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1)实验平台:alientek 阿波罗 STM32F767 开发板
2)摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号,获取更多资料:正点原子 第六十章 串口 IAP 实验 IAP,即在应用编程。很多单片机都支持这个功能,STM32F767 也不例外。在之前的 FLASH 模拟 EEPROM 实验里面,我们学习了 STM32F767 的 FLASH 自编程,本章我们将结合 FLASH 自编程的知识,通过 STM32F767 的串口实现一个简单的 IAP 功能本章分为如下几个部: 60.1 IAP 简介 60.2 硬件设计 60.3 软件设计 60.4 下载验证 60.1 IAP 简介 IAP(In Application Programming)即在应用编程,IAP 是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,目的是为了在产品发布后可以方便地通过预留的通信口对产 品中的固件程序进行更新升级。 通常实现 IAP 功能时,即用户程序运行中作自身的更新操作, 需要在设计固件程序时编写两个项目代码,第一个项目程序不执行正常的功能操作,而只是通 过某种通信方式(如 USB、USART)接收程序或数据,执行对第二部分代码的更新;第二个项目 代码才是真正的功能代码。这两部分项目代码都同时烧录在 User Flash 中,当芯片上电后,首 先是第一个项目代码开始运行,它作如下操作: 1)检查是否需要对第二部分代码进行更新 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 第一部分代码必须通过其它手段,如 JTAG 或 ISP 烧入;第二部分代码可以使用第一部分 代码 IAP 功能烧入,也可以和第一部分代码一起烧入,以后需要程序更新时再通过第一部分 IAP 代码更新。 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 STM32F767 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。 STM32F7 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,本 章,我们将制作两个 APP,一个用于 FLASH 运行,一个用于内部 SRAM 运行。 STM32F7 的 FLASH 可以映射到两个地址: 0X0020 0000 或 0X0800 0000,我们仅以 0X0800 0000 为例进行介绍。STM32F7 正常的程序运行流程,如图 60.1.1 所示: 图 60.1.1 STM32F767 正常运行流程图 STM32F7的FLASH可以映射到两个地址,本章以映射到0X0800 0000为例, 一般情况下, 程序文件就从此地址开始写入。此外 STM32F767 是基于 Cortex-M7 内核的微控制器,其内部 通过一张“中断向量表”来响应中断,程序启动后,将首先从“中断向量表”取出复位中断向 量执行复位中断程序完成启动,而这张“中断向量表”的起始地址是 0x08000004,当中断来临, STM32F767 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。 在图 60.1.1 中,STM32F767 在复位后,先从 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,如图标号①所示;在复位中断服务程序执行完之后,会跳转到我 们的 main 函数,如图标号②所示;而我们的 main 函数一般都是一个死循环,在 main 函数执行 过程中,如果收到中断请求(发生了中断),此时 STM32F767 强制将 PC 指针指回中断向量表 处,如图标号③所示;然后,根据中断源进入相应的中断服务程序,如图标号④所示;在执行 完中断服务程序以后,程序再次返回 main 函数执行,如图标号⑤所示。 当加入 IAP 程序之后,程序运行流程如图 60.1.2 所示: 中,STM32F767 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,如图标号①所示,此部分同图 60.1.1 一样;在执行完 IAP 以后(即将新的 APP 代码写入 STM32F767 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,同样 main 函数为一个 死循环,并且注意到此时 STM32F767 的 FLASH,在不同位置上,共有两个中断向量表。 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,如图标号④所示;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,如图标号⑤所示;在执行完 中断服务程序后,程序返回 main 函数继续运行,如图标号⑥所示。 通过以上两个过程的分析,我们知道 IAP 程序必须满足两个要求: 1) 新程序必须在 IAP 程序之后的某个偏移量为 x 的地址开始; 2) 必须将新程序的中断向量表相应的移动,移动的偏移量为 x; 3) 本章,我们有 2 个 APP 程序,一个为 FLASH 的 APP,另外一个位 SRAM 的 APP,图 60.1.2 虽然是针对 FLASH APP 来说的,但是在 SRAM 里面运行的过程和 FLASH 基本一致,只 是需要设置向量表的地址为 SRAM 的地址。 1.APP 程序起始地址设置方法 随便打开一个之前的实例工程,点击 Options for TargetTarget 选项卡,如图 60.1.3 所示: 图 60.1.3 FLASH APP Target 选项卡设置 默认的条件下,图中 IROM1 的起始地址(Start)一般为 0X08000000,大小(Size)为 0X100000, 即从 0X08000000 开始的 1024K 空间为我们的程序存储区。而图中,我们设置起始地址(Start) 为 0X08010000,即偏移量为 0X10000(64K 字节),因而,留给 APP 用的 FLASH 空间(Size) 只有 0X100000-0X10000=0XF0000(960K 字节)大小了。设置好 Start 和 Szie,就完成 APP 程 序的起始地址设置。 这里的 64K 字节,需要大家根据 Bootloader 程序大小进行选择,比如我们本章的 Bootloader 程序为 63K左右,理论上我们只需要确保 APP 起始地址在 Bootloader之后,并且偏移量为 0X200 的倍数即可(相关知识,请参考:http://www.openedv.com/posts/list/392.htm)。这里我们选择 64K (0X10000)字节,留了一些余量,方便 Bootloader 以后的升级修改。 这是针对 FLASH APP 的起始地址设置,如果是 SRAM APP,那么起始地址设置如图 60.1.4 所示: 图 60.1.4 SRAM APP Target 选项卡设置 这里我们将 IROM1 的起始地址(Start)定义为:0X20021000,大小为 0X50000(320K 字 节),即从地址 0X20020000 偏移 0X1000 开始,存放 APP 代码。因为整个 STM32F767IGT6 的 SRAM 大小(不算 DTCM)为 384K 字节,所以 IRAM1(SRAM)的起始地址变为 0X20071000, 大小只有 0XF000(60K 字节)。这样,整个 STM32F767IGT6 的 SRAM(不含 DTCM)分配情 况为:最开始的 4K 给 Bootloader 程序使用,随后的 320K 存放 APP 程序,最后 60K,用作 APP 程序的内存。这个分配关系大家可以根据自己的实际情况修改,不一定和我们这里的设置一模 一样,不过也需要注意,保证偏移量为 0X200 的倍数(我们这里为 0X1000)。 2.中断向量表的偏移量设置方法 之前我们讲解过,在系统启动的时候,会首先调用 SystemInit 函数初始化时钟系统,同时 SystemInit 还完成了中断向量表的设置,我们可以打开 SystemInit 函数,看看函数体的结尾处有 这样几行代码: #ifdef VECT_TAB_SRAMSCB->VTOR = RAMDTCM_BASE | VECT_TAB_OFFSET;/* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */#elseSCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;/* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */#endif从 代 码 可 以 理 解 , VTOR 寄 存 器 存 放 的 是 中 断 向 量 表 的 起 始 地 址 。 默 认 的 情 况 VECT_TAB_SRAM 是没有定义,所以执行 SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; 对于 FLASH APP,我们设置为 FLASH_BASE+偏移量 0x10000,所以我们可以在 SystemInit 函数 里面修改 SCB->VTOR 的值。当然为了尽可能不修改系统级别文件,我们可以也可以在 FLASH APP 的 main 函数最开头处添加如下代码实现中断向量表的起始地址的重设: SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x10000; 以上是 FLASH APP 的情况,当使用 SRAM APP 的时候,我们设置起始地址为: SRAM_BASE+0x1000,同样的方法,我们在 SRAM APP 的 main 函数最开始处,添加下面代码: SCB->VTOR = SRAM1_BASE | 0x1000; 这样,我们就完成了中断向量表偏移量的设置。 通过以上两个步骤的设置,我们就可以生成 APP 程序了,只要 APP 程序的 FLASH 和 SRAM 大小不超过我们的设置即可。不过 MDK 默认生成的文件是.hex 文件,并不方便我们用作 IAP 更新,我们希望生成的文件是.bin 文件,这样可以方便进行 IAP 升级(至于为什么,请大家自 行百度 HEX 和 BIN 文件的区别!)。这里我们通过 MDK 自带的格式转换工具 fromelf.exe,来实 现.axf 文件到.bin 文件的转换。该工具在 MDK 的安装目录ARMARMCCbin 文件夹里面。 fromelf.exe 转换工具的语法格式为:fromelf [options] input_file。其中 options 有很多选项可 以设置,详细使用请参考光盘《mdk 如何生成 bin 文件.doc》. 本章,我们通过在 MDK 点击 Options for TargetUser 选项卡,在 After Build/Rebuild 栏, 勾选 Run #1,并写入:D:toolsMDK5.2ARMARMCCbinfromelf.exe --bin -o ..OBJRTC.bin ..OBJRTC.axf ,如图 60.1.5 所示: 图 60.1.5 MDK 生成.bin 文件设置方法 通过这一步设置,我们就可以在 MDK 编译成功之后,调用 fromelf.exe(注意,我的 MDK 是安装在 D:toolsMDK5.2 文件夹下,如果你是安装在其他目录,请根据你自己的目录修改 fromelf.exe 的路径),根据当前工程的 RTC.axf,生成一个 RTC.bin 的文件。并存放在 axf 文件 相同的目录下,即工程的 OBJ 文件夹里面。在得到.bin 文件之后,我们只需要将这个 bin 文件 传送给单片机,即可执行 IAP 升级。 最后再来看看 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 对于在 FLASH 里面运行的 APP 程序,我们只需要设置 APP 程序的起始地址,和存储 空间大小即可。而对于在 SRAM 里面运行的 APP 程序,我们还需要设置 SRAM 的起始地 址和大小。无论哪种 APP 程序,都需要确保 APP 程序的大小和所占 SRAM 大小不超过我 们的设置范围。 2) 设置中断向量表偏移量 这一步按照上面讲解,重新设置 SCB->VTOR 的值即可。 3) 设置编译后运行 fromelf.exe,生成.bin 文件. 通过在 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。 以上 3 个步骤,我们就可以得到一个.bin 的 APP 程序,通过 Bootlader 程序即可实现更新。 60.2 硬件设计 本章实验(Bootloader 部分)功能简介:开机的时候先显示提示信息,然后等待串口输入 接收 APP 程序(无校验,一次性接收),在串口接收到 APP 程序之后,即可执行 IAP。如果 是 SRAM APP,通过按下 KEY0 即可执行这个收到的 SRAM APP 程序。如果是 FLASH APP, 则需要先按下 KEY_UP 按键,将串口接收到的 APP 程序存放到 STM32 的内部 FLASH,之后 再按 KEY2 既可以执行这个 FLASH APP 程序。通过 KEY1 按键,可以手动清除串口接收到的 APP 程序。DS0 用于指示程序运行状态。 本实验用到的资源如下: 1) 指示灯 DS0 2) 四个按键(KEY0/KEY1/KEY2/KEY_UP) 3) 串口 4) LCD 模块 这些用到的硬件,我们在之前都已经介绍过,这里就不再介绍了。 60.3 软件设计 本章,我们总共需要 3 个程序:1,Bootloader;2,FLASH APP;3)SRAM APP;其中, 我们选择之前做过的 RTC 实验(在第二十章二介绍)来做为 FLASH APP 程序(起始地址为 0X08010000),选择触摸屏实验(在第三十六章介绍)来做 SRAM APP 程序(起始地址为 0X20021000)。Bootloader 则是通过 TFTLCD 显示实验(在第而是章介绍)修改得来。本章, 关于 SRAM APP 和 FLASH APP 的生成比较简单,我们就不细说,请大家结合光盘源码,以及 60.1 节的介绍,自行理解。本章软件设计仅针对 Bootloader 程序。 复制第二十章的工程(即实验 14),作为本章的工程模版(命名为:IAP Bootloader V1.0), 并复制第四十二章实验(FLASH 模拟 EEPROM 实验)的 STMFLASH 文件夹到本工程的 HARDWARE 文件夹下,打开本实验工程,并将 STMFLASH 文件夹内的 stmflash.c 加入到 HARDWARE 组下,同时将 STMFLASH 加入头文件包含路径。 在 HARDWARE 文件夹所在的文件夹下新建一个 IAP 的文件夹,并在该文件夹下新建 iap.c 和 iap.h 两个文件。然后在工程里面新建一个 IAP 的组,将 iap.c 加入到该组下面。最后,将 IAP 文件夹加入头文件包含路径。 打开 iap.c,输入如下代码: 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 为 APP 程序的起始地址,程序先判断栈顶地址是否合法,在得到合法的栈顶地址后,通过 MSR_MSP 函数(该函数在 sys.c 文件)设置栈顶地址,最后通过一个虚拟的函数(jump2app) 跳转到 APP 程序执行代码,实现 IAPAPP 的跳转。 保存 iap.c,打开 iap.h 输入如下代码: #ifndef __IAP_H__#define __IAP_H__#include "sys.h" typedef void (*iapfun)(void); //定义一个函数类型的参数. #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 #endif这部分代码比较简单,保存 iap.h。本章,我们是通过串口接收 APP 程序的,我们将 usart.c 和 usart.h 做了稍微修改,在 usart.h 中,我们定义 USART_REC_LEN 为 360K 字节,也就是串 口最大一次可以接收 360K 字节的数据,这也是本 Bootloader 程序所能接收的最大 APP 程序大 小。然后新增一个 USART_RX_CNT 的变量,用于记录接收到的文件大小,而 USART_RX_STA 不再使用。在 usart.c 里面,我们修改 USART1_IRQHandler 部分代码如下: //串口 1 中断服务程序//注意,读取 USARTx->SR 能避免莫名其妙的错误 u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN] __attribute__ ((at(0X20021000)));//接收缓冲,最大 USART_REC_LEN 个字节,起始地址为 0X20021000. //接收状态//bit15, 接收完成标志 bit14, 接收到 0x0d//bit13~0,接收到的有效字节数目u16 USART_RX_STA=0; //接收状态标记 u32 USART_RX_CNT=0; //接收的字节数 //串口 1 中断服务程序void USART1_IRQHandler(void) { u8 Res;#if SYSTEM_SUPPORT_OS //使用 OSOSIntEnter(); #endifif((__HAL_UART_GET_FLAG(&UART1_Handler,UART_FLAG_RXNE)!=RESET)) //接收中断(接收到的数据必须是 0x0d 0x0a 结尾) { HAL_UART_Receive(&UART1_Handler,&Res,1,1000); if(USART_RX_CNT 到 USART_RX_BUF,并通过 USART_RX_CNT 计数。代码比较简单,我们就不多说了。 改完 usart.c 和 usart.h 之后,我们在 main.c 修改 main 函数如下: int main(void){u8 t;u8 key;u32 oldcount=0; //老的串口接收数据值u32 applenth=0; //接收到的 app 代码长度u8 clearflag=0; Cache_Enable(); //打开 L1-Cache HAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(432,25,2,9); //设置时钟,216Mhz …//此处省略部分代码LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY_UP:Copy APP2FLASH");LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"KEY1:Erase SRAM APP");LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"KEY0:Run SRAM APP");LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"KEY2:Run FLASH APP");POINT_COLOR=BLUE;//显示提示信息POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色 while(1){if(USART_RX_CNT){if(oldcount==USART_RX_CNT)//新周期内,没有收到任何数据,认为本次数据接收完成. {applenth=USART_RX_CNT;oldcount=0;USART_RX_CNT=0;printf("用户程序接收完成!rn"); printf("代码长度:%dBytesrn",applenth);}else oldcount=USART_RX_CNT;}t++;delay_ms(10);if(t==30){LED0_Toggle;t=0;if(clearflag){clearflag--;if(clearflag==0)LCD_Fill(30,210,240,210+16,WHITE);//清除显示} } key=KEY_Scan(0);if(key==WKUP_PRES) //WK_UP 按键按下{if(applenth){printf("开始更新固件...rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Copying APP2FLASH...");if(((*(vu32*)(0x20021000+4))&0xFF000000)==0x08000000)//判断是否为 0X08XXXXXX.{iap_write_appbin(FLASH_APP1_ADDR,USART_RX_BUF,applenth);//更新 FLASH 代码 LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Copy APP Successed!!");printf("固件更新完成!rn");}else {LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Illegal FLASH APP! "); printf("非 FLASH 应用程序!rn");}}else {printf("没有可以更新的固件!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"No APP!");}clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示}if(key==KEY1_PRES) //KEY1 按下 {if(applenth){printf("固件清除完成!rn"); LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"APP Erase Successed!");applenth=0;}else {printf("没有可以清除的固件!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"No APP!");}clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示}if(key==KEY2_PRES) //KEY2 按下{printf("开始执行 FLASH 用户代码!!rn");if(((*(vu32*)(FLASH_APP1_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)//判断是否为 0X08XXXXXX.{iap_load_app(FLASH_APP1_ADDR);//执行 FLASH APP 代码}else {printf("非 FLASH 应用程序,无法执行!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Illegal FLASH APP!"); }clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示 }if(key==KEY0_PRES) //KEY0 按下{printf("开始执行 SRAM 用户代码!!rn");if(((*(vu32*)(0x20021000+4))&0xFF000000)==0x20000000)//判断是否为 0X20XXXXXX.{iap_load_app(0x20021000);//SRAM 地址}else {printf("非 SRAM 应用程序,无法执行!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Illegal SRAM APP!"); }clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示}} }该段代码,实现了串口数据处理,以及 IAP 更新和跳转等各项操作。Bootloader 程序就设 计完成了,但是一般要求 bootloader 程序越小越好(给 APP 省空间嘛),实际应用时,可以尽 量精简代码来得到最小的 IAP。本章例程我们仅作演示用,所以不对代码做任何精简,最后得 到工程截图如图 60.3.1 所示: 图 60.3.1 Bootloader 工程截图 从上图可以看出,Bootloader 大小为 42K 左右,比较大,主要原因是液晶驱动和 printf 占 用了比较多的 flash,如果大家想删减代码,可以去掉不用的 LCD 部分代码和 printf 等,不过我 们在本章为了演示效果,所以保留了这些代码。至此,本实验的软件设计部分结束。 FLASH APP 和 SRAM APP 两部分代码,根据 60.1 节的介绍,大家自行修改都比较简单, 我们这里就不介绍了,不过要提醒大家:FLASH APP 的起始地址必须是 0X08010000,而 SRAM APP 的起始地址必须是 0X20021000。 60.4 下载验证 在代码编译成功之后,我们下载代码到 ALIENTEK 阿波罗 STM32F7 开发板上,得到,如 图 60.4.1 所示: 图 60.4.1 IAP 程序界面 此时,我们可以通过串口,发送 FLASH APP 或者 SRAM APP 到阿波罗 STM32F7 开发板, 如图 60.4.2 所示: 图 60.4.2 串口发送 APP 程序界面 首先找到开发板 USB 转串口的串口号,打开串口(我电脑是 COM3),然后设置波特率为 115200(图中标号 1 所示),然后,点击打开文件按钮(如图标号 2 所示),找到 APP 程序生成 的.bin 文件(注意:文件类型得选择所有文件!!默认是只打开 txt 文件的),最后点击发送文件 (图中标号 3 所示),将.bin 文件发送给阿波罗 STM32 开发板,发送完成后,XCOM 会提示文 件发送完毕。 开发板在收到 APP 程序之后,我们就可以通过 KEY0/KEY2 运行这个 APP 程序了(如果 是 FLASH APP,则先需要通过 KEY_UP 将其存入对应 FLASH 区域)。 |
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