STM32固件升級設計——串口IAP升級（基于YMODEM協議）

一、功能描述?

1、BootLoader部分：

2、APP部分：

二、BootLoader程序制作

1、分區定義

2、主函數

3、YMODEM協議的實現

4、程序跳轉

三、APP程序制作

四、工程配置（默認KEIL5）

五、運行測試?

結束語

概述

????????IAP（In Application Programming）即在應用中編程，允許在應用程序運行時更新或切換固件。STM32通過修改MSP（主堆棧指針）和PC（程序計數器）實現從不同地址啟動，包括Flash或RAM地址。默認情況下，嵌入式程序以連續二進制形式燒錄到STM32的可尋址Flash區域。若Flash容量足夠存儲多個完整程序，每個程序獨立且完整，上電后可通過修改MSP值選擇不同程序入口，從而實現多固件切換或升級。

?????????BootLoader（引導加載程序）是嵌入式系統或計算機啟動時運行的一段小型程序，負責初始化硬件、加載操作系統內核并將其控制權移交。它是系統從關機狀態到操作系統完全運行之間的橋梁。

????????所以，固件升級的基本思路是將stm32的flash劃分為若干個區域，其中包括BootLoader區域和APP區等，將各自的程序寫到對應的flash區域里，本文將采用YMODEM協議來接收固件，只重實踐不講原理。

一、功能描述?

????????使用STM32的串口總線和Ymodem協議實現串口IAP升級程序。將FLASH分為3個部分。
分區介紹：
????????本文使用stm32f103vet6，flash是512k，sector是1k，BootLoader整個代碼編譯下來有11K左右，所以使用0x08000000~0x00002FFF，SETTING主要存放升級標志位，使用0x08003000~0x00003FFF，剩下的FLASH將分為兩個部分都用來存放代碼，APP使用0x08004000~0x0807C000。（我這里已經極致壓縮FLASH了，如果大家要移植的話，肯定要修改各個區域大小的）

區域	起始地址	區域大小	功能
BOOT	0x08000000	0x00003000(12k)	存放BootLoader程序
SETTING	0x08003000	0x00001000(4k)	存放升級標志位/其它掉電不丟失標志位
APP	0x08004000	0x0007C000(496k)	存放產品主程序

tips：?選擇以上分區方式的好處是在上電瞬間可以觸發升級，在進入主程序運行期間也可以觸發升級，這樣就算升級了錯誤的程序，只要復位了再次進行升級就行，就不會導致變磚了。如果選擇在主程序執行接收升級文件步驟，那如果程序有誤，就很大概率會變磚，當然也有辦法，那就是加校驗或者將bin文件加密，這部分就不做了。

1、BootLoader部分：

運行程序時首先從SETTING區域讀取升級標志位，如果需要升級就一直用串口發送字符C（Ymodem協議的一部分），否則就直接跳轉到APP。
上電長按KEY1并復位，直接設置升級標志位進入升級，一直發送字符C，用xshell來發送升級bin文件。先將APP區域的程序全部擦除掉，然后xshell會按照Ymodem協議發送128或1024字節給MCU，MCU分別寫入到APP區域內后復位即可實現升級程序，具體請查看本文源碼。

2、APP部分：

????????該部分需要在程序起始設置中斷向量跳轉指針，為了符合需求我用串口接收到‘1’就會設置程序更新標志位，復位后進入BootLoader升級。（大家也可以設置一個串口命令或者其它觸發方式，只要能寫更新標志位和復位就行）

二、BootLoader程序制作

????????主要包含了YMODEM協議的驅動代碼。

1、分區定義

#define FLASH_SECTOR_SIZE       1024   //MCU sector size
#define FLASH_SECTOR_NUM        512    // 512k
#define FLASH_START_ADDR        ((uint32_t)0x08000000)
#define FLASH_END_ADDR          ((uint32_t)(0x08000000 + FLASH_SECTOR_NUM * FLASH_SECTOR_SIZE))#define BOOT_SECTOR_ADDR            0x08000000      // BOOT sector start address
#define BOOT_SECTOR_SIZE            0x3000
#define SETTING_SECTOR_ADDR         0x08003000      // APP設置的boot升級標志位
#define SETTING_SECTOR_SIZE         0x1000
#define APP_SECTOR_ADDR             0x08004000      // APP sector start address 
#define APP_SECTOR_SIZE             0x7C000         // APP sector size 
#define APP_ERASE_SECTORS        (APP_SECTOR_SIZE / FLASH_SECTOR_SIZE)   //507904/1024=496#define SETTING_BOOT_STATE      0x08003000
#define START_PROGRAM_STATE     2
#define UPDATE_PROGRAM_STATE    3
#define UPDATE_SUCCESS_STATE    4typedef enum {NONE = 0,BUSY,START_PROGRAM,    //進入APP主程序或者有更新就執行更新UPDATE_PROGRAM,   //進入更新UPDATE_SUCCESS    //更新成功寫標志位
}process_status;      //更新狀態

2、主函數

????????這部分包含了升級的所有狀態，該框架可以說對比上一篇文章是完全不變的，在UPDATE_PROGRAM需要一直發送字符C來請求數據，具體看代碼。

static void iap_process(void)
{process_status process;process = get_boot_state();switch (process) {case NONE:break;case START_PROGRAM:printf("start app...\r\n");delay_ms(50);if ((((*(vu32*)(APP_SECTOR_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)&&(!iap_load_app(APP_SECTOR_ADDR))) {printf("no program\r\n");delay_ms(1000);}printf("start app failed\r\n");break;case UPDATE_PROGRAM:ymodem_c();LED1_TOGGLE;delay_ms(1000);break;case UPDATE_SUCCESS:write_setting_boot_state(START_PROGRAM_STATE);NVIC_SystemReset();break;default:break;}
}int main(void)
{LED_GPIO_Config();ymodem_init();Key_GPIO_Config();printf("jin ru boot\r\n");set_boot_state(read_setting_boot_state());if(Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == 1){set_boot_state(UPDATE_PROGRAM);}while(1){iap_process();}
}

3、YMODEM協議的實現

? ? ? ? 接收固件按幀來接收的，默認使用1024個字節每幀接收，起始幀和結束幀（YMODEM_SOH）都不傳輸數據，數據幀（YMODEM_STX）以1024個字節接收固件，所以只需要接收YMODEM_STX，至于串口收發、隊列和定時器的配置就不說了，只可以意會不可言傳，反正根據YMODEM協議發完一幀需要MCU給應答才會發第二幀。

推薦以下兩篇文章學習YMODEM協議

Ymodem協議詳解-CSDN博客

Ymodem文件傳輸協議_ymodem協議-CSDN博客

#define YMODEM_SOH		0x01  // start of 128
#define YMODEM_STX		0x02  // start of 1024
#define YMODEM_EOT		0x04  // end of transmission
#define YMODEM_ACK		0x06  // positive acknowledge
#define YMODEM_NAK		0x15  // negative acknowledge
#define YMODEM_CA		0x18  // cancel終止
#define YMODEM_C		0x43  // control character 'C'
#define YMODEM_END      0x4F  // control character 'O'關閉傳輸
void ymodem_ack(void) 
{uint8_t buf;buf = YMODEM_ACK;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}void ymodem_nack(void) 
{uint8_t buf;buf = YMODEM_NAK;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}void ymodem_c(void) 
{uint8_t buf;buf = YMODEM_C;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}void ymodem_end(void)
{uint8_t buf;buf = YMODEM_END;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}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, APP_ERASE_SECTORS);ymodem_ack();ymodem_c();ymodem.status++;}break;case 1:if (type == YMODEM_SOH || type == YMODEM_STX) {if (type == YMODEM_SOH)//起始幀、結束幀這里可以不操作flash{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_end();ymodem.status = 0;ymodem.process = UPDATE_SUCCESS;}}p->len = 0;
}

4、程序跳轉

????????跳轉這部分網上也很多，基本沒什么區別，關于中斷可能要注意一下，可能跳轉之前，某些外設中斷是開啟的，跳轉之后，中斷產生了，但是APP代碼中沒有處理對應該中斷的中斷處理函數，所以就可能會直接死機。

tips：本文的開發環境只有64k ram，所以需要特別注意這里，雖然bootloader的ram不太可能會超。

if (((*(__IO uint32_t*)appxaddr) & 0x2FFF0000 ) == 0x20000000)?

詳細參考以下文章：

關于STM32單片機IAP升級中if(((*(__IO uint32_t*)ulAddr_App) & 0x2FFE0000) == 0x20000000)語句的理解-CSDN博客

uint8_t iap_load_app(uint32_t appxaddr)
{uint8_t i;uint32_t jump_addr;if (((*(__IO uint32_t*)appxaddr) & 0x2FFF0000 ) == 0x20000000) {  jump_addr = *(__IO uint32_t*) (appxaddr + 4);  jump2app = (iapfun)jump_addr;  /* 關閉所有中斷，清除所有中斷掛起標志 */  for (i = 0; i < 8; i++){NVIC->ICER[i]=0xFFFFFFFF;NVIC->ICPR[i]=0xFFFFFFFF;}	__set_MSP(*(__IO uint32_t*)appxaddr);  jump2app();return 1;}return 0;
}

三、APP程序制作

????????這部分需要設置一下flash的偏移量，為了滿足需求，還需要在串口中斷函數添加觸發更新標志位。

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x4000);

// 串口中斷服務函數
void USART1_IRQHandler(void)
{uint8_t ucTemp;if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_RXNE)!=RESET){		ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);USART_SendData(DEBUG_USARTx,ucTemp);  if(ucTemp=='1'){write_setting_boot_state(UPDATE_PROGRAM_STATE);NVIC_SystemReset();}}	 
}