STM32固件升級設計——內部FLASH模擬U盤升級固件

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、配置USB

4、配置fatfs文件系統

5、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。

一、功能描述?

????????使用STM32的USB總線和內部FLASH實現USB模擬U盤升級程序。將FLASH分為4個部分，最后的DOWNLOAD區域用作模擬U盤存儲固件。
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23K左右，所以使用0x08000000~0x00007FFF，SETTING主要存放升級標志位，使用0x08008000~0x00008FFF，剩下的FLASH將分為兩個部分都用來存放代碼，APP使用0x08009000~0x080447FF，DOWNLOAD使用0x08044800~0x0807FFFF。（如果想更大化地利用flash，可以不要setting區域，具體看自己如何寫了）

區域	起始地址	區域大小	功能
BOOT	0x08000000	0x00008000(32k)	存放BootLoader程序
SETTING	0x08008000	0x00001000(4k)	存放升級標志位/其它掉電不丟失標志位
APP	0x08009000	0x0003B800(238k)	存放產品主程序
DOWNLOAD	0x08044800	0x0003B800(238k)	存放待升級的程序（bin文件）

1、BootLoader部分：

????????運行程序時首先從SETTING區域讀取升級標志位，如果需要升級就進入識別U盤程序，否則就直接跳轉到APP。上電長按KEY1并復位，電腦上即可模擬出U盤，識別到U盤后復制固件bin文件到U盤，然后將內置FLASH里的fatfs文件系統的升級文件拷貝到APP起始地址，即可實現升級程序，具體請查看本文源碼。

tips：觸發模擬U盤功能不一定要按鍵才能觸發，例如上電前插入USB線也可以觸發，工程已預留代碼，只要注釋掉按鍵代碼即可。

2、APP部分：

????????該部分只需要設置中斷向量跳轉指針就行，如果想通過串口等下發升級標志位，也可以設置SETTING區域后復位進入BootLoader升級。

二、BootLoader程序制作

????????需要包含USB Device中的Mass_Strorage和內部FLASH以及fatfs文件系統的驅動代碼。（這部分是需要仔細研究做好的，我是根據正點原子和野火的教程移植的，具體流程不做了）

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)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            0x8000
#define SETTING_SECTOR_ADDR         0x08008000      // APP設置的boot升級標志位
#define SETTING_SECTOR_SIZE         0x1000
#define APP_SECTOR_ADDR             0x08009000      // APP sector start address 
#define APP_SECTOR_SIZE             0x3B800
#define DOWNLOAD_SECTOR_ADDR        0x08044800      // Download sector start address
#define DOWNLOAD_SECTOR_SIZE        0x3B800         // Download sector size #define APP_ERASE_SECTORS           (APP_SECTOR_SIZE / FLASH_SECTOR_SIZE) typedef enum {NONE = 0,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
}Update_Process;      //更新狀態

2、主函數

????????這部分包含了升級的所有狀態，主要思路是判斷firmware.bin文件是否存在，存在就執行升級。該框架可以說對比上一篇文章是完全不變的，具體看代碼。

Update_Process bootupdate_process;void devflash_update(void) 
{u8 file_buffer[1024]={0};   uint32_t flash_addr = APP_SECTOR_ADDR;unsigned long total_bytes_read = 0;UINT bytes_read;fres=f_mount(&fs,"2:",1); 				//掛載FLASH.	if(fres==FR_OK)//FLASH磁盤,FAT文件系統正常{printf("Flash disk OK!\r\n");}// 判斷flash根目錄下是否有firmware.bin文件fres = f_stat("2:/firmware.bin", &fno);if(fres == FR_OK){printf("2:/firmware.bin”文件信息：\n");printf("》文件大小: %ld(字節)\n", fno.fsize);iap_flash_erase(flash_addr, (fno.fsize/FLASH_SECTOR_SIZE)+1);}else{printf("firmware.bin not found!\r\n");}if(fres == FR_OK) {// 文件存在printf("firmware.bin found, size: %lu bytes\r\n", fno.fsize);printf("開始更新固件...\r\n");// 打開固件文件fres = f_open(&firmware_file, "2:/firmware.bin", FA_READ);if(fres == FR_OK) {// 循環讀取文件內容while (total_bytes_read < fno.fsize){// 讀取數據塊到緩沖區fres = f_read(&firmware_file, file_buffer, 1024, &bytes_read);if (fres != FR_OK || bytes_read == 0){// 讀取出錯或到達文件末尾printf("讀取文件失敗或文件已結束，錯誤碼: %d\r\n", fres);break;}// 寫入到FLASHprintf("正在寫入地址 0x%08X，大小: %u 字節\r\n", flash_addr, bytes_read);iap_write_appbin(flash_addr, file_buffer, bytes_read);// 更新計數器和地址total_bytes_read += bytes_read;flash_addr += bytes_read;// 顯示進度printf("更新進度: %lu/%lu bytes\r\n", total_bytes_read, fno.fsize);}// 關閉文件f_close(&firmware_file);if (total_bytes_read == fno.fsize) {printf("固件更新完成! 共寫入 %lu 字節\r\n", total_bytes_read);//固件更新完成后刪除firmware.bin文件fres = f_unlink("2:/firmware.bin");if (fres == FR_OK) {printf("firmware.bin文件刪除成功\r\n");} else {printf("刪除firmware.bin文件失敗，錯誤碼: %d\r\n", fres);}} else {printf("固件更新未完成! 已寫入 %lu/%lu 字節\r\n", total_bytes_read, fno.fsize);}}}	else {// 文件不存在printf("firmware.bin not found!\r\n");}
}
static void iap_process(void)
{uint8_t offline_cnt=0;uint8_t tct=0;uint8_t USB_STA;uint8_t Device_STA; // 定義最大重試次數和每次等待間隔const uint8_t max_retries = 5;const uint8_t wait_interval_ms = 100;uint8_t retry_count = 0;switch (bootupdate_process) {case NONE:break;case START_PROGRAM:spiflash_update();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:MAL_Init(0);Max_Lun=0;	USB_Interrupts_Config();/*設置USB時鐘為48M*/Set_USBClock();USB_Init();
//			while (bDeviceState != CONFIGURED);	 //等待配置完成// 等待配置完成，最多重試 5 次while (bDeviceState != CONFIGURED && retry_count < max_retries) {delay_ms(wait_interval_ms);retry_count++;}// 若 5 次后仍未配置完成，進入 START_PROGRAM 狀態if (bDeviceState != CONFIGURED) {printf("USB 配置失敗，嘗試 5 次后退出，進入 START_PROGRAM 狀態。\r\n");bootupdate_process = START_PROGRAM;return;}while(1){delay_ms(1);if(USB_STA!=USB_STATUS_REG)//狀態改變了 {if(USB_STATUS_REG&0x01)//正在寫{printf("USB Writing...\r\n");//提示USB正在寫入數據	 }if(USB_STATUS_REG&0x02)//正在讀{printf("USB Reading...\r\n");//提示USB正在讀出數據  		 }		if(USBD_User_App() == FR_OK)  //檢測到有對應的bin文件{bootupdate_process=UPDATE_SUCCESS;delay_ms(500);break;}if(USB_STATUS_REG&0x04)printf("USB Write Err\r\n");//提示寫入錯誤	  if(USB_STATUS_REG&0x08)printf("USB Read Err\r\n");//提示讀出錯誤 USB_STA=USB_STATUS_REG;//記錄最后的狀態}if(Device_STA!=bDeviceState) {if(bDeviceState==CONFIGURED){LED1_ON;//提示USB連接已經建立}else {LED1_OFF;//提示USB被拔出了}Device_STA=bDeviceState;}tct++;if(tct==200){tct=0;LED1_TOGGLE;//提示系統在運行if(USB_STATUS_REG&0x10){LED1_ON;offline_cnt=0;//USB連接了,則清除offline計數器bDeviceState=CONFIGURED;}else//沒有得到輪詢 {LED1_OFF;offline_cnt++;  if(offline_cnt>10)bDeviceState=UNCONNECTED;//2s內沒收到在線標記,代表USB被拔出了}USB_STATUS_REG=0;}}break;case UPDATE_SUCCESS:bootupdate_process=START_PROGRAM;write_setting_boot_state(bootupdate_process);NVIC_SystemReset();break;default:break;}
}int main(void)
{USART_Config();LED_GPIO_Config();printf("\r\n 使用指南者底板時 左上角排針位置 不要將PC0蓋有跳帽 防止影響PC0做SPIFLASH片選腳 \r\n");bootupdate_process=(Update_Process)read_setting_boot_state();if(Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == 1){bootupdate_process=UPDATE_PROGRAM;}while (1){iap_process();}
}

3、配置USB

????????這部分根據野火代碼移植而來，usb硬件配置自己看代碼理解就好，一般沒什么問題，根據上面的分區，讀寫內部FLASH時需要偏移0x08044800。U盤底層讀寫函數需要特別注意，如果U盤出bug，大概率是以下幾個函數有誤。

tips：在寫函數時不能全部擦除一個扇區，需要把不需要更改的數重新寫上，我就是一直卡在這一步，自己每次都是擦除一個扇區，再寫一個扇區，然后永遠都格式化不了U盤，但是我換到N32的硬件環境上又能格式化U盤，使用正點原子的STMFLASH_Write和STMFLASH_Read就沒問題了，這問題就。。。以后有時間再解決了。

uint16_t MAL_Write(uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Writebuff, uint16_t Transfer_Length)
{switch (lun)		//這里,根據lun的值確定所要操作的磁盤{case 0:		 	//磁盤0為 DEV FLASH盤	STMFLASH_Write(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + Memory_Offset,(u16*)Writebuff,Transfer_Length/2);break; case 1:			//磁盤1為SD卡		  
//			STA=SD_WriteDisk((u8*)Writebuff, Memory_Offset>>9, Transfer_Length>>9);   		  break;default:return MAL_FAIL;}return MAL_OK; 
}uint16_t MAL_Read(uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Readbuff, uint16_t Transfer_Length)
{switch (lun)		//這里,根據lun的值確定所要操作的磁盤{case 0:			//磁盤0為 DEV FLASH盤 STMFLASH_Read(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + Memory_Offset,(u16*)Readbuff,Transfer_Length/2);break;	  case 1:			//磁盤1為SD卡		    
//			STA=SD_ReadDisk((u8*)Readbuff, Memory_Offset>>9, Transfer_Length>>9);	   break;default:return MAL_FAIL;}return MAL_OK;
}uint16_t MAL_GetStatus (uint8_t lun)
{switch(lun){case 0:Mass_Block_Size[0] =0x400;			//設置FLASH的操作扇區大小為1024Mass_Block_Count[0]=DOWNLOAD_SECTOR_SIZE/0x400;   //238Mass_Memory_Size[0]=DOWNLOAD_SECTOR_SIZE;	//總字節												  return MAL_OK;case 1:											  return MAL_OK;default:return MAL_FAIL;} 
}

4、配置fatfs文件系統

????????這部分也是根據野火代碼移植而來，新增了一個卷標2，需要特別注意扇區大小和數量需要和USB配置的一樣。

#define SD_CARD	 0  //SD卡,卷標為0
#define EX_FLASH 1	//外部flash,卷標為1
#define DEV_FLASH 2 //內部flash,卷標為2//讀扇區
DRESULT disk_read (BYTE pdrv,		/* Physical drive nmuber to identify the drive */BYTE *buff,		/* Data buffer to store read data */DWORD sector,	/* Sector address in LBA */UINT count		/* Number of sectors to read */
)
{DRESULT status = RES_PARERR;  	 switch(pdrv){case SD_CARD://SD卡break;case EX_FLASH://外部flashbreak;case DEV_FLASH: for(;count>0;count--){			STMFLASH_Read(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + sector*1024,(u16*)buff,1024/2);sector++;buff+=1024;}status = RES_OK;break;default:status = RES_PARERR; }return status;
}
//寫扇區
DRESULT disk_write (BYTE pdrv,			/* Physical drive nmuber to identify the drive */const BYTE *buff,	/* Data to be written */DWORD sector,		/* Sector address in LBA */UINT count			/* Number of sectors to write */
)
{uint32_t write_addr;  DRESULT status = RES_PARERR;if (!count) {return RES_PARERR;		/* Check parameter */}switch(pdrv){case SD_CARD://SD卡break;case EX_FLASH://外部flashbreak;case DEV_FLASH: for(;count>0;count--)//寫函數不能全部擦除一個扇區，需要把不需要更改的數重新寫上{			STMFLASH_Write(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + sector*1024,(u16*)buff,1024/2);								    sector++;buff+=1024;}status = RES_OK;break;default:status = RES_PARERR; }return status;
}
//其他表參數的獲得
DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv,		/* Physical drive nmuber (0..) */BYTE cmd,		/* Control code */void *buff		/* Buffer to send/receive control data */
)
{DRESULT status = RES_PARERR;switch (pdrv) {case SD_CARD:	/* SD CARD */status = RES_OK;break;case EX_FLASH:break;case DEV_FLASH: switch(cmd){case CTRL_SYNC:		status = RES_OK; break;	 /* 扇區大小  */case GET_SECTOR_SIZE:*(WORD*)buff = 1024;status = RES_OK;break;	 /* 同時擦除扇區個數 */case GET_BLOCK_SIZE:*(DWORD*)buff = 1;status = RES_OK;break;	 /* 扇區數量：119*2*1024/1024=238(KB) */case GET_SECTOR_COUNT:*(DWORD*)buff =119*2;status = RES_OK;break;default:status = RES_PARERR;break;}break;default:status = RES_PARERR;}	return status;
}

5、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(u32 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

????????這部分設置一下flash的偏移量就行。

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x9000);

四、工程配置（默認KEIL5）

BootLoader部分：0x08000000~0x08007FFF

APP部分：0x08009000~0x080447FF

五、運行測試?

????????長按KEY1點擊復位（斷電重啟）可以看到識別到U盤(H:)，大小也正常，然后往里面復制一個固件firmware.bin（注意這里的固件名一定要是唯一的，不然程序識別不到），復制進去就會執行升級程序，可以看到打印信息顯示固件更新成功，本文和上一篇文章不同的是每次都按照一個扇區1024byte來寫和擦除。