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STM32-IAP基本原理及应用 | ICP、IAP程序下载流程 | 程序执行流程 | 配置IAP到STM32F4xxx

小浪宝宝 2023-07-14 00:00:02
简介STM32-IAP基本原理及应用 | ICP、IAP程序下载流程 | 程序执行流程 | 配置IAP到STM32F4xxx

目录

1.串口IAP介绍

1.1STM32编程方式

①在线编程（ICP,In-Circuit Programming）:通过JTAG/SWD协议或者系统加载程序(Bootloader，串口)下载用户应用程序到微控制器中。
②在程序中编程(IAP,In Application Programming):通过任何一种通信接口(如IO端口,USB,CAN,UART,I2C,SPI等)下载程序或者应用数据到存储器中（需要在此前通过在线编程中的一种下载方式已经下载好了一段代码到FLASH前面的一段区域）。也就是说，STM32允许用户在应用程序中重新烧写闪存存储器中的内容。然而，IAP需要至少有一部分程序已经使用ICP方式烧到闪存存储器中（Bootloader)。在不需要操作硬件平台的情况下实现升级（远程）。
  每种STM32芯片（M0,M3,M4)，它们的主存储器结构可能不一样，但是他们都有一个叫“系统存储器”的区域，此区域是留给ST自己用来存放芯片的bootloader程序，此程序在芯片出厂的时候已经固化在芯片内部。系统存储器的Bootloader程序会通过串口1接受应用程序。

1.2STM32系列芯片系统存储器区域

系统存储器：只留给ST用来写启动程序代码代码。启动程序代码通过串口1接口实现对闪存存储器的编程。

1.2.1 STM32F40x/41x

在这里插入图片描述

1.2.2 STM32F42x/43x

在这里插入图片描述

1.3STM32启动模式选择

系统存储器模式用于程序下载，主闪存存储器模式执行应用程序。
在这里插入图片描述

1.4ICP下载流程

  BOOT0接1，系统存储器被选为启动区域，系统存储器有一段启动代码，启动代码从串口1接受程序，从地址0x08000000开始写入。JTAG/SWD下载，直接下载到FLASH指定区域。
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1.5IAP下载流程

  首先向内存中下载Bootloader代码，该部分代码与系统存储器中的BootLoader代码不是一个概念，此处的Bootloader代码可通过ICP下载方式进行写到（以FLASH为例）以0x08000000开始的地址区域。Bootloader代码可根据自身需求编写，比如在Bootloader中开放一个UART串口接口，串口接口就可以接受数据，比如说已经编译好的应用程序BIN文件格式，Bootloader可以通过串口接收数据，将程序写入到FLASH的另外一片区域，写完之后又可以从程序中跳转到应用程序来执行。也就是说Bootloader负责接收真正的应用程序，并将程序写入到另外一段FLASH区域，操作完根据需求跳转到应用程序去执行。
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1.6一般的程序执行流程

  以程序存储的FLASH为例，以地址0x08000000开始，四个地址存放“栈顶地址”，从地址0x08000004开始存放的是中断向量表，中断向量表中存放中断服务函数的起始地址。第一步，当程序复位后，取出复位中断函数Reset_Handler的入口地址，偏移一定的地址找到复位中断程序；第二步，跳转到主函数入口，执行主函数程序；执行主程序过程中可能触发中断，在中断向量表中查找对应的中断应用程序入口地址，跳转到此中断入口，执行中断，执行完中断回到main函数的死循环。
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STM32的内部闪存（FLASH）地址起始于0x08000000，一般情况下，程序文件就从此地址开始写入。
0x08000004开始存放中断向量表。
当中断来临，STM32的内部硬件机制亦会自动将PC指针定位到“中断向量表”处，并根据中断源取出对应的中断向量执行中断服务程序。
①STM32复位后，从0X08000004地址取出复位中断向量的地址，并跳转到复位中断服务程序。
②在复位中断服务程序执行完之后，会跳转到我们的main函数。
③main函数执行过程中，如果收到中断请求（发生重中断），此时STM32强制将PC指针指回中断向量表处。
④根据中断源进入相应的中断服务程序。
⑤在执行完中断服务程序以后，程序再次返回main函数执行

1.7加入IAP之后程序运行程序

  复位后，找到复位中断服务函数去执行，执行完成到主函数，主函数中包含IAP过程，IAP过程可以通过串口将程序包将程序写到FLASH的某一个区域，写完以后会进行跳转，跳转到应用程序FLASH区域（此区域包含新的中断向量表），执行完复位中断程序，跳转到主函数死循环，如果有中断触发，跳转到原程序的中断向量表，然后计算偏移量，再跳转到应用程序中断向量表的中断入口地址。
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①STM32复位后，还是从0X08000004地址取出复位中断向量的地址，并跳转到复位中断服务程序，在运行完复位中断服务程序之后跳转到IAP的main函数；
②在执行完IAP以后（即将新的APP代码写入STM32的FLASH，灰底部分。新程序的复位中断向量起始地址为0X08000004+N+M），跳转至新写入程序的复位向量表，取出新程序的复位中断向量的地址，并跳转执行新程序的复位中断服务程序，随后跳转至新程序的main函数，如图标号②和③所示；
③在main函数执行过程中，如果CPU得到一个中断请求，PC指针仍强制跳转到地址0X08000004中断向量表处，而不是新程序的中断向量表；
④程序再根据我们设置的中断向量表偏移量，跳转到对应中断源新的中断服务程序中；
⑤在执行完中断服务程序后，程序返回main函数继续运行。

1.8STM32复位后如何跳转到main函数

在启动文件startup_stm32f40_41xxx.s中定义了一下内容：

; Reset handler
Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
        IMPORT  SystemInit
        IMPORT  __main
                 LDR     R0, =SystemInit
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main
                 BX      R0
                 ENDP

1.9IAP升级应用程序过程

1）检查是否需要对第二部分代码（实际的应用程序代码）进行更新 　　
2）如果不需要更新则转到4） 　　
3）执行更新操作 　　
4）跳转到第二部分代码执行

我们将第一个项目代码称之为Bootloader程序，第二个项目代码称之为APP程序，他们存放在STM32 FLASH的不同地址范围，一般从最低地址区开始存放Bootloader，紧跟其后的就是APP程序（注意，如果FLASH容量足够，是可以设计很多APP程序的，本章我们只讨论一个APP程序的情况）。这样我们就是要实现2个程序：Bootloader和APP。
STM32的APP程序不仅可以放到FLASH里面运行，也可以放到SRAM里面运行。我们后面主要讲解FLASH情况，对SRAM原理一致。

在这里插入图片描述
IAP程序必须满足的两个要求：
①新程序（APP)必须在IAP程序(bootloader)之后的某个偏移量为x的地址开始；
②必须将新程序(APP)的中断向量表相应的移动，移动的偏移量为x；

2.APP程序的生成步骤

①设置APP程序的起始地址和存储空间大小;
②设置中断向量表偏移量 ：设置SCB->VTOR的值即可；
③设置MDK编译后运行fromelf.exe，生成.bin文件：通过在MDK User选项卡，设置编译后调用fromelf.exe，根据.axf文件生成.bin文件，用于IAP更新。

以正点原子实验50 串口IAP实验为例：

2.1设置APP程序的起始地址和存储空间大小（以FLASH为例）

其实地址为0x8010000，用1M减去0x10000得0xF0000存放APP。
在这里插入图片描述

  在usart.c文件中，首先定义了一个数组Buff，Buff大小为USART_REC_LEN，USART_REC_LEN在usart.h中定义成120*1024，由于Buff是u8数据类型，则Buff大小为120K，后面的__attribute__ ((at(0X20001000)))代表将Buff存放在SRAM以地址0X20001000开头的区域。

u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN] __attribute__ ((at(0X20001000)));//接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节,存放的起始地址为0X20001000.

  在中断服务函数中，如果有数据将被接收，接收数据的最大长度不超过USART_REC_LEN。

void USART1_IRQHandler(void)                	//串口1中断服务程序
{
	u8 Res;
#if SYSTEM_SUPPORT_OS
	OSIntEnter();    
#endif
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾)
	{
		Res =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR);	//读取接收到的数据
		
			if(USART_RX_CNT<USART_REC_LEN)
		{
			USART_RX_BUF[USART_RX_CNT]=Res;
			USART_RX_CNT++;			 									     
		}	 	
  } 
#if SYSTEM_SUPPORT_OS
	OSIntExit();  											 
#endif
}

  在iap.h中定义了两个函数，iap_load_app实现入口跳转，在Bootloader中调用此函数，实现跳转，跳转到APP程序中执行。iap_write_appbin将接收到的数据写到FLASH中的某个区域，入口参数是APP的地址appxaddr，存放数据的Buff数组*appbuf，要写入的长度applen。宏定义变量FLASH_APP1_ADDR为APP起始地址，起始地址不能随便写，需要根据Bootloader的大小进行编写。起始地址为0x08000000，偏移0x10000，即Bootloader大小为64k，给APP留的空间也就是1M减去64k。

#define FLASH_APP1_ADDR		0x08010000  	//第一个应用程序起始地址(存放在FLASH)
											//保留0X08000000~0X0800FFFF的空间为Bootloader使用(共64KB)	
void iap_load_app(u32 appxaddr);			//跳转到APP程序执行
void iap_write_appbin(u32 appxaddr,u8 *appbuf,u32 applen);	//在指定地址开始,写入bin

在iap.c中
iap_write_appbin将接收到的应用程序写到FLASH的某个区域。

iapfun jump2app; 
u32 iapbuf[512]; 	//2K字节缓存  
//appxaddr:应用程序的起始地址
//appbuf:应用程序CODE.
//appsize:应用程序大小(字节).
void iap_write_appbin(u32 appxaddr,u8 *appbuf,u32 appsize)
{
	u32 t;
	u16 i=0;
	u32 temp;
	u32 fwaddr=appxaddr;//当前写入的地址
	u8 *dfu=appbuf;
	for(t=0;t<appsize;t+=4)
	{						   
		temp=(u32)dfu[3]<<24;   
		temp|=(u32)dfu[2]<<16;    
		temp|=(u32)dfu[1]<<8;
		temp|=(u32)dfu[0];	  
		dfu+=4;//偏移4个字节
		iapbuf[i++]=temp;	    
		if(i==512)
		{
			i=0; 
			STMFLASH_Write(fwaddr,iapbuf,512);
			fwaddr+=2048;//偏移2048  512*4=2048
		}
	} 
	if(i)STMFLASH_Write(fwaddr,iapbuf,i);//将最后的一些内容字节写进去. i不够512个
}

  串口接收到的数据是一个字节一个字节地接收，所以需要通过以下代码，将每四个字节换算成一个u32的4字节数据类型，并保存在iapbuf中。然后再调用STMFLASH_Write写到FLASH的某个区域。

		temp=(u32)dfu[3]<<24;   
		temp|=(u32)dfu[2]<<16;    
		temp|=(u32)dfu[1]<<8;
		temp|=(u32)dfu[0];	 
		dfu+=4;//偏移4个字节
		iapbuf[i++]=temp;

iap_load_app是跳转到以appxaddr为地址的应用程序段去执行应用程序。

//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)		
		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.
	}
}

2.2中断向量表的偏移量设置方法

在要生成APP的应用程序main函数中加入以下程序：

SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x10000;//设置偏移量，FLASH_BASE为0x08000000

2.3设置MDK编译后运行fromelf.exe，生成.bin文件.

  此处需要定位到自己电脑的具体位置。此处是以正点原子RTC实验为例，如果是其他的程序，则需要修改相应的名称。自己下载的软件目录最好不要带中文路径，否则不知道会出现什么问题。
具体路径如下（自己使用时，需要将路径改为自己电脑软件所在路径，后面的路径可以直接复制，并修改bin文件和axf文件名称，这两个文件名称需要根据【Output】界面的【Name of Executable】进行编写）

"D:Program FilesarmmdkARMARMCCinfromelf.exe"--bin -o  ..OBJRTC.bin ..OBJRTC.axf

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  编译工程成功即可生成bin文件，如果路径不正确，工程将报错。

2.4测试程序

首先将IAP下载到开发板。由于手头只有STM32F429正点原子阿波罗开发板，所以需要将，板子类型改为STM32F429IGT6，然后编译工程下载到开发板即可。
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打开串口调试助手，波特率为Bootloader中设置的串口波特率460800，选择【打开文件】，定位到APP程序所在项目目录，打开串口，然后点击【发送文件】即可成功。
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风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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