嵌入式技术之IAP，自从有了它老板再也不担心我的代码了！（中）

上篇文章我们一起学习了IAP的工作原理和IAP包含的3个重要功能：数据交互、数据存储和程序跳转。

这3个重要功能称为“IAP的三板斧”，接下来我们看这三板斧具体完成哪些细节工作，如何实现这三板斧。请添加图片描述

1.数据交互

数据交互的功能是IAP核心功能之一，这个功能作用是使得设备和外部完成数据交互，数据交互的主要目的是获取新版本程序固件。
在这里插入图片描述
IAP数据交互通常有两种方式：读取文件方式和收发数据方式。

读取文件方式指的是设备通过接口读取存储介质，获取程序固件实现更新。在这种方式下设备可以使用USB接口读取U盘，使用读卡器接口读取SD卡。

读取文件方式需要设备拥有文件系统功能（如FatFs文件系统），在这种方式下新版本程序固件以特定名称存入存储介质，存储介质插入设备的存储接口，设备检开始查询存储介质中的文件，只有当检测到特定名称的文件后，设备才会根据这个特定名称文件中的内容更新程序固件。这种方式只需要一个存储器即可（不需要外接其他设备），非常适合小批量脱机更新固件。
在这里插入图片描述
收发数据方式指的是设备通过通讯接口与外部通讯，获取程序固件实现更新。在这种方式下设备可以使用485接口或者以太网口与外部进行数据收发。

例如设备使用网口接收云端服务器的数据，服务器将新版本固件程序文件分为n个小的数据包发送给设备，设备接收到数据后，将数据一包一包保存起来，获取完整的程序固件后执行更新操作。这种方式适合无人化升级，也非常适合大批量在线更新固件。在这里插入图片描述
IAP数据交互使用收发数据方式的较为常见，接下来将详细的讲解一下这种方式。数据发送的本质是通讯，通讯功能由底层硬件和通讯协议共同实现。底层硬件可以是485接口，以太网口，蓝牙接口等。通讯中的数据必须按照一定的格式进行打包发送和数据解析，因此需要制定通讯协议，收发数据方式的重点就是制定通讯协议和实现通讯协议功能。
制定通讯协议有两种实现方式：使用通用协议和使用自定义协议。

适合IAP通用通讯协议有 XModem ，YModem等协议，这些协议比较简单，非常适合传输小体积文件。使用通用协议的最大好处是不用特定去设计上位机软件，可以直接使用现成的软件工具实现文件传输，例如软件工具SecureCRTPortable可以支持XModem ，YModem等协议。
在这里插入图片描述
自定义的通讯协议指的是公司根据需求定制一套专用的通讯协议。这种方式定制的协议会非常适合设备，对设备的固件程序软件开发比较友好，但是这种方式需要上位机工程师来实现上位机的文件发送功能。

不管是使用通用的通讯协议，还是使用自定义通讯协议，作为通讯协议它们至少要包含以下通讯指令：
1、升级请求指令。在升级前，通过发送升级请求，让双方的设备进入准备状态。
2、数据包请求指令。指的是在升级过程中一包一包的收发固件数据。
3、结束请求指令。指的是完成固件数据发送后，通知设备数据已经发生完毕，设备收到通知后自行进行固件更新。
在这里插入图片描述

2.数据存储

数据存储是IAP核心功能之一，该功能主要作用是访问（读/写）设备内部的存储器，数据存储的主要目的是将新版本的app程序固件以数据的方式写入设备内部存储器的指定位置。
在这里插入图片描述
数据存储的基本操作是读/写存储器，目前嵌入式设备内部的存储器通常为NOR-FLASH（片内FLASH）,设备运行的固件存储在NOR-FLASH中，嵌入式设备可以直接运行NOR-FLASH中的指令（XIP）。片内FLAHS不仅可以存储固件还可以存储其他数据。因此数据存储的基本操作就是FLASH读写操作，FLASH读写有如下特点：
1、最小擦除单位为扇区。
2、必须是先擦除一个扇区，才能写入数据。扇区擦除后数据变为全1。
3、数据写操作只能将数据从1写为0，不能将数据从0写为1，如果该扇区数据已经被写入过了，则需要先擦除再写入。
下图是STM32系列MCU内部FLASH数据表：在这里插入图片描述
对FLASH区间进行规划是数据存储的一个重要部分，通常情况会将FLASH划分为以下几个区间：
1、bootloader区间，存放bootloader程序固件。
2、app区间，存放需要运行app程序固件。
3、app备份区间，存放接收到的最新版本app程序固件。
4、更新标志位区间，存放更新标志位。在这里插入图片描述
其中bootloader区间，app区间和更新标志位区间是必须的，app备份区间可以根据实际情况来选择。

数据存储重要功能是将最新的app程序固件以数据的方式写入app区，写入数据到app区有两种方式：
1、单包写入。设备接收到一个数据包后，按照一包数据写入app区存储器，就是每接收到一包数据就向app区写一包数据。通常情况下每一包数据长度是固定的（末尾包可以使用0XFF填充），此时需要计算好一个扇区包含多少个包，保证写入数据前扇区已经执行了擦除操作。
2、整包写入。设备能接收到一个数据包后，先将一包数据写入app备份区存储器，所有包接收完成后，再将app备份区数据按照扇区为单位写入app区间。
在这里插入图片描述
App数据完成写入后，需要在FLASH更新标志位区间写入一个标志位，bootloader可以读取标志位，判断是否需要执行app数据更新，因此需要完成升级完成标志位和检查升级标志位功能。为了提高稳定性标志为采用一串幻数作为标志为，例如当需要更新时标志位区间的前5个数据为0x13,0x14,0x17,0x55,0x20 ,不需要更新时标志位区间的前5个数据为0xFF,0xFF, 0xFF,0xFF ,0xFF。

3.跳转

IAP功能通常需要计两个项目代码：第一个项目代码不执行产品功能操作部分代码称为bootloader，第二个项目代码执行真正的产品功能，这部分代码称为app。bootloader和app这两个代码都同时烧录在Flash中，当芯片上电后，bootloader代码首先开始运行，随后跳转并执行app代码。

程序跳转是IAP的核心功能，程序跳转主要目的就是实现从bootloader程序跳转到APP程序，让APP程序运行。程序跳转也是IAP中最难理解的部分，需要将一步一步地揭开它神秘的面纱。
在这里插入图片描述

3.1 工程启动

每次复位后MCU都可以重头开始运行写入的固件（写入MCU内部FLASH）。实现这种现象的底层的运行逻辑主要有以下两方面原因：
1、MCU复位后，PC寄存器被强制赋予了一个初始值（通常情况下为0X00000000）,因此MCU从地址0X00000000获取第一条指令。
2、在编译工程的时候，通常会工程配置代码下载的起始位置（通常是0X00000000），编译好的固件会携带起始位置信息。使用FLASH烧写工具下载固件的时候，烧写软件会根据起始位置信息，将固件从指定起始位置开始烧写到FLASH。
由于代码被下载到MCU内部FLASH的起始位置是0X00000000，而MCU复位后PC值也为0X00000000，因此每次复位后都可以重头开始运行写入MCU内部FLASH固件。MCU复位后启动流程如下图：
请添加图片描述
以STM32系列MCU为例，复位后先从地址 0x00000000 处取出值强制写入 MSP （MSP初始化），然后从地址 0x00000004 处取出值强制写入 PC ，然后从地址 0x00000004中数据所对应的地址处取指运行。
在这里插入图片描述
STM32系列MCU主闪存存储器是STM32内置的Flash（芯片Flash），正常的工作模式是将主内置的Flash地址0x08000000映射到0x00000000，这样代码启动之后就相当于从0x08000000开始。下图是一个由STM32系列工程的编译出的HEX文件，由图可知此HEX文件会从FLASH地址0x08000000处（程序的起始位置）开始烧写。
在这里插入图片描述

3.2 跳转原理

复位后PC值赋值为0X00000000，FLASH中固件的起始位置是0X00000000，这样就能保证每次复位后都可以重头开始运行固件。那么我们将固件代码B下载到0X0000Y000处，然后将PC值设置为0X0000Y000，是不是就跳转到固件代码B了？
在这里插入图片描述
这种想法是完全正确的，事实上这也就是IAP跳转的工作原理：bootloader固件代码被下载到了0X00000000处，app固件代码被下载到0X0000Y000处，复位后bootloader先运行，随后bootloader代码中执行将PC至设置为0X0000Y000，跳转到app固件代码。

IAP跳转工作原理有两关键点：
1、修改工程代码的下载起始位置。
2、模拟复位流程，强制修改PC值完成跳转动作。

修改工程代码起始位置
通常情况下我们可以通过配置工程参数，实现修改工程代码的下载起始位置。以STM32系列MCU，使用KEIL开发环境为例。点开工程设置，将IROM1起始值改为0x8020000，此时工程就将代码下载的起始位置修改为0x8020000（MCU会将0x08020000映射到0x00020000）。
在这里插入图片描述
配置好工程IROM1起始值后编译工程，打开HEX文件就可以发现下载的起始位置为0x0802000。

修改PC值完成跳转

那么应该如何模拟复位流程完成跳转动作呢？STM32系列MCU复位后先从地址 0x00000000 处取出值强制写入 MSP （MSP初始化），然后从地址 0x00000004 处取出值强制写入 PC ，然后从地址 0x00000004中数据所对应的地址处取指运行。
因此模拟复位流程首先完成MSP初始化，然后强制写入 PC 值，模拟复位流程跳转代码如下：
在这里插入图片描述
由代码可知，程序首先将将0x00020004这个地址中的值强制转换成一个函数jump_to_application，然后0x00020000这个地址中的值赋值为MSP，最后执行jump_to_application函数，执行jump_to_application函数等价于跳转到地址0x00020004中数值对应的代码处执行。
在这里插入图片描述
对工程进行反汇编，分析运行指令执行流程，代码反汇编后如下图：

核心汇编代码分析如下：

MOV      r0,#0x20000    ； 将立即数0x20000存入r0
LDM      r0,{r0,r4}		； 将地址0x20000中的数据存入r0，地址0x20004中的数据存入r4
BLX      r4			； 跳转至r4指向的地址，即地址0x20004中的数据指向的地址

汇编中的跳转指令（分支指令）可用来改变程序的执行流程或者调用子程序。在ARM架构中有两种方法可以实现程序流程跳转：
1、使用分支指令
2、向程序计数器PC写入目标地址值。
通过向程序计数器PC写入跳转地址可以实现4G（32位系统）的地址空间任意跳转，而使用分支指令是跳转空间受到限制，ARM架构中的跳转指令如下表：
在这里插入图片描述

3.3 构建实例

结合修改代码的下载起始位置和模拟复位流程修改PC值完成跳转这两个知识点，以STM32系列MCU为例构件一个IAP项目，这个项目包含两个工程：bootloader工程和app工程。

工程代码的下载起始位置设置：bootloader工程使用默认配置0x08000000 ，app工程配置0x08020000 ，两个工程的配置如下图：
在这里插入图片描述
在bootloader工程中完成必需的功能后调用iap_jump_to_app函数，实现跳转到地址0x08020000中数值指向的位置执行代码，iap_jump_to_app函数如下：
完成bootloader工程和app工程后，编译这两个工程，并将这两个工程下载到MCU中，我们会发现MCU先运行bootloader固件，然后再运行app固件，至此完成IAP项目构建。下载固件的时候一定要把Erase Full Chip这个选项去掉，不然的话下载第二个固件的时候会将整个FLASH擦除，因此第一个下载的固件（之前的固件）会被擦除掉！
在这里插入图片描述

3.4 注意事项

上节构建了一个简单的IAP项目，在bootloader中设置了MSP和PC，MCU跳转到app固件，这个跳转过程实际上是模拟了一个复位流程。使得MCU开始执行app固件，在app固件前面通常会执行一段启动代码，启动代码会对RAM等外设执行初始化。

但是真正的复位，是由硬件发起的，硬件会将所有外设进行默认设置，通常情况是默认关闭所有外设，将GPIO设置为输入状态。app固件虽然执行了启动代码，但是所有外设的设备都是保存了bootloader固件中设置的状态，这些外设（如USART,ADC,TIMER等等）如果在bootloader中被配置和开启，会对app运行产生异常影响，因此在bootloader执行跳转前，需要将bootloader中用到的外设全部关闭。
在这里插入图片描述
在bootloader执行跳转前除了关闭外设之外，还需要对MCU的中断向量进行重映射，中断向量是什么？

中断向量是指计算机系统中由硬件产生的中断入口地址。中断是指计算机在执行程序的过程中，出现特殊请求时，计算机停止当前运行的程序，跳转到这些特殊请求的处理程序，处理结束后再返回到程序的中断处继续执行。在这里插入图片描述
在ARM架构处理器中，中断向量的大小是4个字节，其中存放的不是中断程服务程序的入口地址，而是是一条跳转指令。当中断发生时，硬件自动执行相应中断向量处的跳转代码，跳转到响应的中断服务程序的入口地址。
中断向量规定了中断服务的入口地址，这个入口地址由硬件决定，bootloader工程使用了默认配置，中断向量与bootloader工程代码是匹配的。跳转到app工程后中断向量并没有改变，这样在app工程中发生中断，此时程序会跳转到bootloader工程代码中！因此我们在app工程启动后需要重新设置中断向量，否则程序将会运行异常！

如果不对外设和中断向量进行相应的操作，会这么样？接下来使用一个反例来看看结果如何。
bootloader工程核心代码如下：在这里插入图片描述
由bootloader代码可知：系统开启了滴答定时器，滴答定时器中断函数中输出了打印信息，配置完成后执行了跳转函数，跳转到了app固件中。

app工程核心代码如下：在这里插入图片描述
由app代码可知：系统开启了滴答定时器，滴答定时器中断函数中输出了打印信息，配置完成后进入whlie(1)流程定时输出打印信息。
运行工程的结果如下图：

根据串口信息可知app代码运行的时候，滴答定时器产生中断后跳转到了bootloader代码中，执行了bootloader代码中的滴答定时器产生中断函数！

4.总结

本文讲解了IAP的3个重要功能：数据交互、数据存储和程序跳转。并构建了一个简单的IAP项目，同时说明了在设计IAP项目中的注意事项。下篇文章将详细的介绍如何完成IAP的功能代码，并构建一个完成的IAP项目。
在这里插入图片描述
创作不易希望朋友们点赞，转发，评论，关注!
您的点赞，转发，评论，关注将是我持续更新的动力!
CSDN：https://blog.csdn.net/li_man_man_man
今日头条：https://www.toutiao.com/article/7149576260891443724