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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。
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。
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flash
OPEN_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。
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; //0X1A007FFF
initUART1();
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flash
SerialDownload(BANK0);
SerialPutString("Download File To Flash1, OK!\r\n");
break;
case '2': //烧录第2块flash
SerialDownload(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 value
BX r14
}
#define vu32 volatile unsigned int
void 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
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。
!!!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)
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