IAP固件升级跳转方式及比较（上）

只看该作者 · 2023-12-24 15:19

本帖最后由 DKENNY 于 2023-12-24 15:19 编辑

最近了解了IAP相关知识，发现在APM32系列，存在3中IAP的跳转方式，下面简单介绍一下。由于篇幅较长，将分为上、下两节分享，这篇主要讲一下固件及IAP的启动方式。

1. 固件的简单介绍

固件（Firmware）就是写入ROM（只读存储器）中的程序，即固件是嵌入在硬件设备中的软件，通常用于控制设备的功能和行为，固件担任着一个系统最基础最底层工作，直接控制硬件。

固件升级：

固件升级是指对嵌入式系统或设备中的固件进行更新或升级的过程。

固件升级的目的：

1). 修复漏洞和错误：固件升级可以修复之前版本中发现的漏洞、错误或安全漏洞，从而提高设备的稳定性和安全性。

2). 改进功能和性能：通过固件升级，可以添加新功能、改进现有功能或提高设备的性能，以满足用户的需求或适应新的技术标准。

3). 兼容性和互操作性：升级固件可以使设备与其他设备或软件更好地互操作，以提供更好的用户体验。

4). 支持新硬件：当设备硬件发生变化或更新时，固件升级可以确保固件与新硬件兼容。

5). 增加设备的寿命：通过升级固件，设备制造商可以延长设备的使用寿命，使其更具持久性，减少设备更换的需求。

固件升级的方式：

ISP（In-SystemProgramming）：在系统编程，使用引导程序（Bootloader）加上外围UART/SPI等接口进行烧录。

ICP（In-circuitprogrammer）：在电路编程，使用SWD/JTAG接口。

IAP（In-ApplicationProgramming）：指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，即用程序来改变程序。

2. APM32的启动方式

APM32有两个BOOT引脚，通过配置不同的高低电平，可以让单片机从不同的地址开始运行。

Main Flashmemory ：内置的Flash，一般我们使用JTAG / SWD 烧录代码都是直接烧录到这个存储区间，重启后也直接从这里的代码开始执行；

System memory：这种模式启动的程序功能是由厂家设置的，存储区间内部预置了一段BootLoader（即ISP 程序），这段程序出厂后无法修改。BootLoader 一般支持UART 协议，可以让我们直接通过串口将程序代码烧录到Main Flash memory 中；

SRAM：这个启动模式一般用于程序调试，假如我只修改了代码中一个很小的地方，重新烧录到Flash比较费时，可以从内存中启动代码，进行快速的程序调试，等程序调试完成后，再将程序烧录到MainFlash memory 中。

3. 固件升级比较

3.1 ISP（In-SystemProgramming）

从APM32的启动模式可以看出，ISP通过USB接口直接烧录代码，主要是靠Systemmemory 中预置的Bootloader代码提供的UART协议实现的，要想使用Systemmemory 中的ISP代码，需要将BOOT0设置为高电平、BOOT1设置为低电平，然后按下复位键，MCU从Systemmemory 启动BootLoader，靠ISP代码中提供的UART协议，用户可以通过串口将程序代码烧录到MainFlash memory 中。通过串口烧录代码完成后，需要将BOOT0设置为低电平，然后按下复位键，MCU就可以从刚才烧录进去的代码处（也即MainFlash memory）开始执行了。

3.2 ICP（In-circuit programmer ）

一种用于对微控制器或芯片进行编程的技术，它允许在目标设备的电路板上进行编程，而不需要将芯片从电路板中取出。

编程时，所有芯片需上电，利用jlink和stlink等工具进行编程也属于电路编程。

3.3 IAP（In-Application Programming ）

IAP的原理与上面两种有较大区别，这种方式将主存储区又分成了两个区域（根据实际需要由开发者自行分配），08000000起始处的这部分，存储一个开发者自己设计的Bootloader程序，另一部分存储真正需要运行的APP程序。

假如Bootloader程序时，需要进行升级（比如APP程序运行时，接收到升级指令，可以在flash中的特定位置设置一个标志，然后触发重启，重启后进入Bootloader程序，Bootloader程序根据标志位就能判断是否需要升级），则会通过某种方式先将接收到的程序写入存储区中存储APP程序的那个位置，写入完成后再跳转到该位置，即实现了程序的升级。

4. IAP固件升级及流程
4.1 中断向量表

中断向量表，用于存储处理器中各种中断的处理程序的入口地址。当发生中断时，处理器会根据中断类型查找中断向量表，并跳转到相应的处理程序。

SCB->VTOR寄存器用于指定中断向量表的基地址。通过修改该寄存器的值可以将中断向量表的位置从默认的地址（通常是0x00000000）更改为其他地址。

例如： SCB->VTOR = 0x8000000

4.2 芯片有无SCB->VTOR寄存器的对比

① 有SCB->VTOR的情况：

中断向量表的加载形式是通过将中断向量表的起始地址写入SCB->VTOR寄存器来实现。通常，中断向量表是存储在Flash存储器中的一段连续内存区域。当发生中断时，处理器会根据中断号从中断向量表中读取对应的中断处理函数地址，并跳转到该地址执行中断处理。

② 没有SCB->VTOR的情况：

中断向量表的加载形式是通过固定的地址来实现。通常，中断向量表是存储在Flash存储器的固定地址处。当发生中断时，处理器会根据中断号从固定地址处读取对应的中断处理函数地址，并跳转到该地址执行中断处理。

4.3 IAP启动

Cortex-M内核规定，中断向量表开始的4个字节存放的是堆栈栈顶的地址，其后是中断向量表各中断服务程序的地址。当发生中断后程序通过查找该表得到相应的中断服务程序入口地址，然后再跳到相应的中断服务程序中执行，中断服务程序中最终调用用户实现的各函数。例如：main函数就是复位中断服务函数中调用的！
在没有IAP时，上电后从0x08000004处取出复位中断向量的地址，然后跳转到复位中断程序的入口(标号①所示)，执行结束后跳转到main函数中(标号②所示)。通常main函数是个死循环，不会退出。在执行main函数的过程中发生中断，则STM32强制将PC指针指回中断向量表处(标号④所示)，从中断向量表中找到相应的中断函数入口地址，跳转到相应的中断服务函数(标号⑤所示)，执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑥所示)。
在添加IAP后，上电后仍然从0x08000004处取出复位中断向量的地址，然后跳转到复位中断程序的入口(标号①所示)，执行结束后跳转到小程序的main函数中(标号②所示)。在执行小程序main函数的过程中发生中断，则STM32强制将PC指针指回中断向量表处(标号④所示)，从中断向量表中找到相应的中断函数入口地址，跳转到相应的中断服务函数(标号⑤所示)，执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑥所示)。而想要大程序执行，则必须在小程序中显示强制跳转（标号⑦）。
在大程序的main函数的执行过程中，如果CPU得到一个中断请求，由于我们设置了中断向量表偏移量为N+M，因此PC指针被强制跳转到0x08000004+N+M处的中断向量表中得到相应的中断函数地址，再跳转到相应新的中断服务函数，执行结束后返回到main函数中来。
需要注意的是，复位中断比较特殊。产生复位后，PC的值会被硬件强制置为0x08000004。因为，在发生复位后，负责中断向量偏移的寄存器VTOR变为了0，因此，复位后的中断就变为了0x08000004。而其他中断发生时，VTOR为已经设置好的终端向量表偏移。

4.4 IAP升级

具体而言，无非就是一包一包地接收数据，然后一包一包地写入flash。一般分为两个阶段，防止升级文件传输不完整或损坏。

(1) 文件下发阶段：接收到的升级包不要直接写入flash的APP区域，先存到另外的flash空间或外部存储区(如SD卡)；

(2) 更新阶段：等全部接收完成，再一次性将外部存储空间的数据写入flash的APP区域。

其中，通信是通过串口，自己定义协议传送数据，将程序数据拆成N个包，一包一包地传输，例如设定3条协议，分别是：开始升级、发送升级数据、升级完成确认。

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