前 言

    嵌入式系統的開發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。隨著技術的發展和應用需求的更新，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，以提高整個系統的可靠性和可維護性。ST公司基于 CortexM3內核的STM32系列產品得到了廣泛應用，在許多基于STM32系列產品的開發過程中不可避免要進行用戶程序的加載。本文在介紹IAP技術原理基礎上，詳細論述使用該技術在STM32F103ZE芯片上實現用戶在線更新功能的方法，并具體分析其中可能發生異常的原因。

    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行程序更新方式外，主要有Bootloader技術、ISP技術以及IAP技術3種更新程序的方法。

    (1) Bootloader技術

    引導加載程序，是指系統加電時，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部高速存儲器單元(如片內RAM)中執行的過程。

    (2) ISP(In System Programming)技術

    MCU內部自帶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，靜態的，在用戶代碼沒有運行時進行下載。

    (3) IAP(In ApplICation Programing)技術

    單片機內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的數據進行修改。無需外部介入，動態的，在用戶代碼運行時進行下載。

    1.2　STM32系列簡介

    STM32系列微控制器基于CortexM3內核，并在其架構上進行了多項改進，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，降低了系統功耗。使用新內核的Thumb2指令集，設計人員可以把代碼容量降低 45%，幾乎把應用軟件所需內存容量降低了一半。此外，STM32提供豐富的外圍接口，目前廣泛應用到工業用及家用安全設備、消防和暖氣通風空調系統等，以及家電、消費電子、低功耗的可便攜式設備等。本文以STM32F103ZE為例來研究及使用IAP技術。

    2　IAP技術

    2.1　IAP技術原理

    首先人為設定單片機內部存儲區分為兩塊：其中一塊稱為Boot區，用于存儲IAP功能程序代碼;另外一塊稱為常態存儲區，用于存儲除IAP功能外的所有程序代碼。IAP技術指的是， MCU在運行的狀態下，通過程序(PC)指針不斷讀取需要執行的程序指令。正常情況下，PC指針只在常態存儲區內移動，并讀取指令，如圖1所示。當用戶需要更新或升級程序時，程序指令會將PC指針跳轉至Boot區。這段存儲區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據，并通過校驗確認接收到的程序數據正確后，根據約定的方式寫入常態存儲區，如圖2所示。當完成用戶程序更新后，PC指針再跳回到常態存儲區，開始執行存儲在其上的用戶程序，這樣便實現了IAP功能。

    圖1　通過PC指針讀取程序指令 圖2　更新存儲區代碼

    2.2　IAP技術關鍵點

    通過研究IAP技術實現用戶程序更新的過程，不難發現，在更新過程中必須保證PC指針在Boot區移動，而不能隨意跳轉至常態存儲區。基于這個要求，結合微控制器原理可以得出需要特別注意的幾個關鍵點。

    (1) 禁止中斷

    毫無疑問，中斷會使得PC指針跳轉至中斷服務程序入口地址，因此，在進入Boot區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，比如當采用ADC+DMA的方式進行多通道A/D采樣時，采樣過程會按照預先設置的通道順序進行A/D采樣。若在PC指針跳轉至Boot區前沒有禁用，則更新完程序跳回常態存儲區時，其存儲A/D通道值就可能發生錯位的情況。

    (3) 使用實時操作系統

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

    (4) 使用看門狗

    在考慮導致PC指針跳轉的原因時，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到目的。最安全的方法是，在Boot區中也加入看門狗的喂狗指令。特別要注意的是，當需要擦除、寫入大量Flash數據時，需要對其過程所需時間進行定量的估計，有必要時可以在這個過程中多次喂狗。

    (5) 存儲空間分配

    Boot區以及常態存儲區的大小可以人為分配，一般而言，盡可能使常態存儲區最大化，因為產品的功能是在該區域得到體現;而Boot區盡可能使其代碼簡潔，避免使用中斷以及復雜的底層驅動及算法。

    2.3　IAP技術實現

    (1) 關閉相關中斷及禁用相關外圍接口

    如定時器中斷、SysTick中斷、A/D中斷、外部I/O中斷等。

    (2) 設定跳轉地址

    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指針

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

    Jump_To_Application=(pFunction) JumpAddress;

    (3) 喂狗并執行跳轉

    IWDG_ReloadCounter();//喂狗

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

    Jump_To_Application();

    (4) IAP代碼(Boot區代碼)

    只需要驅動用到的底層接口，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數據手冊。

    3　總結

    本文從分析IAP技術原理入手，詳細論述了利用IAP技術實現用戶程序更新的要點。另外，可以想象，如果Boot區加入TCP/IP協議連入互聯網，即可借助網絡對產品進行在線升級，既可提高系統的可維護性，又可降低產品的維護成本，必將在未來得到更為廣泛的應用。