谈在线升级关于IAP技术在STM32在线升级初探生

论文导读：
【摘 要】在应用编程（IAP）技术为系统在线升级和远程升级提供了良好的解决方案，也为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。通常可利用芯片的串行口接到计算机的RS232口、通过现有的Internet或、无线网络或者其他通信方式很方便地实现在线以及远程升级和维护，笔者结合飞思卡尔STM32系列微处理器的特点，对STM32在线IAP升级进行分析，同时讲述了IAP在线更新应用程序的原理。
【关键词】STM32；IAP；在线升级；应用程序
1 背景

1.1 程序主要更新方式

目前，主流的烧录程序方法主要有Bootload技术，ISP技术以及IAP技术三种。

1.1 Bootload技术

引导加载程序，是指系统家电时，控制器将外部存储器中的代码载入到内部告诉存储器单元的执行过程。

1.2 ISP技术

In System Programming在系统编程是指直接在目标电路板上对芯片进行编程一般需要一个自举程序BootLoader来执行。ISP也有叫ICP In Circuit Programming、在电路编程、在线编程。

1.3 IAP技术

In Application Programming在应用中编程是指最终产品出厂后由最终用户在使用中对用户程序部分进行编程实现在线升级。IAP要求将程序分成两部分引导程序、用户程序。引导程序总是不变的。IAP也有叫在程序中编程。ISP论文大全www.7ctime.com
与IAP的区别在于ISP一般是对芯片整片重新编程用的是芯片厂的自举程序。而IAP只是更新程序的一部分用的是电器厂开发的IAP引导程序。综合来看ISP受到的限制更多而IAP由于是自己开发的程序更换程序的时候更容易操作。

1.2 STM32芯片简介

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。基本型时钟频率为36～72MHz，以16位产品的得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
2 IAP升级原理
STM32F101xx共有128KB片内Flash，共分为16个扇区，分别为0扇区～15扇区，每个扇区为8KB存储空间。其中第15扇区出厂时被固化为Boot Block区，控制复位后的初始化操作，并提供实现Flash 编程的方法。所以用户可用的Flash空间只有120KB。IAP程序固化于Boot Block中，IAP操作是以扇区为单位，并占用片内RAM的高32字节。下表列出STM32F101xx器件所包含的扇区数和存储器地址。

2.1 Boot Block区

2.

1.1 Flash的扇区划分

本设计将Flash划分为四个区，扇区0存放跳转程序和升级引导程序（Bootloader）。分站上电后执行跳转程序，跳转到用户程序处。用户程序运行过程中，如果接收到升级指令，会从用户程序跳转到引导程序区（Bootloader），接收新程序数据包，完成Flash编程并跳转到新程序区执行程序。扇区1～扇区7为程序存储低区；扇区8～扇区13为程序存储高区；扇区14存放当前程序运行区域标志，如果当前程序运行在高区，该标志区的最低四个字节为0x00010000，如果当前程序运行在低区，该标志区的最低四个字节为0x00008000。
2.

1.2 IAP的原理

IAP函数是固化在微处理器内部flash上的一些函数代码，最终的用户程序可以直接通过调用这些函数来对内部flash进行擦除和编程操作。STM32微处理器的内部flash有一个块称为Boot Block，位于flash的顶端，可供调用的IAP函数就位于该块中。上电后Boot Block被映射到内部地址空间的顶端，同样IAP函数人口地址也被映射到地址0x7ffffff0处。用户可通过跳转到该地址来调用相应的lAP函数。
2.

1.3 总体思路

分站上电后，首先运行位于Flash 0x0000～0x3FFF中的跳转程序。跳转程序会读取位于14扇区的当前程序运行标志，如果该论文导读：在Bootloader区时，可以通过发送“IAP”（“IAP”命令字符由Bootloader代码决定）命令来更新程序，当MCU接收到“IAP”命令后，修改用户程序是否有效标志值为无效，返回“OK”字符，然后程序以查询方式
扇区的最低四个字节为0x00010000，表示当前程序运行在高区，跳转程序会跳转到Flash的0x00010000处执行用户程序；如果该标志区的最低四个字节为0x00008000，表示当前程序运行在低区，跳转程序会跳转到Flash的0x00002000处执行用户程序。用户程序正常执行后，会按照设计进行正常的程序采集、数据处理传送。当接收到升级命令后，用户程序会跳转到Flash的0x00000400处的Bootloader处进行升级的一些操作。当升级成功后，Bootloader程序更新当前程序运行区标志，程序跳转到新程序处运行，如果升级不成功，返回升级前的程序。

2.2 User Application（用户应用）区

该区程序是应用程序存储区域，需要注意的是，在程序正确执行时，要将bootload需要判定的标志位置一个正确的值，用于做bootload程序跳转的依据。另外在该应用程序执行过程中如果收到了升级命令，需要判定升级文件是否合法，地址是否是指向User Application区。升级结束是否需要跳转到应用区可以在程序中自行设计。
3 IAP更新固件应用程序流程
IAP更新固件应用程序均指在程序运行于Bootloader区完成。若第一次只有Bootloader程序，而没有用户程序时，程序自动停留在Bootloader区。若程序正运行于用户区情况时，要求通过串口发送某条命令给MCU（微控制器），MCU收到指令后，更新Flash存储器中进入Bootloader的标志位，使之有效，然后通过软件复位（通常称之为“热启动”）使程序从0x00000000位置启动，则此时启动后，程序必定留在Bootloader区。 在Bootloader区时，可以通过发送“IAP”（“IAP”命令字符由Bootloader代码决定）命令来更新程序，当MCU接收到“IAP”命令后，修改用户程序是否有效标志值为无效，返回“OK”字符，然后程序以查询方式接收一个数据包，该数据为接下来将接收到的程序数据包长度信息，并同时包含校验信息，如果正确接收数据，返回两个字节（0xED，0xFA）；否则返回（0x12，0x34），并结束IAP命令，回到Bootloader命令状态。
再根据固件程序数据包长度依次接收各个数据包（标识这些数据包为数据包1、数据包2，……，数据包n，其中n等于上一个数据包接收到的固件程序数据包长度（length）），这里每个数据包结构均一样，数据包由两部分组成，256B的固件程序数据和两个字节的CRC16校验码，一个数据包总长度为256B，在对固件程序打包时，若包数据不满256B，那么在包后面添加0xFF，直至256B。
程序中每接收数据包1～数据包n中任何一个数据包时，若接收正确，则返回（0xED，0xFA），同时将数据写入对应Flash存储单元；
否则返回（0x12，0x34），并结束IAP命令，回到Bootloader区等待IAP命令状摘自：写毕业论文经典的网站www.7ctime.com
态。若所有数据包接收正确，而且写入Flash正确，则修改用户程序有效标志，并返回（0xED，0xFA），否则返回（0x12，0x34），并结束IAP命令，回到Bootloader区等待IAP命令状态。待所有数据包接收完毕，并写F l a s h 结束后，复位相应标志位，再跳转到应用区，执行应用程序。
4 结语
该在应用更新固件程序方案已广泛应用于基于Cortex-M3内核的系列微处理器设计的产品中，使固件程序升级变得非常简单方便，并且该方案通过实践验证，具有非常高的可靠性。另外，可以想象，如果Boot区加入TCP/IP协议连入互联网，即可借助网络对产品进行在线升级，即可提高系统的可维护性，又能降低维护成本。文章中如有纰漏谬误，欢迎批评指正。
参考文献：
论文导读：周立功等.ARM微控制器基础与实战（第二版）.北京航空航天大学出版社，2005.意法半导体（中国）投资有限公司.MCU技术支持.STM32数据手册，2010.01上一页123
周立功等.ARM微控制器基础与实战（第二版）.北京航空航天大学出版社，2005.
意法半导体（中国）投资有限公司. MCU技术支持.STM32数据手册，2010.01