stm32的IAP學(xué)習(xí)

幾乎所有的同類書籍都介紹綜合性的應(yīng)用示例如“萬年歷 + 溫度顯示 + 鬧鐘響鈴 + 計(jì)時(shí)表”這樣的一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘范例或“STM32 + 音頻解碼 + 大容量存儲(chǔ)方案”這樣的MP3播放器范例。這些綜合性實(shí)例的目的在于引領(lǐng)讀者進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)，達(dá)到把單片機(jī)的基礎(chǔ)模塊整合運(yùn)用的目的。這些實(shí)例普遍存在一種共同點(diǎn)，即“練手”意義要大于“實(shí)用”的意義。本文將講述一個(gè)STM32的綜合性應(yīng)用示例，該示例將涉及到STM32微控制器的時(shí)鐘系統(tǒng)、GPIO、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、異步串口以及內(nèi)置可編程flash等設(shè)備的應(yīng)用，作為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)還具有很強(qiáng)的“實(shí)用”意義。這個(gè)示例就是STM32的IAP方案。
IAP，全稱是“In-Application
Programming”，中文解釋為“在程序中編程”。IAP是一種對(duì)通過微控制器的對(duì)外接口（如USART，IIC，CAN，USB，以太網(wǎng)接口甚至是無線射頻通道）對(duì)正在運(yùn)行程序的微控制器進(jìn)行內(nèi)部程序的更新的技術(shù)（注意這完全有別于ICP或者ISP技術(shù)）。ICP（In-Circuit Programming）技術(shù)即通過在線仿真器對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫，而ISP技術(shù)則是通過單片機(jī)內(nèi)置的bootloader程序引導(dǎo)的燒寫技術(shù)。無論是ICP技術(shù)還是ISP技術(shù)，都需要有機(jī)械性的操作如連接下載線，設(shè)置跳線帽等。若產(chǎn)品的電路板已經(jīng)層層密封在外殼中，要對(duì)其進(jìn)行程序更新無疑困難重重，若產(chǎn)品安裝于狹窄空間等難以觸及的地方，更是一場(chǎng)災(zāi)難。但若進(jìn)引入了IAP技術(shù)，則完全可以避免上述尷尬情況，而且若使用遠(yuǎn)距離或無線的數(shù)據(jù)傳輸方案，甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和無線編程。這絕對(duì)是ICP或ISP技術(shù)無法做到的。某種微控制器支持IAP技術(shù)的首要前提是其必須是基于可重復(fù)編程閃存的微控制器。STM32微控制器帶有可編程的內(nèi)置閃存，同時(shí)STM32擁有在數(shù)量上和種類上都非常豐富的外設(shè)通信接口，因此在STM32上實(shí)現(xiàn)IAP技術(shù)是完全可行的。
實(shí)現(xiàn)IAP技術(shù)的核心是一段預(yù)先燒寫在單片機(jī)內(nèi)部的IAP程序。這段程序主要負(fù)責(zé)與外部的上位機(jī)軟件進(jìn)行握手同步，然后將通過外設(shè)通信接口將來自于上位機(jī)軟件的程序數(shù)據(jù)接收后寫入單片機(jī)內(nèi)部指定的閃存區(qū)域，然后再跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新寫入的程序，最終就達(dá)到了程序更新的目的。
在STM32微控制器上實(shí)現(xiàn)IAP程序之前首先要回顧一下STM32的內(nèi)部閃存組織架構(gòu)和其啟動(dòng)過程。STM32的內(nèi)部閃存地址起始于0x8000000，一般情況下，程序文件就從此地址開始寫入。此外STM32是基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)部通過一張“中斷向量表”來響應(yīng)中斷，程序啟動(dòng)后，將首先從“中斷向量表”取出復(fù)位中斷向量執(zhí)行復(fù)位中斷程序完成啟動(dòng)。而這張“中斷向量表”的起始地址是0x8000004，當(dāng)中斷來臨，STM32的內(nèi)部硬件機(jī)制亦會(huì)自動(dòng)將PC指針定位到“中斷向量表”處，并根據(jù)中斷源取出對(duì)應(yīng)的中斷向量執(zhí)行中斷服務(wù)程序。最后還需要知道關(guān)鍵的一點(diǎn)，通過修改STM32工程的鏈接腳本可以修改程序文件寫入閃存的起始地址。
在STM32微控制器上實(shí)現(xiàn)IAP方案，除了常規(guī)的串口接收數(shù)據(jù)以及閃存數(shù)據(jù)寫入等常規(guī)操作外，還需注意STM32的啟動(dòng)過程和中斷響應(yīng)方式。圖1顯示了STM32常規(guī)的運(yùn)行流程。

(原文件名:1.jpg)
圖1
對(duì)圖1解讀如下：
1、 STM32復(fù)位后，會(huì)從地址為0x8000004處取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序，如圖1中標(biāo)號(hào)○1所示。
2、 復(fù)位中斷服務(wù)程序執(zhí)行的最終結(jié)果是跳轉(zhuǎn)至C程序的main函數(shù)，如圖1中標(biāo)號(hào)○2所示，而main函數(shù)應(yīng)該是一個(gè)死循環(huán)，是一個(gè)永不返回的函數(shù)。
3、 在main函數(shù)執(zhí)行的過程中，發(fā)生了一個(gè)中斷請(qǐng)求，此時(shí)STM32的硬件機(jī)制會(huì)將PC指針強(qiáng)制指回中斷向量表處，如圖1中標(biāo)號(hào)○3所示。
4、 根據(jù)中斷源進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，如圖1中標(biāo)號(hào)○5所示。
5、 中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，程序再度返回至main函數(shù)中執(zhí)行，如圖1中標(biāo)號(hào)○6所示。
若在STM32中加入了IAP程序，則情況會(huì)如圖2所示。

(原文件名:2.jpg)
圖2
對(duì)圖2的解讀如下:
1、 STM32復(fù)位后，從地址為0x8000004處取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至IAP程序的main函數(shù)，如圖2中標(biāo)號(hào)○1、○2所示。這個(gè)過程和圖1相應(yīng)部分是一致的。
2、 執(zhí)行完IAP過程后（STM32內(nèi)部多出了新寫入的程序，圖2中以灰色底紋方格表示，地址始于0x8000004+N+M）跳轉(zhuǎn)至新寫入程序的復(fù)位向量表，取出新程序的復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新程序的復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至新程序的main函數(shù)，其過程如圖2的標(biāo)號(hào)○3所示。新程序的main函數(shù)應(yīng)該也具有永不返回的特性。同時(shí)應(yīng)該注意在STM32的內(nèi)部存儲(chǔ)空間在不同的位置上出現(xiàn)了2個(gè)中斷向量表。
3、 在新程序main函數(shù)執(zhí)行的過程中，一個(gè)中斷請(qǐng)求來臨，PC指針仍會(huì)回轉(zhuǎn)至地址為0x8000004中斷向量表處，而并不是新程序的中斷向量表，如圖2中標(biāo)號(hào)○5所示。注意到這是由STM32的硬件機(jī)制決定的。
4、 根據(jù)中斷源跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)，如圖2中標(biāo)號(hào)○6所示。注意此時(shí)是跳轉(zhuǎn)至了新程序的中斷服務(wù)程序中。
5、 中斷服務(wù)執(zhí)行完畢后，返回main函數(shù)。如圖2中標(biāo)號(hào)○8所示。
從上述兩個(gè)過程的分析可以得知，對(duì)將使用IAP過程寫入的程序要滿足2個(gè)要求：
1、新程序必須從IAP程序之后的某個(gè)偏移量為x的地址開始；
2、必須將新程序的中斷向量表相應(yīng)的移動(dòng)，移動(dòng)的偏移量為x；
而設(shè)置程序起始位置的方法是（keil uvision4集成開發(fā)環(huán)境）在工程的“Option for Target….”界面中的“Target”頁里將“IROM”的“Start”列改為欲使程序起始的地方，如圖3中將程序起始位置設(shè)為0x8002000。

(原文件名:3.jpg)
圖3
將中斷向量表移動(dòng)的方法是在程序中加入函數(shù)：
void NVIC_SetVectorTable(u32 NVIC_VectTab, u32 Offset)；
其中參數(shù)NVIC_VectTab為中斷向量表起始位置，而參數(shù)Offset則為地址偏移量，如將中斷向量表移至0x8002000處，則應(yīng)調(diào)用該函數(shù)如下：
void NVIC_SetVectorTable(0x8000000, 0x2000)；
同時(shí)有必要提醒讀者注意的是，此函數(shù)只會(huì)修改STM32程序中用于存儲(chǔ)中斷向量的結(jié)構(gòu)體變量，而不會(huì)實(shí)質(zhì)地改變中斷向量表在閃存中的物理位置，詳情請(qǐng)研究該程序原型。
有了以上準(zhǔn)備后就可以著手設(shè)計(jì)一個(gè)IAP方案了，如下：
1、STM32復(fù)位后，利用一個(gè)按鍵的狀態(tài)進(jìn)行同步，當(dāng)按鍵按下時(shí)表示將要進(jìn)行IAP過程；
2、IAP過程中，通過上位機(jī)軟件向STM32的USART1設(shè)備發(fā)送所要更新的程序文件，STM32接收到數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)而從0x8002000地址開始寫入收到的數(shù)據(jù)；
3、STM32借助定時(shí)器來判斷數(shù)據(jù)是否完全接收，完全接收后IAP過程結(jié)束；
4、再次復(fù)位后，跳轉(zhuǎn)0x8002004地址開始運(yùn)行新寫入的程序；
最后提出幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：
1、具體實(shí)現(xiàn)的工程見附件；
2、利用IAP寫入的程序文件最好是.bin格式的文件，但不能是.hex格式的文件；
3、向STM32發(fā)送程序文件時(shí)盡量慢一些，因?yàn)镾TM32對(duì)FLASH的寫入速度往往跟不上通訊外設(shè)接口的速度；
4、建議在STM32和上位機(jī)之間設(shè)計(jì)一套握手機(jī)制和出錯(cuò)管理機(jī)制，這樣可以大幅提高IAP的成功率；
5、附件中的IAP工程具體運(yùn)行現(xiàn)象為，按著連接于GPIOA.0引腳上的按鍵后對(duì)STM32進(jìn)行復(fù)位操作，若連接于GPIOA.4引腳上的LED被點(diǎn)亮則表示進(jìn)入了IAP程序，等待從USART1接口傳入欲更新的程序文件。程序文件更新完畢后，LED被熄滅。此時(shí)再度對(duì)STM32進(jìn)行復(fù)位，就開始運(yùn)行新寫入的程序了。