电子产品如何使用IAP方式升级程序

目录

1、ICP、ISP和IAP的概念

2、IAP升级程序的原理

3、IAP升级程序的流程

4、IAR环境下IAP的实现

4.1、BootLoader程序设计

4.2、User Application程序设计

4.3、IAR地址配置及文件输出

5、拓展：解析HEX文件

1、ICP、ISP和IAP的概念

在项目开发过程中通常使用SWD、JTAG等工具进行程序烧录和仿真，若产品节点较少还是比较方便，但是当设备节点量产时，就需要使用IAP的方式进行程序烧录。

简单说明几个概念ICP、ISP和IAP。

ICP In-circuit programmer

ICP：在电路编程，MCU内部不需要有程序，上电就能够对程序存储区域进行编程，例如平时使用JTAG、SWD等方式。

ISP In-system programer

ISP：在系统编程，通过MCU专用的串行编程接口进行编程，MCU需要具有运行的外部条件，例如有晶振等。

例如STM32通过设置BOOT引脚设置对应启动模式，然后通过串口等对内部Flash进行升级，可以说这种方式就是厂家在芯片内部固化了一个BootLoader程序。

IAP In-application programer

IAP：在应用编程，开发者设计BootLoader程序，通过串口、CAN、以太网等通信方式实现程序升级。

2、IAP升级程序的原理

通常一块MCU芯片的Code(代码)区内只有一个用户程序，而IAP方案则是将代码区划分为两部分，两部分区域各存放一个程序，一个为BootLoader(引导加载程序)，另一个为User Application(用户应用程序)。

BootLoader在出厂时就固定下来了，在需要变更User Application时只需要通过触发BootLoader对User Application的擦除和重新写入即可完成用户应用的更换。

程序执行初始化后首先会进入BootLoader，在BootLoader里面检测条件是否被触发(可通过按键是否被按下、串口是否接收到特定的数据、U盘是否插入等)，如果有则进行对User Application进行擦除和重新写入操作新程序，如果没有则直接跳转到BootLoader执行User Application。

3、IAP升级程序的流程

假设设备仅有User Application，以STM32F103ZET6为例，其启动方式有三种：内置FLASH启动、内置SRAM启动、系统存储器ROM启动。通过BOOT0和BOOT1引脚的设置可以选择从哪中方式启动，这里选择内置的FLASH启动，STM32F103ZET6 FLASH的地址为0x08000000—0x0807FFFF，共512KB。

通常STM32发生中断的过程为以下五步：

1、发生中断(中断请求)；

2、到中断向量表查找中断函数入口地址；

3、跳转到中断函数；

4、执行中断函数；

5、中断返回。

也就是说，STM32的内置的Flash中有一个中断向量表来存放各个中断服务函数的入口地址，内置Flash的分配情况如下图所示：

所以当只有一个程序的情况下（仅有User Applicatio时），程序执行的走向如下所示：

解析上图：

STM32F103ZET6有一个中断向量表，这个中断向量表存放在代码开始部分的后4个字节处(即0x08000004)，代码开始的4个字节存放的是堆栈栈顶的地址，当发生中断后程序通过查找该表得到相应的中断服务程序入口地址，然后再跳到相应的中断服务程序中执行。

设备上电后从0x08000004处取出复位中断向量的地址，然后跳转到复位中断程序的入口(标号①所示)，执行结束后跳转到main函数中(标号②所示)。在执行main函数的过程中发生中断，则STM32强制将PC指针指回中断向量表处(标号③所示)，从中断向量表中找到相应的中断函数入口地址，跳转到相应的中断服务函数(标号④所示)，执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑤所示)。

下面要讲正题了。

若将STM32F103ZET6在内置的Flash里面添加User Application和BootLoader程序，则Flash分配情况大致如下图所示：

此时，User Application和BootLoader程序各有一个中断向量表，假设BootLoader程序占用的空间为N+M字节，则程序的走向应该如下图所示：

解析上图：

设备上电初始程序依然从0x08000004处取出复位中断向量地址，执行复位中断函数后跳转到IAP的main(标号①所示)，在IAP的main函数执行完成后（在BootLoader里面检测条件是否被触发(可通过按键是否被按下、串口是否接收到特定的数据、U盘是否插入等)，如果有则进行对User Application进行擦除和重新写入操作新程序，如果没有则直接跳转到BootLoader执行User Application）强制跳转到0x08000004+N+M处(标号②所示)，最后跳转到新的main函数中来(标号③所示)，当发生中断请求后，程序跳转到新的中断向量表中取出新的中断函数入口地址，再跳转到新的中断服务函数中执行(标号④⑤所示)，执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑥所示)。

4、IAR环境下IAP的实现

以IAR环境为例，简单讲述IAP的实现步骤。这里MCU以华大HC32L130为例，因为使用的MCU不同，所以实现的细节也不一致，但是基本上官方都会提供Demo例程。

本示例Flash分配情况为：BootLoader地址：0x00000000~0x00000DFF，User Application地址：0x00001000~0x0000FFFF。

4.1、BootLoader程序设计

第1步：设计总体架构，包含三个功能函数：检测BootLoader标志程序、IAP配置程序和IAP烧录功能程序。

/**

*******************************************************************************

** \brief IAP 主函数

**

** \param None

**

** \retval int32_t Return value, if needed

**

******************************************************************************/

int32_t main(void)

{

IAP_UpdateCheck();

IAP_Init();

IAP_Main();

}

第2步：检查BootPara标记区数据值，判断是否需要升级APP程序，若需要升级则才会执行IAP_Init()和IAP_Main()函数，否则会直接跳转到User Application程序。

/**

*******************************************************************************

** \brief 检查BootPara标记区数据值，判断是否需要升级APP程序.

**

** \param None

**

** \retval None

**

******************************************************************************/

void IAP_UpdateCheck(void)

{

uint32_t u32AppFlag;

u32AppFlag = *(__IO uint32_t *)BOOT_PARA_ADDRESS; //读出BootLoader para区标记值

if (APP_FLAG != u32AppFlag) //如果标记值不等于APP_FLAG,表示不需要升级APP程序

{

IAP_JumpToApp(APP_ADDRESS); //则直接跳转至APP

}

}

第3步：IAP_Init()函数的实现，主要包括外围模块初始化和IAP通信协议标志初始化。

/**

*******************************************************************************

** \brief IAP 初始化

**

** \param [in] None

**

** \retval None

**

******************************************************************************/

void IAP_Init(void)

{

PreiModule_Init();

Modem_RamInit();

}

/**

*******************************************************************************

** \brief CPU外围模块初始化

**

** \param [in] None

**

** \retval None

**

******************************************************************************/

void PreiModule_Init(void)

{

HC32_SetSystemClockToRCH22_12MHz();

HC32_InitUart();

HC32_InitCRC();

HC32_InitTIM();

HC32_InitFlash(FLASH_CONFIG_FREQ_22_12MHZ);

}

/**

*******************************************************************************

** \brief modem文件中相关变量参数初始化

**

** \param [out] None

** \param [in] None

**

** \retval None

**

******************************************************************************/

void Modem_RamInit(void)

{

uint32_t i;

enFrameRecvStatus = FRAME_RECV_IDLE_STATUS; //帧状态初始化为空闲状态

for (i=0; i

{

u8FrameData[i] = 0; //帧数据缓存初始化为零

}

u32FrameDataIndex = 0; //帧缓存数组索引值初始化为零

}

第4步：IAP_Main(）函数的实现，主要包含对User Application程序更新处理。

/**

*******************************************************************************

** \brief IAP APP程序升级主函数.

**

** \param None

**

** \retval None

**

******************************************************************************/

void IAP_Main(void)

{

en_result_t enRet;

while (1)

{

enRet = Modem_Process(); //APP程序更新处理

if (Ok == enRet)

{

IAP_ResetConfig(); //复位所有外设模块

if (Error == IAP_JumpToApp(APP_ADDRESS)) //如果跳转失败

{

while(1);

}

}

}

}

/**

*******************************************************************************

** \brief 上位机数据帧解析及处理

**

** \param [in] None

**

** \retval Ok APP程序升级完成，并接受到跳转至APP命令

** \retval OperationInProgress 数据处理中

** \retval Error 通讯错误

**

******************************************************************************/

en_result_t Modem_Process(void)

{

uint8_t u8Cmd, u8FlashAddrValid, u8Cnt, u8Ret;

uint16_t u16DataLength, u16PageNum, u16Ret;

uint32_t u32FlashAddr, u32FlashLength, u32Temp;

if (enFrameRecvStatus == FRAME_RECV_PROC_STATUS) //有数据帧待处理, enFrameRecvStatus值在串口中断中调整

{

u8Cmd = u8FrameData[PACKET_CMD_INDEX]; //获取帧指令码

if (PACKET_CMD_TYPE_DATA == u8FrameData[PACKET_TYPE_INDEX]) //如果是数据指令

{

u8FlashAddrValid = 0u;

u32FlashAddr = u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX] + //读取地址值

(u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX + 1] << 8) +

(u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX + 2] << 16) +

(u8FrameData[PACKET_ADDRESS_INDEX + 3] << 24);

if ((u32FlashAddr >= (FLASH_BASE + BOOT_SIZE)) && (u32FlashAddr < (FLASH_BASE + FLASH_SIZE))) //如果地址值在有效范围内

{

u8FlashAddrValid = 1u; //标记地址有效

}

}

switch (u8Cmd) //根据指令码跳转执行

{

case PACKET_CMD_HANDSHAKE : //握手帧 指令码

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK; //返回状态为：正确

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE); //发送应答帧给上位机

break;

case PACKET_CMD_ERASE_FLASH : //擦除flash 指令码

if ((u32FlashAddr % FLASH_SECTOR_SIZE) != 0) //如果擦除地址不是页首地址

{

u8FlashAddrValid = 0u; //标记地址无效

}

if (1u == u8FlashAddrValid) //如果地址有效

{

u32Temp = u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX] + //获取待擦除flash尺寸

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 1] << 8) +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 2] << 16) +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 3] << 24);

u16PageNum = FLASH_PageNumber(u32Temp); //计算需擦除多少页

for (u8Cnt=0; u8Cnt

{

u8Ret = Flash_EraseSector(u32FlashAddr + (u8Cnt * FLASH_SECTOR_SIZE));

if (Ok != u8Ret) //如果擦除失败，反馈上位机错误代码

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ERROR;

break;

}

}

if (Ok == u8Ret) //如果全部擦除成功，反馈上位机成功

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK;

}else //如果擦除失败，反馈上位机错误超时标志

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_TIMEOUT;

}

}

else //地址无效，反馈上位机地址错误

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR;

}

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE); //发送应答帧到上位机

break;

case PACKET_CMD_APP_DOWNLOAD : //数据下载 指令码

if (1u == u8FlashAddrValid) //如果地址有效

{

u16DataLength = u8FrameData[FRAME_LENGTH_INDEX] + (u8FrameData[FRAME_LENGTH_INDEX + 1] << 8)

- PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE; //获取数据包中的数据长度(不包含指令码指令类型等等)

if (u16DataLength > PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE) //如果数据长度大于最大长度

{

u16DataLength = PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE; //设置数据最大值

}

u8Ret = Flash_WriteBytes(u32FlashAddr, (uint8_t *)&u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX], u16DataLength); //把所有数据写入flash

if (Ok != u8Ret) //如果写数据失败

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ERROR; //反馈上位机错误 标志

}

else //如果写数据成功

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK; //反馈上位机成功 标志

}

}

else //如果地址无效

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR; //反馈上位机地址错误

}

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE); //发送应答帧到上位机

break;

case PACKET_CMD_CRC_FLASH : //查询flash校验值 指令码

if (1u == u8FlashAddrValid) //如果地址有效

{

u32FlashLength = u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX] +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 1] << 8) +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 2] << 16) +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 3] << 24); //获取待校验flash大小

if ((u32FlashLength + u32FlashAddr) > (FLASH_BASE + FLASH_SIZE)) //如果flash长度超出有效范围

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_FLASH_SIZE_ERROR; //反馈上位机flash尺寸错误

}else

{

u16Ret = Cal_CRC16(((unsigned char *)u32FlashAddr), u32FlashLength);//读取flash指定区域的值并计算crc值

u8FrameData[PACKET_FLASH_CRC_INDEX] = (uint8_t)u16Ret; //把crc值存储到应答帧

u8FrameData[PACKET_FLASH_CRC_INDEX+1] = (uint8_t)(u16Ret>>8);

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK; //反馈上位机成功 标志

}

}

else //如果地址无效

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR; //反馈上位机地址错误

}

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE+2); //发送应答帧到上位机

break;

case PACKET_CMD_JUMP_TO_APP : //跳转至APP 指令码

Flash_EraseSector(BOOT_PARA_ADDRESS); //擦除BOOT parameter 扇区

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK; //反馈上位机成功

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE); //发送应答帧到上位机

return Ok; //APP更新完成，返回OK，接下来执行跳转函数，跳转至APP

case PACKET_CMD_APP_UPLOAD : //数据上传

if (1u == u8FlashAddrValid) //如果地址有效

{

u32Temp = u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX] +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 1] << 8) +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 2] << 16) +

(u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX + 3] << 24); //读取上传数据长度

if (u32Temp > PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE) //如果数据长度大于最大值

{

u32Temp = PACKET_DATA_SEGMENT_SIZE; //设置数据长度为最大值

}

Flash_ReadBytes(u32FlashAddr, (uint8_t *)&u8FrameData[PACKET_DATA_INDEX], u32Temp); //读flash数据

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK; //反馈上位机成功 标志

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE + u32Temp);//发送应答帧到上位机

}

else //如果地址无效

{

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_ADDR_ERROR; //反馈上位机地址错误 标志

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE); //发送应答帧到上位机

}

break;

case PACKET_CMD_START_UPDATE : //启动APP更新(此指令正常在APP程序中调用)

u8FrameData[PACKET_RESULT_INDEX] = PACKET_ACK_OK; //反馈上位机成功 标志

Modem_SendFrame(&u8FrameData[0], PACKET_INSTRUCT_SEGMENT_SIZE); //发送应答帧到上位机

break;

}

enFrameRecvStatus = FRAME_RECV_IDLE_STATUS; //帧数据处理完成，帧接收状态恢复到空闲状态

}

return OperationInProgress; //返回，APP更新中。。。

}

4.2、User Application程序设计

在本示例User Application中，触发BootLoader更新程序的标志在串口接收中实现。

//UART0中断函数

void Uart0_IRQHandler(void)

{

if(Uart_GetStatus(M0P_UART0, UartRC)) //UART0数据接收

{

Uart_ClrStatus(M0P_UART0, UartRC); //清中断状态位

u8RxData[u8RxCnt] = Uart_ReceiveData(M0P_UART0); //接收数据字节

u8RxCnt++;

if(u8RxCnt>=18)

{

u8RxCnt = 0;

if ((u8RxData[0]==0x6D)&&(u8RxData[1]==0xAC)&&(u8RxData[6]==0x26)&&(u8RxData[16]==0xA6)&&(u8RxData[17]==0xDA)) //是APP更新帧

{

for(uint32_t i=0;i<18;i++)

{

Uart_SendDataPoll(M0P_UART0,u8TxData[i]); //查询方式发送数据

}

//boot para区域写标记值,通知BootLoader要更新程序了

Flash_SectorErase(0xF00);

Flash_WriteWord(0xF00, 0x12345678);

NVIC_SystemReset(); //软件复位MCU

}

}

}

if(Uart_GetStatus(M0P_UART0, UartTC)) //UART0数据发送

{

Uart_ClrStatus(M0P_UART0, UartTC); //清中断状态位

}

}

4.3、IAR地址配置及文件输出

最后还需要简答配置下IAR环境。

第1步：确定输出的Linker配置地址，因为需要在这里程序修改地址。

第2步：找到Linker配置文件，修改BootLoader程序地址：0x00000000~0x00000DFF，User Application程序地址：0x00001000~0x0000FFFF。

第3步：找到User Application程序的配置文件（后缀为.s的文件），添加程序中断向量偏移长度：0x00001000，和BootLoader程序配置文件相比有两处不同之处，如下所示：

第4步：将这两个程序按照ICP方式（SWD、JTAG等）烧录后，此后就可以使用IAP方式通过串口烧录HEX文件程序或者BIN文件程序。输出及烧录HEX文件程序或者BIN文件程序方式如下图所示：

5、拓展：解析HEX文件

HEX文件可以通过UltraEdit、Notepad++、记事本等工具打开，用Notepad++打开之后会看到以下数据内容：

使用Notepad++打开后会不同含义的数据其颜色不同。每行数据都会有一个冒号开始，后面的数据由：数据长度、地址、标识符、有效数据、校验数据等构成。以上图的第一行为例，进行解析：

第1个字节10，表示该行具有0x10个数据，即16个字节的数据；

第2、3个字节3E00，表示该行的起始地址为0x3E00；

第4个字节00，表示该行记录的是数据；

第5-20个字节，表示的是有效数据；

第21个字节EB，表示前面数据的校验数据，校验方法：0x100-前面字节累加和；

其中，第4个字节具有5种类型：00-05，含义如下：

单片机的hex文件以00居多，都用来表示数据。hex文件的结束部分如下图所示：

最后一行的01表示文件结束了，最后的FF表示校验数据，由0x100-0x01=0xFF得来。

资源下载：IAR环境下STM32+IAP方案的实现

ARM 单片机

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