IAP_Bootloader固件升级实现方法

1. 升级方案

1.1 基本概念

IAP 是“In Application Programming”的简写，就是用户程序运行时对 Flash 的某些区域进行烧写，可以写入新版本的软件、用户数据等。

IAP 主要包括 BootLoader 和应用程序两部分：在升级时运行的是 Bootloader，它接收新版本的应用程序，烧写在 Flash 上。

而OTA是 Over-the-Air 的简写，即空中下载技术，通过移动通信网络（2G/3G/4G 或 Wifi）对设备终端上固件、数据及应用进行远程管理的技术。简单来说 OTA 技术实现分三步：首先将更新软件上传到 OTA 中心，然后 OTA 中心无线传输更新软件到设备端，最后设备端自动更新软件。

因此，OTA 技术的基础是 IAP 技术，需要基于 IAP 实现程序的自动下载。

OTA 流程如下：

Bootloader完整功能包括：

• 初始化硬件：比如设置时钟、初始化内存
• 启动内核：从 Flash 读出内核、存入内存、给内核设置参数、启动内核
• 调试作用：在开发产品时需要经常调试内核，使用 BootLoader 可以方便地更新内核

在单片机中，我们可以简单一点，因为不涉及内核，我只是借助它实现 IAP 功能。

1.2 Flash 规划

STM32H563RIV 内置 2MB Flash，划分如下：

• Bootloader 占据 256KB 空间
• APP 占据 1784KB 空间
• 配置信息占据最后一个扇区 8KB 空间：用来保存 APP 版本、大小、校验码等信息。

1.3 Bootloader 程序流程

2. Bootloader 实现启动功能(跳转)

2.1 必备知识

• 地址 0 就是默认的异常向量表基地址，使用 Flash 启动时 0 地址被映射到 Flash 基地址 0x08000000。

• CPU 读取异常向量表第 1 个 word（4 字节），写入 SP 寄存器

• CPU 读取异常向量表第 2 个 word（4 字节），跳转执行：这就是 CPU 运行的第 1 个指令

发生各类异常、中断时，硬件会从异常向量表中，根据异常号、中断号找到一项，这项里保存的是“处理函数的地址”

能正确使用中断的前提是：

• 把异常向量表的基地址告诉 CPU：这可以设置 SCB 里的 VTOR 寄存器（寄存器地址为0xE000ED08）
• 在异常向量表里，填充中断处理函数

2.2 APP

在 APP 中我们需要设置 ROM 的地址为 0x08040000，因为在 1.2 中我们把这里起始的 1784KB 分给 APP 了。

同时，需要注意，后面 system 函数中又重置了 VTOR 寄存器

2.3 Bootloader（jump.S）

为了保证中断和异常的使用，先设置 VTOR 寄存器为新的异常向量表，如果不设置的话，默认就会使用 Bootloader 的异常向量表。

• 设置 VTOR 寄存器为新的异常向量表

Bootloader 要启动 APP，需要模仿硬件上电后做的事情：

• 读取异常向量表的第 1 个 word，设置进 SP 寄存器

• 读取异常向量表的第 2 个 word，跳转执行

编写jump.S

AREA |.text|, CODE, READONLY

; Reset Handler

start_app PROC

EXPORT start_app

; SET vector, r0(0x08040000)==>VTOR(0xE000ED08)

LDR R1, =0xE000ED08

STR R0, [R1]

; READ val of address(0x08040000), set to SP

LDR R1, [R0]

MOV SP, R1

; READ val of address(0x08040004), jump

LDR R1, [R0, #4]

BX R1

ENDP

END

3. Bootloader 实现下载功能

3.1 下载协议

下载协议可以自己定义，根据使用流程定义如下：

• Bootloader 发出获取固件信息的请求：发出“1”字符给上位机

• 上位机发送固件信息：先发出 5 个“0x5a”数据给下位机，用于同步，再发送固件信息。

固件信息如下定义：

struct FirmwareInfo {

uint32_t version;

uint32_t file_len;

uint32_t load_addr;

uint32_t crc32;

uint8_t file_name[16];

};

注意：为了方便在串口里操作，上位机发送 uint32_t 的整数时，先发送高字节（大字节序）。

• Bootloader 发出获取固件的请求：发出“2”字符给上位机
• 上位机发送 bin 文件
• Bootloader 在烧写过程中，可以发送进度：“$1%”、“$2%”、“$100%“。以字符“$”开头、字符“%”结束。

Bootloader 基本流程在 1.3 中已经展现。这里展示细节。

3.2 GetLocalFirmwareInfo

#define CFG_OFFSET 0x081FE000

static int GetLocalFirmwareInfo(PFirmwareInfo ptFirmwareInfo)

{

PFirmwareInfo ptFlashInfo = (PFirmwareInfo)CFG_OFFSET;

if (ptFlashInfo->file_len == 0xFFFFFFFF)

return -1;

*ptFirmwareInfo = *ptFlashInfo;

return 0;

}

获取本地固件信息，只需要到最后一个扇区读取就可以，即地址 CFG_OFFSET （0x081FE000）处。

3.3 GetServerFirmwareInfo

static int GetServerFirmwareInfo(PFirmwareInfo ptFirmwareInfo)

{

uint8_t data = '1';

uint8_t buf[sizeof(FirmwareInfo)];

/* send '1' cmd to PC */

if (0 != g_pUpdateUART->Send(g_pUpdateUART, &data, 1, UPDATE_TIMEOUT))

return -1;

/* wait for response */

while (1)

{

if (0 != g_pUpdateUART->RecvByte(g_pUpdateUART, &data, UPDATE_TIMEOUT*10))

return -1;

if (data != 0x5a)

{

buf[0] = data;

break;

}

}

/* get firmware info */

for (int i = 1; i < sizeof(FirmwareInfo); i++)

{

if (0 != g_pUpdateUART->RecvByte(g_pUpdateUART, &buf[i], UPDATE_TIMEOUT))

return -1;

}

ptFirmwareInfo->version = BE32toLE32(&buf[0]);

ptFirmwareInfo->file_len = BE32toLE32(&buf[4]);

ptFirmwareInfo->load_addr = BE32toLE32(&buf[8]);

ptFirmwareInfo->crc32 = BE32toLE32(&buf[12]);

strncpy((char *)ptFirmwareInfo->file_name, (char *)&buf[16], 16);

return 0;

}

获取上位机（服务器）的固件信息：先发送‘1’字符给上位机，然后等待上位机发送固件信息的头部标志0x5a，最后读取sizeof(FirmwareInfo)个字节的数据，完成后存入ptFirmwareInfo返回。（注意字节流是大端的，需要转换为小端）。

3.4 GetServerFirmware

如果需要更新固件，就需要获得固件文件：

static int GetServerFirmware(uint8_t *buf, uint32_t len)

{

uint8_t data = '2';

/* send 0x02 cmd to PC */

if (0 != g_pUpdateUART->Send(g_pUpdateUART, &data, 1, UPDATE_TIMEOUT))

return -1;

/* get firmware info */

for (int i = 0; i < len; i++)

{

if (0 != g_pUpdateUART->RecvByte(g_pUpdateUART, &buf[i], UPDATE_TIMEOUT*10))

return -1;

}

return 0;

}

先发送’2‘字符过去，循环读取 len 个字节就可以了。

4. Bootloader 实现烧录功能

获得完服务器的固件，进行 CRC 校验成功后，就要进行烧录了。首先就需要了解 STM32H5 的 Flash 分区。

4.1 Flash 分区

内部 Flash 有 2M 字节的空间，分为两个 Bank，每个 Bank 有 128 个分区（sector），每个分区为 8KB。（8KB 128 2 = 2MB）

4.2 烧录

对于烧录，要先擦除（使用“HAL_FLASHEx_Erase”函数），再烧写（使用“HAL_FLASH_Program”函数）。

基本原理就是需要分 Bank 分 Sector 烧录。

烧录固件 APP：

#define SECTOR_SIZE (8*1024)

static int WriteFirmware(uint8_t *firmware_buf, uint32_t len, uint32_t flash_addr)

{

FLASH_EraseInitTypeDef tEraseInit;

uint32_t SectorError;

uint32_t sectors = (len + (SECTOR_SIZE - 1)) / SECTOR_SIZE;

uint32_t flash_offset = flash_addr - 0x08000000;

uint32_t bank_sectors;

uint32_t erased_sectors = 0;

HAL_FLASH_Unlock();

/* erase bank1 */

if (flash_offset < 0x100000)

{

tEraseInit.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;

tEraseInit.Banks = FLASH_BANK_1;

tEraseInit.Sector = flash_offset / SECTOR_SIZE;

bank_sectors = (0x100000 - flash_offset) / SECTOR_SIZE;

if (sectors <= bank_sectors)

erased_sectors = sectors;

else

erased_sectors = bank_sectors;

tEraseInit.NbSectors = erased_sectors;

if (HAL_OK != HAL_FLASHEx_Erase(&tEraseInit, &SectorError))

{

g_pUpdateUART->Send(g_pUpdateUART, (uint8_t *)"HAL_FLASHEx_Erase Failed\r\n",

strlen("HAL_FLASHEx_Erase Failed\r\n"), UPDATE_TIMEOUT);

HAL_FLASH_Lock();

return -1;

}

flash_offset += erased_sectors*SECTOR_SIZE;

}

sectors -= erased_sectors;

flash_offset -= 0x100000;

/* erase bank2 */

if (sectors)

{

tEraseInit.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;

tEraseInit.Banks = FLASH_BANK_2;

tEraseInit.Sector = flash_offset / SECTOR_SIZE;

bank_sectors = (0x100000 - flash_offset) / SECTOR_SIZE;

if (sectors <= bank_sectors)

erased_sectors = sectors;

else

erased_sectors = bank_sectors;

tEraseInit.NbSectors = erased_sectors;

if (HAL_OK != HAL_FLASHEx_Erase(&tEraseInit, &SectorError))

{

g_pUpdateUART->Send(g_pUpdateUART, (uint8_t *)"HAL_FLASHEx_Erase Failed\r\n",

strlen("HAL_FLASHEx_Erase Failed\r\n"), UPDATE_TIMEOUT);

HAL_FLASH_Lock();

return -1;

}

}

/* program */

len = (len + 15) & ~15;

for (int i = 0; i < len; i+=16)

{

if (HAL_OK != HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_QUADWORD, flash_addr, (uint32_t)firmware_buf))

{

g_pUpdateUART->Send(g_pUpdateUART, (uint8_t *)"HAL_FLASH_Program Failed\r\n",

strlen("HAL_FLASH_Program Failed\r\n"), UPDATE_TIMEOUT);

HAL_FLASH_Lock();

return -1;

}

flash_addr += 16;

firmware_buf += 16;

}

HAL_FLASH_Lock();

return 0;

}

烧录固件信息：

static int WriteFirmwareInfo(PFirmwareInfo ptFirmwareInfo)

{

FLASH_EraseInitTypeDef tEraseInit;

uint32_t SectorError;

uint32_t flash_addr = CFG_OFFSET;

uint8_t *src_buf = (uint8_t *)ptFirmwareInfo;

HAL_FLASH_Unlock();

/* erase bank2 */

tEraseInit.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;

tEraseInit.Banks = FLASH_BANK_2;

tEraseInit.Sector = (flash_addr - 0x08000000 - 0x100000) / SECTOR_SIZE;

tEraseInit.NbSectors = 1;

if (HAL_OK != HAL_FLASHEx_Erase(&tEraseInit, &SectorError))

{

g_pUpdateUART->Send(g_pUpdateUART, (uint8_t *)"HAL_FLASHEx_Erase Failed\r\n",

strlen("HAL_FLASHEx_Erase Failed\r\n"), UPDATE_TIMEOUT);

HAL_FLASH_Lock();

return -1;

}

/* program */

for (int i = 0; i < sizeof(FirmwareInfo); i+=16)

{

if (HAL_OK != HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_QUADWORD, flash_addr,

(uint32_t)src_buf))

{

g_pUpdateUART->Send(g_pUpdateUART, (uint8_t *)"HAL_FLASH_Program Failed\r\n",

strlen("HAL_FLASH_Program Failed\r\n"), UPDATE_TIMEOUT);

HAL_FLASH_Lock();

return -1;

}

flash_addr += 16;

src_buf += 16;

}

HAL_FLASH_Lock();

return 0;

}

5. Bootloader 实现启动功能(软复位)

在启动 APP 之前，应该让系统“尽量”处于初始状态。比如：关闭各类中断、让各类设备处于初始状态。有一个办法可以轻松实现这点：软件复位。

所以，Bootloader 启动 APP 时，可以这样改进：

• 触发软件复位
• 会再次运行 Bootloader
• Bootloader 在初始各类硬件之前判断复位原因，发现是软件服务时，启动 APP

5.1 main 函数

在 main.c 开头添加：

int main(void)

{

/* USER CODE BEGIN 1 */

if (isSoftReset()) // 注意使用keil下载调试时，也会触发软件复位；如果需要调试，把这个去掉

{

/* 软件复位：去启动应用程序 */

uint32_t app_vector = get_app_vector();

extern void start_app(uint32_t);

start_app(app_vector);

}

...

start_app 就是之前在第 2 小节实现的汇编函数。

isSoftReset 用于判断是否是软件复位；get_app_vector 获取需要跳转过去的地址。

int isSoftReset(void)

{

return HAL_RCC_GetResetSource() & RCC_RESET_FLAG_SW;

}

uint32_t get_app_vector(void)

{

PFirmwareInfo ptFlashInfo = (PFirmwareInfo)CFG_OFFSET;

return ptFlashInfo->load_addr;

}

5.2 Bootloader

start_app_c();使用 hal 库函数HAL_NVIC_SystemReset

static void SoftReset(void)

{

__set_FAULTMASK(1);//关闭所有中断

HAL_NVIC_SystemReset();

}

static void start_app_c(void)

{

/* 触发软件复位 */

SoftReset();

}