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STM32 IAP应用开发——通过USB实现固件升级

07/15 16:45
6753
阅读需 24 分钟
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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来完成固件升级。

我之前也有发过一些关于STM32远程升级的文章,但用的是第三方BootLoader,而且是基于操作系统实现的,BootLoader占用的内存也比较大,而且不开源
那么这一期我就来介绍一下如何自己制作一个BootLoader程序,并且通过USB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。

方案介绍:

1)bootloader部分:

运行时从setting里面读一些参数,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。

2)APP部分:

运行时先连接USB(以USB CDC的方式),然后等待上位机发送升级命令,如果收到命令,则进入下载模式。

我这里图方便,USB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

分区介绍:

我用的是STM32F103,内存是128K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)。

分区表如下:

name offset size
boot 0x08000000 0x00003000
setting 0x08003000 0x00001000
app 0x08004000 0x0000E000
download 0x08012000 0x0000E000

请添加图片描述

3 BootLoader的制作

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        128    // 128K
#define FLASH_START_ADDR        ((uint32_t)0x8000000)
#define FLASH_END_ADDR          ((uint32_t)(0x8000000 + FLASH_SECTOR_NUM * FLASH_SECTOR_SIZE))

#define BOOT_SECTOR_ADDR        0x08000000     // BOOT sector start address 
#define BOOT_SECTOR_SIZE        0x3000         // BOOT sector size
#define SETTING_SECTOR_ADDR     0x08003000     // SETTING sector start address 
#define SETTING_SECTOR_SIZE     0x1000         // SETTING sector size
#define APP_SECTOR_ADDR         0x08004000     // APP sector start address  
#define APP_SECTOR_SIZE         0xE000         // APP sector size
#define DOWNLOAD_SECTOR_ADDR    0x08012000     // Download sector start address
#define DOWNLOAD_SECTOR_SIZE    0xE000         // 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)
{
    printf("---------- Enter BootLoader ----------rn");
    printf("rn");
    printf("======== flash pration table =========rn");
    printf("| name     | offset     | size       |rn");
    printf("--------------------------------------rn");
    printf("| boot     | 0x08000000 | 0x00003000 |rn");
    printf("| setting  | 0x08003000 | 0x00001000 |rn");
    printf("| app      | 0x08004000 | 0x0000E000 |rn");
    printf("| download | 0x08012000 | 0x0000E000 |rn");
    printf("======================================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;

    uart1_init();
    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:
                printf("start app...rn");
                delay_ms(50);
                if (!jump_app(boot_parameter.addr)) 
                {
                    printf("no programrn");
                    delay_ms(1000);
                }
                printf("start app failedrn");
                break;
            case UPDATE_PROGRAM:
                printf("update app program...rn");
                app_addr = APP_SECTOR_ADDR;
                down_addr = DOWNLOAD_SECTOR_ADDR;

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

                printf("erase mcu flash...rn");
                mcu_flash_erase(app_addr, APP_ERASE_SECTORS);  
                printf("mcu flash erase successrn");
            
                printf("write mcu flash...rn");
                // memset(down_buf, 0, sizeof(down_buf));
                for (i = 0; i < APP_ERASE_SECTORS * 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;
                    // printf("mcu_flash_write: %drn", i);
                }
                printf("mcu flash write successrn");

                set_boot_state(UPDATE_SUCCESS);
                break;
            case UPDATE_SUCCESS:
                printf("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/87462312

4 APP的制作

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

实际上USB也可以用HID或者其他的,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) 
{
    usb_printf("%c", YMODEM_ACK);
}

void ymodem_nack(void) 
{
    usb_printf("%c", YMODEM_NAK);
 
}

void ymodem_c(void) 
{
    usb_printf("%c", YMODEM_C);
}

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 = APP_SECTOR_ADDR;
                mcu_flash_erase(ymodem.addr, ERASE_SECTORS);
                ymodem_ack();
                ymodem_c();
                ymodem.status++;
            }
            else if (type == '1') 
            {// 为了方便调试,简单发一个字符"1"就可以进入升级模式了
                printf("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:
            usb_printf("Crn");
            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);
            printf("firmware download successrn");
            printf("system reboot...rn");
            delay_ms(2000);
            system_reboot();
            break;
        default:
            break;
    }
}

主函数:

#define APP_VERSION   "V100"
void print_boot_message(void)
{
    printf("======================================rn");
    printf("-------------- Enter APP -------------rn");
    printf ("app version is: %srn", APP_VERSION);
    printf("======================================rn");
}

void user_usb_init(void)
{
    USB_Port_Set(0); 	
    delay_ms(700);
    USB_Port_Set(1);	
    Set_USBClock();   
    USB_Interrupts_Config();    
    USB_Init();	
}

int main(void)
{
    SysTick_Init_Config();
    USART1_Init_Config(115200);
    print_boot_message();
    ymodem_init();
    user_usb_init();
    printf ("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  0x4000

完整代码下载地址:https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87462312

5 烧录下载配置

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。

1)BootLoader部分:

我这里做出来的bootloader bin只有8K,不过为了方便后续在这部分增加新功能,我实际分配了12K的空间,地址区间是0x08000000-0x08003000。

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
请添加图片描述
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。

2)APP部分:

跟BootLoader一样,我们按照前面分配好的空间配置APP的参数。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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0x08004000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)。

不需要升级时直接跳转到App区,如下图:

在这里插入图片描述

进入APP之后,往USB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。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。

串口调试窗口log如下图:

在这里插入图片描述

USB调试窗口log如下:

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

结束语

好了,关于自制BootLoader并实现USB IAP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。

完整代码下载地址:https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87462312

如果你有什么问题或者有更好的方法,欢迎在评论区留言。

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