2018年08月26日 | STM32 Bootloader原理和设计

不需要拆机就能对产品进行固件升级是很多人想要的效果，不仅方便而且节省精力和成本。那么如何完成这项工作呢?接下来所介绍的Bootloader就可以完成这项工作，通过Bootloader引导程序完成固件的升级。下面来浅析STM32 Bootloader设计。

首先谈谈stm32的ISP和IAP区别和联系。

ISP（In-System Programming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码， 而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。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。ISP和IAP技术是未来仪器仪表的发展方向。

  1  ISP和IAP的工作原理
  ISP的实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过SPI或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。 
  IAP的实现相对要复杂一些，在实现IAP功能时， 单片机内部一定要有两块存储区，一般一块被称为BOOT区，另外一块被称为存储区。单片机上电运行在BOOT区，如果有外部改写程序的条件满足，则对存储区的程序进行改写操作。如果外部改写程序的条件不满足，程序指针跳到存储区，开始执行放在存储区的程序，这样便实现了IAP功能。 
  2 ISP和IAP的优点 
  ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便。 
  IAP技术是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体，当运行一个存储体上的用户程序时，可对另一个存储体重新编程，之后将程序从一个存储体转向另一个。 
  ISP的实现一般需要很少的外部电路辅助实现， 而IAP的实现更加灵活，通常可利用单片机的串行口接到计算机的RS232口，通过专门设计的固件程序来编程内部存储器，可以通过现有的INTERNET或其它通讯方式很方便地实现远程升级和维护。

IAP的编写流程

设计思想

        由Bootloader负责检测SD卡中是否有固件更新所需的BIN文件。如果检测到所需要的BIN文件，则开始复制文件更新固件。更新结束后跳转到指定的地址开始执行最新的程序。

　　知识要点

　　STM32内部FLASH的起始地址为0X08000000,Bootloader程序文件就从此地址开始写入，存放APP程序的首地址设置在紧跟Bootloader之后。当程序开始执行时，首先运行的是Bootloader程序，此时Bootloader检测SD卡中的BIN文件并将其复制到APP区域使固件得以更新,固件更新结束后还需要跳转到APP程序开始执行新的程序,完成这最后这一步要了解Cortex-M3的中断向量表：

　　程序启动后，将首先从“中断向量表”取出复位中断向量执行复位中断程序完成启动，当复位中断程序运行完成后才跳转到main函数。由此可见，在最后一步的设计中需要根据存放APP程序的起始地址以及中断向量表来设置栈顶地址，并获取复位中断地址跳转到复位中断程序。接下来开始分析程序设计步骤。

　　Bootloader程序设计

　　1.确定存放APP程序的首地址

　　#define FLASH_APP_ADDR 0x08010000 //应用程序起始地址(存放在FLASH)上一句代码中是0X08010000可以看出，留给Bootloader程序的存储空间大小为64K。存放APP程序的起始地址为0X08010000。

　　2.Bootloader检测是否有BIN文件

　　gCheckFat = f_open(&FP_Struct,"/APP/LIKLON.BIN",FA_READ);//判读gCheckFat确定上面的代码是检测是否存在liklon.bin这个文件存在，其中liklon.bin文件就是固件升级所需要的BIN文件。

　　3.复制文件到指定地址

　　上一步中如果gCheckFat为0则表示存在所需BIN文件，则可以执行这一步。f_read (&FP_Struct,ReadAppBuffer,512,(UINT *)&ReadNum); //读取512个字节将512个字节转换为256个16位的数据存放在ChangeBuffer数组中，准备写入FLASH。FlashWrite(FLASH_APP_ADDR + i * 512,ChangeBuffer,256); //向指定地址写入读出数据向APP程序区写入512个字节的数据。按照这样读取写入，就可以完成对APP程序区的更新。

4.跳转到新程序运行

　　更新完程序后就需要跳转到新程序开始运行，具体实现看下面代码：

　　typedef void (*iapfun)(void); //定义一个函数类型的参数
　　iapfun jump2app;
　　__asm void MSR_MSP(u32 addr) //设置堆栈指针
　　{
      　　MSR MSP, r0
      　　BX r14
　　}
　　//跳转到应用程序段
　　//appxaddr:用户代码起始地址.
　　void iap_load_app(u32 appxaddr)
　　{
      　　if(((*(vu32*)appxaddr)&0x2FFE0000)==0x20000000) //检查栈顶地址是否合法.
      　　{
            　　jump2app = (iapfun)*(vu32*)(appxaddr+4);//用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)，此处查看中断向量表可知
            　　MSR_MSP(*(vu32*)appxaddr);//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)
            　　jump2app(); //跳转到APP，执行复位中断程序
      　　}
　　}

　　APP程序设计注意

　　1.编译软件需要做出设置：

　　在Bootloader程序中已经指定了APP程序存储的起始地址为0x08010000,所以在APP程序设计时需要将编译软件这里做出设置，修改起始地址和大小。

　　2.修改system_stm32f10x.c文件

　　同样是针对于APP的起始地址改变而修改这里的偏移量，如上图所示。

　　文中只是简单的介绍了关于Bootloader程序的设计，作为抛砖引玉，大家可以继续深入，添加数据校验和程序加密等。

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////跳转函数具体说明

1、函数原型：

void Jump_Address(void)

{

if (((*(volatile u32*)ApplicationAddress) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)

{

test = (*(volatile u32*)ApplicationAddress);

JumpAddress = *(volatile u32*) (ApplicationAddress + 4);

Jump_To_Application = (pFunction) JumpAddress;

__set_MSP(*(volatile u32*) ApplicationAddress);

                Jump_To_Application();

}

}

2、if (((*(volatile u32*)ApplicationAddress) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)分析：

ApplicationAddress存放的是用户程序Flash的首地址，(*(volatile u32*)ApplicationAddress)的意思是取用户程序首地址里面的数据，这个数据就是用户代码的堆栈地址，堆栈地址指向RAM，而RAM的起始地址是0x20000000，因此上面的判断语句执行：判断用户代码的堆栈地址是否落在:0x20000000~0x2001ffff区间中，这个区间的大小为128K，笔者查阅STM32各型号的RAM大小，目前RAM最大的容量可以做到192K+4K，时钟频率为168MHZ。一般情况下，我们使用的芯片较多的落在<128K RAM的区间，因此上面的判断语句是没有太大问题的。

3、经过2的分析，test保存的就是堆栈地址（并且是应用程序堆栈的栈顶地址），查看STM32的向量表，可以知道：栈顶地址 + 4 存放的是复位地址，因此JumpAddress存放的是复位地址。

4、调用__set_MSP函数后，将把用户代码的栈顶地址设为栈顶指针

5、Jump_To_Application();的意思就是设置PC指针为复位地址。

CORTEX-M3上电后后检测BOOT引脚的电平来决定PC的位置。例：BOOT设置为FLASH启动，启动后CPU会先取两个地址：一个是栈顶地址，另一个是复位地址。因此才有了第4、第5点的写法。