App区,如下图:

请添加图片描述

2)进入烧录模式

进入APP之后,往串口2/RS485发送一个字符"1",进入升级模式,然后通过调试工具发送新固件的bin文件。

注:为了方便调试才用了一个字符"1",实际使用的话最好改一下,太简单的话容易出现误操作。

串口调试窗口log如下图:

请添加图片描述

3)通过Ymodem传输新固件

调试工具我用的是XShell,实际上用其他工具也行,只要支持Ymodem方式传输文件即可。

请添加图片描述请添加图片描述

4)升级固件

固件搬运完成后自动重启,重新运行Bootloader,然后进行固件的升级。

请添加图片描述

至此,整个升级流程就走完了。

结束语

好了,关于自制BootLoader并实现串口和RS485在线升级的介绍就讲到这里,本文列举的例子其实只是升级的其中一种方式,只是提供一个思路,不是唯一的方法,实际上最好还是根据自己实际的需求来做。

需要源码的同学可以在下面的链接下载,我把BootLoader和APP都上传了。

如果你有什么问题或者有更好的方法,欢迎在评论区留言。

完整代码下载地址:https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87546126

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