【嵌入式】基于串口的IAP在线升级详解与实战1----IAP功能设计

本文主要是介绍【嵌入式】基于串口的IAP在线升级详解与实战1----IAP功能设计，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

 

目录

一 IAP功能介绍

二 IAP烧写流程说明

三 APP程序设计

四 IAP(BootLoader)程序设计

五 实际固件烧录

六 一些坑和注意点汇总

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一 IAP功能介绍

最近有个需求是，使用专用的手机APP，通过蓝牙模块的通信，实现嵌入式芯片上程序的在线升级，流程如下所示：

这个需求的核心要点在于MCU的串口IAP在线升级功能。

IAP即为In Application Programming,解释为在应用中编程，用户自己的程序在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写。即是一种对单片机flash擦写的一种编程方案。通常情况下，一片flash只有一个用户程序，而IAP编程则是将单片机的flash分成至少两大区域，一部分叫做bootloader区，一部分叫做app用户代码区，还可留出一部分区域为代码备份区。

Flash的地址在所使用的芯片说明书上有详细的介绍，以我这边使用的LPC18XX芯片来说，芯片中有两块大小为512K的Flash，分别为Flash A(0x1A000000-0x1A080000)与Flash B(0x1B000000-0x1B080000)，这两块Flash内部的扇区划分是一样的，都是8个8K的小扇区+7个64K的大扇区=512K，如下图所示：

根据上面的内存地址划分，MCU一上电，先从ROM A的起始地址0x1A000000开始执行。这样的话，设计将IAP程序放在ROM A的最开始段，比如0x1A000000-0x1A007FFF的32K空间（扇区号0-3），这里占据空间的大小根据实际的IAP程序大小决定。那么剩下来的ROM A中0x1A008000-0x1A07FFFF的480K空间（扇区号4-14）以及ROM B中0x1B000000-0x1B07FFFF的512K空间（扇区号0-14）就都分配给APP程序。

ROM B	0x1B07FFFF	APP
	0x1B000000
ROM A	0x1A07FFFF
	0x1A008000
	0x1A007FFF（存放切换判断标志位flag_update）	IAP
	0x1A000000

需要特别注意的是，要完成APP与IAP程序的切换判断，我们需要一个flag_update，当flag_update为0xFF的时候，视为正常上电状态，程序由IAP可以直接跳转到APP中执行；当flag_update为0x55的时候，视为远程烧写状态，程序由IAP开始之后，不跳转APP，而是执行自己的等待烧写流程。这边具体的流程和应用后面会具体介绍，这边捎带一提。为了满足切换判断的功能，就需要该标志位不随APP程序的烧写而发生变化，所以我这边选择将IAP存储区的最后一个字节，即地址0x1A007FFF作为flag_update的存储地址，这样，在IAP程序不变的情况下，随便怎么烧写APP，只要目标地址满足上述表格中的要求，该标志位就不会发生变化。当然，使用用其他满足条件的存储方式（诸如存入外部Flash、存入EEPROM等）都可以。

二 IAP烧写流程说明

上面说完了IAP与APP的内存地址分配，接下来介绍一下IAP功能的流程：

【APP】：对于APP程序来说，需要实现的很简单，就是在串口收到某些外部指令的时候，将flag_update置为远程烧写状态（0x55），并重启。重启之后，MCU会重新从IAP程序开始执行，执行到flag_update判断，不跳转APP，进而执行IAP中等待升级文件的流程。

【IAP】：对于IAP程序来说，首先根据flag_update状态判断是否跳转APP，如果不跳转，则等待升级包。待升级包传输完毕，全部写到APP的地址中之后，再执行跳转到APP程序的起始地址执行（或者直接重启）。当然，跳转之前需要将flag_update重新置为正常上电状态（0xFF），这样以避免下一次重启之后，程序仍然跑在IAP中。

三 APP程序设计

APP的程序主要包括地址配置和跳转IAP两方面功能：

【1】地址配置：

将其地址配置为功能介绍中规划的地址，同时在系统初始化程序中，将SCB->VTOR的地址配置为APP程序的起始地址：

void SystemInit (void) {#if (__FPU_USED == 1)SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2) |                 /* set CP10 Full Access */(3UL << 11*2));               /* set CP11 Full Access */#endif/* Disable SysTick timer                                                    */SysTick->CTRL &= ~(SysTick_CTRL_TICKINT_Msk | SysTick_CTRL_ENABLE_Msk);/* Set vector table pointer *///SCB->VTOR = getPC() & 0xFFF00000;//SCB->VTOR  = 0x1A000000 | 0x0000;SCB->VTOR  = 0x1A000000 | 0x8000;/* Configure PLL0 and PLL1, connect CPU clock to selected clock source */SetClock();/* Update SystemCoreClock variable */SystemCoreClockUpdate();/* Configure External Memory Controller */SystemInit_ExtMemCtl ();//SDRAM123_Init();
}

【2】跳转IAP：

APP程序需要修改的核心程序体如下所示，串口收数据处理逻辑中，如果收到满足条件的通信码，则改写flag_update所在地址上的值：

if(/*收到满足条件的通信码*/){iap_init(BANK0);Iap_Write_Config_Value(0x55);//runIap();__set_FAULTMASK(1);  //直接重启NVIC_SystemReset();}

其中，iap_init(BANK0)是用来初始化Flash A的，Iap_Write_Config_Value(0x55)是用来将flag_update置为0x55的：

unsigned char iapConfigBuffer[512];
uint8_t Iap_Write_Config_Value(uint8_t value)
{uint32_t i = 0;uint8_t *p;p = (uint8_t*)0x1A007E00;//首先要将第三扇区尾部512字节数据全部读取到ram里面for(i = 0; i < 512; i++){iapConfigBuffer[i] = *p;p++;}//然后检查最后一个数据和我们要设置的数据是否相等if(iapConfigBuffer[511] == value)//相等,不用设置了{return 0;}else{CLOSE_CORE_INT();	pre_sector(3, 3, 0);    //准备第三扇区erase_sector(3, 3, 0);  //清除第三扇区OPEN_CORE_INT();if(paramout[0] != CMD_SUCCESS){return 1;//擦除失败}//将数组最后一个元素设置为指定值iapConfigBuffer[511] = value;CLOSE_CORE_INT();pre_sector(3, 3, 0);  //准备第三扇区copy_ram_to_flash(0x1A007E00, (uint32_t)iapConfigBuffer, 512);  //写flashOPEN_CORE_INT();if(paramout[0] != CMD_SUCCESS){return 1;}return 0;} 
}

Iap_Write_Config_Value中最为核心的接口就是copy_ram_to_flash，这个接口的作用就是将RAM中的数组iapConfigBuffer写到Flash中。这边需要注意的是，该接口复制字节的个数为512/1024/4096，所以我这边预设iapConfigBuffer数组长度为512，将这个数组最后一个元素置为0x55之后，复制到Flash的第3扇区尾部512字节长的区域，即地址段0x1A007E00-0x1A007FFF：

/******************************************************************************************************  
** 函数名称：copy_ram_to_flash()  
** 函数功能：复制RAM的数据到FLASH，命令代码51。  
** 入口参数：dst        目标地址，即FLASH起始地址。以512字节为分界  
**           src        源地址，即RAM地址。地址必须字对齐  
**           no         复制字节个数，为512/1024/4096 
** 出口参数：IAP操作状态码  
**           IAP返回值(paramout缓冲区)  
*******************************************************************************************************/   
static uint32_t  copy_ram_to_flash(uint32_t dst, uint32_t src, uint32_t no)   
{     CLOSE_CORE_INT();paramin[0] = IAP_RAMTOFLASH;             // 设置命令字    paramin[1] = dst;                        // 设置参数    paramin[2] = src;   paramin[3] = no;   paramin[4] = IAP_FCCLK;   iap_entry(paramin, paramout);           // 调用IAP服务程序OPEN_CORE_INT();    return(paramout[0]);                     // 返回状态码    
} 

综上，便能实现APP程序中收到指令，修改flasg_update，再跳转IAP（重启）的功能。

四 IAP(BootLoader)程序设计

相比于APP程序，IAP的设计会复杂一点，主要概括为以下几个点：地址配置、跳转APP、串口读写/回显、Ymodem移植等。

【1】地址配置：

将其地址配置为功能介绍中规划的地址，同时在系统初始化程序中，将SCB->VTOR的地址配置为APP程序的起始地址：

/*----------------------------------------------------------------------------Initialize the system*----------------------------------------------------------------------------*/
void SystemInit (void) {#if (__FPU_USED == 1)SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2) |                 /* set CP10 Full Access */(3UL << 11*2));               /* set CP11 Full Access */#endif/* Disable SysTick timer                                                    */SysTick->CTRL &= ~(SysTick_CTRL_TICKINT_Msk | SysTick_CTRL_ENABLE_Msk);/* Set vector table pointer *///SCB->VTOR = getPC() & 0xFFF00000;SCB->VTOR  = 0x1A000000 | 0x0000;/* Configure PLL0 and PLL1, connect CPU clock to selected clock source */SetClock();/* Update SystemCoreClock variable */SystemCoreClockUpdate();/* Configure External Memory Controller */SystemInit_ExtMemCtl ();//SDRAM123_Init();
}

【2】跳转APP：

IAP程序中需要修改的核心程序体如下所示，上电IAP程序自检，如果位于0X1A007FFF的标志位值为0xFF，则进入APP程序地址运行，反之执行自身的烧写流程：

void UsbCdc_Task(void)
{uint8_t key = 0;uint8_t *flag_update = (uint8_t*)FLAG_UPDATE_ADDRESS;  //0X1A007FFFinitUART1();while(1){//检查标志位符合要求，直接跳转APP程序段，否则执行自身的逻辑if((*flag_update) == APP_CONFIG_CLEAR_VALUE)  //0xFF{runApp();}SerialPutString("\r\n============ IAP DownLoad ===========\r\n");SerialPutString("= [1]Download File To Flash1  --> 1 =\r\n");SerialPutString("= [2]Download File To Flash2  --> 2 =\r\n");SerialPutString("= [3]Execute The New Program  --> e =\r\n");SerialPutString("= [4]Reboot --------------------> r =\r\n");SerialPutString("=====================================\r\n");key = GetKey();switch(key){case '1':  //烧录第1块flashSerialDownload(BANK0);SerialPutString("Download File To Flash1, OK!\r\n");break;case '2':  //烧录第2块flashSerialDownload(BANK1);SerialPutString("Download File To Flash2, OK!\r\n");break;case 'e':  //跳转APP程序SerialPutString("Execute The New Program!\r\n");iap_init(BANK0);Iap_Write_Config_Value(APP_CONFIG_CLEAR_VALUE);
//                runApp();  //刚烧完就跳转有时会有问题，所以干脆直接重启__set_FAULTMASK(1);NVIC_SystemReset();break;case 'r':  //重启SerialPutString("\r\nSystem Reboot...\r\n");__set_FAULTMASK(1);NVIC_SystemReset();break;default:SerialPutString("The number should be either 1 or 2\r\n");break;}}
}

其中跳转接口runApp逻辑如下所示：

//JUMP//
typedef  void (*iapfun)(void);				//定义一个函数类型的参数.
iapfun jump2iap;
#include <RTL.h>//设置栈顶地址
//addr:栈顶地址
__asm void MSR_MSP(uint32_t addr) 
{MSR MSP, r0 			//set Main Stack valueBX r14
}#define vu32 volatile unsigned intvoid iap_jump(uint32_t iapxaddr)
{if(((*(vu32*)iapxaddr)&0x10000000)==0x10000000)	//检查栈顶地址是否合法.0x10000000是sram的起始地址,也是程序的栈顶地址{jump2iap=(iapfun)*(vu32*)(iapxaddr+4);		//用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)	os_dly_wait(10);        MSR_MSP(*(vu32*)iapxaddr);					//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)jump2iap();									//跳转到APP.}
}void runIap(void)
{iap_jump(IAP_ADDRESS);
}

【3】串口读写/回显：

这边使用了MCU中的UART1串口，初始化如下，需要特别注意的是，IAP功能尽量不要启用中断，否则可能会带来不可预料的问题，这边将NVIC_EnableIRQ直接注释掉了：

/**************************************************************************
* 函数名称： initUART1
* 功能描述： UART1串口初始化
* 输入参数：
* 输出参数：
* 返 回 值：
* 其它说明： 蓝牙
**************************************************************************/
void initUART1(void)
{UART_CFG_Type UARTConfigStruct;UART_FIFO_CFG_Type UARTFIFOConfigStruct;scu_pinmux(0x5, 6, MD_PDN, FUNC4);//scu_pinmux(0x5, 7, MD_PLN|MD_EZI|MD_ZI, FUNC4);scu_pinmux(0xC, 14, MD_PLN|MD_EZI|MD_ZI, FUNC2);UART_ConfigStructInit1(&UARTConfigStruct);UART_FIFOConfigStructInit(&UARTFIFOConfigStruct);UART_Init((LPC_USARTn_Type *)LPC_UART1, &UARTConfigStruct);UART_FIFOConfig((LPC_USARTn_Type *)LPC_UART1, &UARTFIFOConfigStruct);UART_TxCmd((LPC_USARTn_Type *)LPC_UART1, ENABLE);UART_IntConfig((LPC_USARTn_Type *)LPC_UART1, UART_INTCFG_RBR, ENABLE);UART_IntConfig((LPC_USARTn_Type *)LPC_UART1, UART_INTCFG_RLS, ENABLE);NVIC_SetPriority(UART1_IRQn, ((0x03 << 3) | 0x01)); //NVIC_EnableIRQ(UART1_IRQn);  //IAP功能不能启用中断
}void UART_ConfigStructInit1(UART_CFG_Type *UART_InitStruct)
{UART_InitStruct->Baud_rate = 115200;  //蓝牙模块波特率UART_InitStruct->Databits = UART_DATABIT_8;UART_InitStruct->Parity = UART_PARITY_NONE;UART_InitStruct->Stopbits = UART_STOPBIT_1;UART_InitStruct->Clock_Speed = 0;
}

不启用中断，直接判断串口寄存器的状态来进行接收发送，接收发送的逻辑分别封装在串口按键响应和串口回显中，分别如下：

/******************************************************************************** @函数名称	SerialKeyPressed* @函数说明   测试超级终端是否有按键按下* @输入参数   key:按键* @输出参数   无* @返回参数   1：正确0：错误
*******************************************************************************/
uint32_t SerialKeyPressed(uint8_t *key)
{if (!(LPC_UART1->LSR & UART_LSR_RDR)) {return 0;}else{*key = UART_ReceiveByte((LPC_USARTn_Type*)LPC_UART1);return 1;}
}/******************************************************************************** @函数名称	GetKey* @函数说明   通过超级终端回去键码* @输入参数   无* @输出参数   无* @返回参数   按下的键码
*******************************************************************************/
uint8_t GetKey(void)
{uint8_t key = 0;/* Waiting for user input */while (1){if(SerialKeyPressed((uint8_t*)&key)) break;}return key;
}

/******************************************************************************** @函数名称	SerialPutChar* @函数说明   串口发送一个字符* @输入参数   C:需发送的字符* @输出参数   i无* @返回参数   无
*******************************************************************************/
void SerialPutChar(uint8_t c)
{UART_SendByte((LPC_USARTn_Type*)LPC_UART1, c);while(!(LPC_UART1->LSR & UART_LSR_THRE)){}
}/******************************************************************************** @函数名称	SerialPutChar* @函数说明   串口发送一个字符串* @输入参数   *s:需发送的字符串* @输出参数   无* @返回参数   无
*******************************************************************************/
void Serial_PutString(uint8_t *s)
{while (*s != '\0'){SerialPutChar(*s);s++;}
}

【4】Ymodem移植：

核心程序体中可以看到，当输入"1"或者”2“时，会分别烧录第1或者第2块flash，传输协议选用Ymodem-1K。这一块的内容比较多，所以单列一篇帖子具体叙述，请参考：

【嵌入式】基于串口的IAP在线升级详解与实战2----移植Ymodem协议

 

五 实际固件烧录

上面的IAP与APP程序设计完成之后，就可以通过超级终端或者SecureCRT来进行IAP固件烧录了，我这边使用超极终端的Ymodem进行烧写（这边兼容Ymodem协议和蓝牙BLE的安卓APP还在进行中，待完成之后，就可以在手机上进行操作了）。

【1】首先打开超级终端，超级终端设置如下：

【2】接到串口上之后，重启MCU，会首先进入到IAP程序，此时flag_update为0x55，所以执行IAP烧写流程（如果首先flag_update是0xFF，首先进入的是APP程序，此时通过串口发一个指令即可修改flag_update并跳转IAP）。打印如下：

【3】这边我需要烧写的文件比较大，分摊在Flash1与Flash2中，所以需要分别烧写（一般需要烧写的文件比较小的话<512K，只用一块Flash即可）。首先输入”1“，IAP会进入等待文件阶段，返回CCCCCCCC，打印如下：

【4】此时选择需要发送的Bin文件，并点击发送，此时会弹出对话框显示传输进度，传输完成之后，会提示烧写完成：

【5】重复之前步骤，输入”2“并选择ROM2对应的Bin文件。

【6】Flash1与Flash2均烧写完毕之后，输入”e“，修改标志位并重启，而后执行APP程序。

综上，便完成了一次固件的烧写。

 

六 一些坑和注意点汇总

！！！这边有几个重要的注意点！！！：

（1）烧写需要的bin文件生成：https://blog.csdn.net/qq_21398131/article/details/83617400

（2）中断向量表的重定向：由前面的描述知道，要实现跳转就需要2个Keil工程，而每个Keil工程都会有自己的中断向量表，所以运行指定的Keil工程代码就需要使用对应的中断向量表。在MCU启动时会去执行SystemInit()函数，这个是在startup_LPC18xx.s里定义的（不同的芯片或keil版本这个汇编文件的名字可能不一样，调用函数都是一样的），

可以看到这是属于Reset_Handler里的代码（上电后或按reset键都会执行这段代码），先执行SystemInit()后，再去执行main()函数（SystemInit()定义在startup_LPC18xx.c中）。

所以需要在APP与IAP程序中分别重定向一下Flash起始地址，即SCB->VTOR的赋值：

/*----------------------------------------------------------------------------Initialize the system*----------------------------------------------------------------------------*/
void SystemInit (void) {#if (__FPU_USED == 1)SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2) |                 /* set CP10 Full Access */(3UL << 11*2));               /* set CP11 Full Access */#endif/* Disable SysTick timer                                                    */SysTick->CTRL &= ~(SysTick_CTRL_TICKINT_Msk | SysTick_CTRL_ENABLE_Msk);/* Set vector table pointer */SCB->VTOR  = 0x1A000000 | 0x8000;  //APP程序中断向量表重定向//SCB->VTOR  = 0x1A000000 | 0x0000;  //IAP程序中断向量表重定向（就是初始位置，也可以不重定向）/* Configure PLL0 and PLL1, connect CPU clock to selected clock source */SetClock();/* Update SystemCoreClock variable */SystemCoreClockUpdate();/* Configure External Memory Controller */SystemInit_ExtMemCtl ();//SDRAM123_Init();
}

（3）外设中断的关闭：

现在芯片里有2套程序，大家都要使用外设中断寄存器来做中断相关的操作（配置，开启等），但是外设中断寄存器只有一套。如果Bootloader配置了一个定时器中断寄存器并开启，也写好了中断处理函数，然后没有disable它就跳转到APP去，而APP代码里没有使用定时器中断，也没有写中断处理函数，那么就会导致崩溃。因为配置好的定时器中断，到了定时时间要去执行中断处理函数，而中断向量表已经重定向了，现在的中断向量表里没有对应的中断处理函数。

看过前面的跳转代码的人可能会问：不是已经使用了__disable_irq()了吗，为什么还不行？因为这个语句是关的总中断，当跳到APP后需要重新开启总中断，那么到时候它下面的那些外设中断又重新开始运行了（外设中断寄存器的值没有被清除掉）。就跟家里的水阀和水龙头一个道理，水阀是总阀，水阀关了，即使水龙头开着也不会出水，但是如果水阀开着，那么水龙头出不出水就取决于水龙头的开关情况了。

所以我们在IAP程序中初始化串口的时候，需要在__disable_irq()语句之后，需要关掉中断。

另外，我们可以使用NVIC_DisableIRQ()来关闭外设中断。如果有多个中断开着，就多次调用这个函数，例如：

NVIC_DisableIRQ(WWDG_IRQn)；
NVIC_DisableIRQ(RTC_IRQn)；
NVIC_DisableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn)；

（4）不能重启的问题：我在使用中遇到了使用__set_FAULTMASK(1);NVIC_SystemReset();不能重启的情况，执行到这边之后就挂死了。后来参照着另外一个能够重启的工程，把程序的内核由CORE_M3改成了CORE_M4，就能够重启了。

虽然问题解决，但是原因还是没有搞清楚，后面询问NXP官方也没有得到清晰的答案。这边把问题贴出来，如果有大神看出来原因，希望不吝赐教。

（5）超级终端与SecureCRT上Ymodem-1K协议的使用有区别：

正常超级终端与SecureCRT两者发Ymodem-1K包，只可能是1024或者128两种包长，有效数据之外的部分用1A填充至标准包长。

但是，调试的最后遇到一个很奇怪的问题，就是超级终端与SecureCRT对于Ymodem-1K的使用有区别，主要区别在于尾包（文件总大小%1024）的处理上，当尾包大于128或者小于128，这两个软件的发包行为是有区别的：

传送文件大小	1216byte = 1K+192byte（尾包192byte > 128byte）	1072byte = 1K+48byte（尾包48byte < 128byte）
超级终端	数据段分成两个1K包： 1K+1K（192有效，剩余填充1A）	数据段分成一个1K包和一个128byte包： 1K+128（48有效，剩余填充为1A）
SecureCRT	数据段分成一个1K包和两个128byte包： 1K+128+128（192-168=64有效，剩余填充为1A）	数据段分成一个1K包和一个128byte包： 1K+128（48有效，剩余填充为1A）

我的程序在尾包处理那边没有针对这个区别做特殊处理，所以目前只支持超级终端。

网上查询相关资料，应该是超级终端的这种形式符合参考链接中描述的Ymodem要求：（参考链接：http://www.51hei.com/bbs/dpj-32461-1.html）

 

 

这篇关于【嵌入式】基于串口的IAP在线升级详解与实战1----IAP功能设计的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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