前 言

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)最終需要將編譯好的代碼下載到具體的微控制器芯片上，而不同廠家的微控制器芯片有不同的下載方式。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的更新，用戶程序加載趨向于在線編程的方式，越來越多的芯片公司提供和開放了用戶更新程序的接口與方式，以提高整個系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。ST公司基于 CortexM3內(nèi)核的STM32系列產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用，在許多基于STM32系列產(chǎn)品的開發(fā)過程中不可避免要進(jìn)行用戶程序的加載。本文在介紹IAP技術(shù)原理基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述使用該技術(shù)在STM32F103ZE芯片上實現(xiàn)用戶在線更新功能的方法，并具體分析其中可能發(fā)生異常的原因。

1　背景

1.1　主要程序更新方式

目前，除了直接通過仿真器或燒錄器進(jìn)行程序更新方式外，主要有Bootloader技術(shù)、ISP技術(shù)以及IAP技術(shù)3種更新程序的方法。

(1) Bootloader技術(shù)

引導(dǎo)加載程序，是指系統(tǒng)加電時，控制器將一段存儲在外部非易失性存儲器中的代碼載入到內(nèi)部高速存儲器單元(如片內(nèi)RAM)中執(zhí)行的過程。

(2) ISP(In System Programming)技術(shù)

MCU內(nèi)部自帶Bootloader，通過指定的方式激活，通過通信接口下載或擦除用戶代碼。需要有外部介入，靜態(tài)的，在用戶代碼沒有運行時進(jìn)行下載。

(3) IAP(In ApplICation Programing)技術(shù)

單片機內(nèi)部具有一些可擦寫的非易失存儲器，如Flash。在微控制器獨立運行時，用戶利用自己編寫的燒寫程序通過通信下載或擦除自己的代碼。注意不具備IAP功能的單片機并不能對Flash的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。無需外部介入，動態(tài)的，在用戶代碼運行時進(jìn)行下載。

1.2　STM32系列簡介

STM32系列微控制器基于CortexM3內(nèi)核，并在其架構(gòu)上進(jìn)行了多項改進(jìn)，包括在提升性能的同時提高了代碼密度的Thumb2指令集，以及大幅度提高中斷響應(yīng)的緊耦合嵌套向量中斷控制器，從而大大提高了處理速度，降低了系統(tǒng)功耗。使用新內(nèi)核的Thumb2指令集，設(shè)計人員可以把代碼容量降低 45%，幾乎把應(yīng)用軟件所需內(nèi)存容量降低了一半。此外，STM32提供豐富的外圍接口，目前廣泛應(yīng)用到工業(yè)用及家用安全設(shè)備、消防和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等，以及家電、消費電子、低功耗的可便攜式設(shè)備等。本文以STM32F103ZE為例來研究及使用IAP技術(shù)。

2　IAP技術(shù)

2.1　IAP技術(shù)原理

首先人為設(shè)定單片機內(nèi)部存儲區(qū)分為兩塊：其中一塊稱為Boot區(qū)，用于存儲IAP功能程序代碼;另外一塊稱為常態(tài)存儲區(qū)，用于存儲除IAP功能外的所有程序代碼。IAP技術(shù)指的是， MCU在運行的狀態(tài)下，通過程序(PC)指針不斷讀取需要執(zhí)行的程序指令。正常情況下，PC指針只在常態(tài)存儲區(qū)內(nèi)移動，并讀取指令，如圖1所示。當(dāng)用戶需要更新或升級程序時，程序指令會將PC指針跳轉(zhuǎn)至Boot區(qū)。這段存儲區(qū)的指令代碼的功能是，通過通信等方式接收用戶需要更新的程序數(shù)據(jù)，并通過校驗確認(rèn)接收到的程序數(shù)據(jù)正確后，根據(jù)約定的方式寫入常態(tài)存儲區(qū)，如圖2所示。當(dāng)完成用戶程序更新后，PC指針再跳回到常態(tài)存儲區(qū)，開始執(zhí)行存儲在其上的用戶程序，這樣便實現(xiàn)了IAP功能。

圖1　通過PC指針讀取程序指令 圖2　更新存儲區(qū)代碼

2.2　IAP技術(shù)關(guān)鍵點

通過研究IAP技術(shù)實現(xiàn)用戶程序更新的過程，不難發(fā)現(xiàn)，在更新過程中必須保證PC指針在Boot區(qū)移動，而不能隨意跳轉(zhuǎn)至常態(tài)存儲區(qū)?；谶@個要求，結(jié)合微控制器原理可以得出需要特別注意的幾個關(guān)鍵點。

(1) 禁止中斷

毫無疑問，中斷會使得PC指針跳轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序入口地址，因此，在進(jìn)入Boot區(qū)前需要禁止所有中斷。

(2) 禁用底層外圍接口

對于有些外圍接口，比如當(dāng)采用ADC+DMA的方式進(jìn)行多通道A/D采樣時，采樣過程會按照預(yù)先設(shè)置的通道順序進(jìn)行A/D采樣。若在PC指針跳轉(zhuǎn)至Boot區(qū)前沒有禁用，則更新完程序跳回常態(tài)存儲區(qū)時，其存儲A/D通道值就可能發(fā)生錯位的情況。

(3) 使用實時操作系統(tǒng)

如果使用具有搶占式RTOS(即硬實時操作系統(tǒng))，則需要禁止所有任務(wù)，并且屏蔽所有的信號量及郵箱，以防止激活某個任務(wù)，導(dǎo)致PC指針跳轉(zhuǎn)至常態(tài)存儲區(qū)。

(4) 使用看門狗

在考慮導(dǎo)致PC指針跳轉(zhuǎn)的原因時，看門狗很容易被忽略，而且很多芯片的看門狗一旦使能就不能禁用，所以不能通過禁用的方法達(dá)到目的。最安全的方法是，在Boot區(qū)中也加入看門狗的喂狗指令。特別要注意的是，當(dāng)需要擦除、寫入大量Flash數(shù)據(jù)時，需要對其過程所需時間進(jìn)行定量的估計，有必要時可以在這個過程中多次喂狗。

(5) 存儲空間分配

Boot區(qū)以及常態(tài)存儲區(qū)的大小可以人為分配，一般而言，盡可能使常態(tài)存儲區(qū)最大化，因為產(chǎn)品的功能是在該區(qū)域得到體現(xiàn);而Boot區(qū)盡可能使其代碼簡潔，避免使用中斷以及復(fù)雜的底層驅(qū)動及算法。

2.3　IAP技術(shù)實現(xiàn)

(1) 關(guān)閉相關(guān)中斷及禁用相關(guān)外圍接口

如定時器中斷、SysTick中斷、A/D中斷、外部I/O中斷等。

(2) 設(shè)定跳轉(zhuǎn)地址

typedef void (*pFunction)(void);

INT32U JumpAddress;//定義IAP入口地址pFunction Jump_To_Application;//定義指向IAP入口地址程序的函數(shù)指針

JumpAddress=*(vu32*)(IAP_ADDR + 4);

Jump_To_Application=(pFunction) JumpAddress;

(3) 喂狗并執(zhí)行跳轉(zhuǎn)

IWDG_ReloadCounter();//喂狗

__set_MSP(*(__IO uint32_t*) IAP_ADDR);//初始化用戶應(yīng)用程序的堆棧指針

Jump_To_Application();

(4) IAP代碼(Boot區(qū)代碼)

只需要驅(qū)動用到的底層接口，盡量不使用中斷，盡可能少地占用存儲空間，同時需要適時地喂狗。另外對該系列Flash操作會有所不同，比如 STM32F103ZE執(zhí)行擦除操作時，一頁為2 KB，而SMT32F103VC6等芯片一頁為1 KB，使用其他型號芯片時需要具體查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊。

3　總結(jié)

本文從分析IAP技術(shù)原理入手，詳細(xì)論述了利用IAP技術(shù)實現(xiàn)用戶程序更新的要點。另外，可以想象，如果Boot區(qū)加入TCP/IP協(xié)議連入互聯(lián)網(wǎng)，即可借助網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)品進(jìn)行在線升級，既可提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，又可降低產(chǎn)品的維護(hù)成本，必將在未來得到更為廣泛的應(yīng)用。