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  • STM32 IAP在线升级在项目中的应用

    • IAP即在线应用编程,平时我们写好的程序都是通过下载器去下载的,但是对于组装好的产品在想更新底层硬件代码是很麻烦的事情,如果在公司情况还没那么糟糕,要是发出去的产品出现bug,你不可能要用户给你下载程序的。IAP这种技术,我们就可以像软件一样,可以实现远程更新了。我们需要做的就是,写FLASH读写接口,程序可以通过串口,网口等进行下发,然后内部调用FLASH写函数,把代码写到对于区域即可。
    • 当然这只是一个大概思路,具体实现还是要注意很多细节的东西。网上也有好多关于这方面的教程,但是能用到项目中的却很少,我写这边文章就是想和大家分享我在项目中实际应用。
    • 想了想,就以我实际开发过程来写吧,这里对新人来说也可以当作一篇教程来学习。

    一、FLASH读写接口的实现

    • 这里大家可以参考原子哥的FLASH模拟EEPROM实验来写。因为我们做写的是程序,数据流很大,需要做一些改动,这样写入速度会快很多。
    • 首先我们来了解一下STM32F1的FLASH,如下图,我们要看的只有主存储区,可以看到单片机内部FLASH是按2K一页来区分的,而且对其读写是有如下几点要求:
    1. 每次写入必须为2个字节。
    2. 写入地址为2的倍数。
    3. 写入之前必须是被擦除的(即其值为0xFFFF),也可以理解为,写入数据只能把位写0,不能置1。
    4. 写入速度≤24MHz。
    5. 擦除方式:页擦除和正片擦除(这个要注意,如果你是做数据保存,就必须先把这一页的数据读取到缓存中,然后修改缓存里的值,再整页写入)。

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    • FLASH写入过程如下:
    1. 解锁
    2. 读页数据到缓存
    3. 页擦除
    4. 修改缓存数据
    5. 把缓存数据页写入
    6. 上锁
    • 首先我们都有一下基本的读写函数,写函数官方库已经为我们提供,我们要写的就是读函数,代码如下:
    //读1个字节
    uint8_t FLASH_ReadByte(uint32_t Addr)
    {
        return *(vu8 *)Addr;
    }
    //读2个字节
    uint16_t FLASH_ReadHalfWord(uint32_t Addr)
    {
        return *(vu16 *)Addr;
    }
    //读N个字节
    void FLASH_ReadNByte(uint32_t Addr,uint8_t *pBuff,uint32_t Len)
    {
        uint32_t i;
        
        for(i = 0;i < Len;i++)
        {
            pBuff[i] = FLASH_ReadByte(Addr);
            Addr += 1;
        }
    }
    • 然后就是在基本函数的基础上面扩展我们需要的函数,因为升级过程中,我们需要保存一些标志,需要用到读某一页的函数。
    #define STM32_SECTOR_SIZE   2048    //页大小
    #define STM32_SECTOR_NUM    255     //页数
    
    //STM32 FLASH的起始地址
    #define STM32_FLASH_BASE 0x08000000
    
    void FLASH_ReadPage(uint8_t Page_Num,uint8_t *pBuff)
    {
        uint16_t i;
        uint32_t Buff;
        uint32_t Addr;
        
        //是否超出范围
        if(Page_Num > STM32_SECTOR_NUM)
            return;
        //先计算页首地址
        Addr = Page_Num * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE;
        
        for(i = 0;i < STM32_SECTOR_SIZE;i += 4)
        {
            Buff = FLASH_ReadWord(Addr);
            
            pBuff[i]   = Buff;
            pBuff[i+1] = Buff >> 8;
            pBuff[i+2] = Buff >> 16;
            pBuff[i+3] = Buff >> 24;
            
            Addr += 4;
        }
    }
    • 需要读写就需要写页,再来写一个写页函数,由于一次只能写2字节,所有我们调用的是官方库函数FLASH_Status FLASH_ProgramHalfWord(uint32_t Address, uint16_t Data)。
    void FLASH_WritePage(uint8_t Page_Num,uint8_t *pBuff)
    {
        uint16_t i;
        uint16_t Buff;
        uint32_t Addr;
        
        //是否超出范围
        if(Page_Num > STM32_SECTOR_NUM)
            return;
        //解锁
        FLASH_Unlock();
        //先计算页首地址
        Addr = Page_Num * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE;
        
        for(i = 0;i < STM32_SECTOR_SIZE ;i += 2)
        {
            Buff = ((uint16_t)pBuff[i+1] << 8) | pBuff[i];
            FLASH_ProgramHalfWord(Addr,Buff);
            Addr += 2;
        }
        //上锁
        FLASH_Lock();
    }
    • 然后我们还要写两个重要的函数,他们都是写N字节函数,区别是一个要先把页数据读到缓存中,再写入,这个函数用来保存一些标志等等,另一个函数我们不负责扇区数据擦除保存等处理,我们只管往某个地址写入数据,这个函数用来做升级用,这样速度会快一些。下来就来实现这两个函数。
    void FLASH_WriteNData(uint32_t Addr,uint8_t *pBuff,uint32_t Len)
    {
        uint32_t Offset;
        uint8_t  Page_Num;
        uint16_t Page_Offset;
        uint16_t Free_Space;
        uint16_t i;
        
        if((Addr < STM32_FLASH_BASE) || (Addr > STM32_FLASH_END))
            return;
        
        Offset = Addr - STM32_FLASH_BASE;//偏移地址
        Page_Num = Offset / STM32_SECTOR_SIZE;//得到地址所在页
        Page_Offset = Offset % STM32_SECTOR_SIZE;//在页内的偏移地址
        Free_Space = STM32_SECTOR_SIZE -  Page_Offset;//页区剩余空间
        //要写入的数据是否大于剩余空间
        if(Len <= Free_Space)
            Free_Space = Len;
        
        FLASH_Unlock();//解锁
        
        while(1)
        {
            FLASH_ReadPage(Page_Num,STM32_FLASH_BUFF);//先把数据读到缓存中
            FLASH_ErasePage(Page_Num * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE);//页擦除
            //修改缓存数据
            for(i = 0;i < Free_Space;i++)
            {
                STM32_FLASH_BUFF[i+Page_Offset] = pBuff[i];
            }
            FLASH_WritePage(Page_Num,STM32_FLASH_BUFF);//把缓存数据写入
            //判断是否超出当前页,超出进入下一页
            if(Len == Free_Space)
                break;
            else
            {
                Page_Num++;//下一页
                Page_Offset = 0;
                pBuff += Free_Space;
                
                Len -= Free_Space;
                if(Len > STM32_SECTOR_SIZE)
                    Free_Space = STM32_SECTOR_SIZE;
                else
                    Free_Space = Len;
            }
        }
        FLASH_Lock();
    }
    void FLASH_WriteNByte(uint32_t Addr,uint8_t *pBuff,uint32_t Len)
    {
        uint16_t i;
        uint16_t temp = 0;
        
        if((Addr < STM32_FLASH_BASE) || (Addr > STM32_FLASH_END))
            return;
        
        FLASH_Unlock();//解锁
        
        for(i = 0;i < Len;i += 2)
        {
            temp = pBuff[i];
            temp |= (uint16_t)pBuff[i+1] << 8;
            
            FLASH_ProgramHalfWord(Addr,temp);
            Addr += 2;
            if(Addr > STM32_FLASH_END)
            {
                FLASH_Lock();
                return;
            }
        }
        FLASH_Lock();
    }
    • 因为我们程序可能会占用多页,所以我们需要写一个擦除指定页的函数,代码如下。
    void Flash_EraseSector(uint8_t Start_Page,uint8_t End_Page)
    {
        uint8_t i;
        uint8_t num = 0;
        
        if(Start_Page > End_Page)
            return;
        
        FLASH_Unlock();//解锁
        
        num = End_Page - Start_Page;//擦除页数
        
        for(i = 0;i <= num;i++)
        {
            FLASH_ErasePage((Start_Page + i) * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE);//页擦除
        }
        
        FLASH_Lock();
    }
    • 我们写了几个接口,我们要测试一下是否好用,开发就是要稳扎稳打,保证每个功能稳定。测试嘛,给它们搭一个小舞台,让它们上去表演一下,哈哈。我们要的就是往某页写入数据,再读出来,看看是否相同,注意你程序的大小不要把当前运行的代码覆盖咯。
    void Test_Flash_WR(uint8_t Page_Num)
    {
        uint16_t i = 0;
        uint8_t j = 0;
        
        //是否超出范围
        if(Page_Num > STM32_SECTOR_NUM)
            return;
        
        for(i = 0;i < STM32_SECTOR_SIZE;i++)
        {
            buff[i] = j++;
        }
        //页擦除
    //  Flash_EraseSector(Page_Num,Page_Num);
        //写入
    //  FLASH_WritePage(Page_Num,buff);
        //写入
    //  FLASH_WriteNByte(Page_Num * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE,buff,STM32_SECTOR_SIZE);
        //写入
        FLASH_WriteNData(Page_Num * STM32_SECTOR_SIZE + STM32_FLASH_BASE + 4,buff,10);
        //清零
        memset(buff,0,STM32_SECTOR_SIZE);
        //读出
        FLASH_ReadPage(Page_Num,buff);
        
        for(i = 0;i < STM32_SECTOR_SIZE;i++)
        {
            printf("%02X ",buff[i]);
        }
        printf("\r\n");
    }

    二、分区规划

    • 写完FLASH接口函数,下来就是进行对我们的FLASH进行分区了,这样才知道我们的数据到底应该写到哪里。下面是我自己使用的分区方式。
    • 首先是Bootloader分区,放置我们的引导程序,主要负责判断标志来决定是跳转到app分区运行,还是进行程序更新,又或者是需要恢复出厂程序。
    • 其次是APP分区,这里存放的是我们的主程序。
    • 下来是Download分区,负责存储我们下发的更新代码,这样做是保证代码完整再进行更新,保证更新成功率。
    • 最后是Flag分区,存放一些标志性数据。
    分区 大小 扇区 备注
    Bootloader 12K 0 - 5 引导程序
    APP 100K 6 - 55 存储App
    Download 100K 56 - 105 下载缓存
    Flag 2K 255 升级标志

    三、Bootloader程序实现

    • 说一下Bootloader程序设计思路吧,单片机上电进入Bootloader程序,先判断升级标志是否需要升级固件,需要就把Download分区拷贝到app分区,然后清空升级标志;下来判断是否右APP分区中断向量表是否正确,正确说明有app可以跑,直接跳转到app运行;如果没有在bootloader里循环等待接收app固件。下面是我程序的整体框架:
    #define FLASH_APP_ADDR                STM32_SECTOR6_ADDR
    #define FLASH_DOWNLOAD_ADDR     STM32_SECTOR56_ADDR
    #define FLASH_APP_FLAG                 STM32_SECTOR255_ADDR
    #define FLASH_UPDATA_FLAG           FLASH_APP_FLAG + 2
    
    int main(void)
    {
        SystemInit();
        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
        
        Delay_Init();
        
        LED_Init();
        KEY_Init();
        USART1_Init(115200);
        
        //判断是否需要升级固件
        if(FLASH_ReadHalfWord(FLASH_UPDATA_FLAG) == 0xAA55)
        {
            printf("Updata App...\r\n");
            
            IAP_Copy_App();//拷贝到app分区
            
            printf("Updata App Succeed...\r\n");
        }
        //判断是否有APP程序
        //中断向量表判断
        if(((*(vu32*)(FLASH_APP_ADDR + 4))&0xFF000000) == 0x08000000)
        {
            printf("Run App...\r\n\r\n");
            
            Delay_ms(10);
            IAP_Load_App(FLASH_APP_ADDR);//转到app
        }
        
        printf("No App\r\n");
        
        TIM3_Init(1000,72);//定时0.001s
        
        while(1)
        {
            Task_Process();
            
            if(USART1_RX_CNT > 0)
            {
                IAP_WriteBin(FLASH_DOWNLOAD_ADDR,USART1_RxBuff,USART1_RX_CNT);
                USART1_RX_CNT = 0;
            }
        }
    }
    • 这里我们需要实现的函数有IAP_Copy_App()和IAP_Load_App(),代码如下:
    typedef void (*IAP_Fun)(void);
    IAP_Fun JumpApp;
    
    uint8_t STM32_FLASH_BUFF[STM32_SECTOR_SIZE] = {0};
    
    void IAP_Copy_App(void)
    {
        uint8_t i;
        uint8_t buf[2] = {0x00,0x00};
        //擦除App扇区
        Flash_EraseSector(6,55);
        
        for(i = 0;i < 50;i++)
        {
            FLASH_ReadPage(56 + i,STM32_FLASH_BUFF);
            FLASH_WritePage(6 + i,STM32_FLASH_BUFF);
            LED3 = !LED3;
        }
        
        FLASH_WriteNData(FLASH_UPDATA_FLAG,buf,2);
    }
    
    void IAP_Load_App(uint32_t Addr)
    {
        //检查栈顶地址是否合法
        if(((*(vu32*)Addr) & 0x2FFE0000) == 0x20000000)
        {
            __disable_irq();
            JumpApp = (IAP_Fun)*(vu32 *)(Addr + 4);
            MSR_MSP(*(vu32 *)Addr);
            JumpApp();
        }
    }
    • 然后我们还要写一个关于下载程序的函数IAP_WriteBin(),一般我们数据会通过串口或网口下发过来,下发的数据要保存到下载分区,所以需要一个写数据到下载分区的函数。
    void IAP_WriteBin(uint32_t Addr,uint8_t *pBuff,uint32_t Len)
    {
        uint8_t buf[2] = {0xAA,0x55};
        //擦除App扇区
        Flash_EraseSector(6,55);
        //写入程序
        FLASH_WriteNByte(Addr,pBuff,Len);
        //更新标记
        FLASH_WriteNData(FLASH_UPDATA_FLAG,buf,2);
        //复位单片机
        NVIC_SystemReset();
    }
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