李興鶴，蔡亮，宋吉波，王鵬，金辛海，時(shí)迎亮

（1.上海辛格林納新時(shí)達(dá)電機(jī)有限公司 研發(fā)中心，上海 201802；2.上海新時(shí)達(dá)電氣股份有限公司）

李興鶴（工程師），從事嵌入式系統(tǒng)、變頻技術(shù)、新能源技術(shù)、電梯控制系統(tǒng)等方面的研究。

引 言

嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的更新，用戶程序加載趨向于在線編程的方式，越來(lái)越多的芯片公司提供和開(kāi)放了用戶更新程序的接口與方式，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。ST公司基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32系列產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用，在許多基于STM32系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可避免要進(jìn)行用戶程序的加載。本文在介紹IAP技術(shù)原理基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述使用該技術(shù)在STM32F103ZE芯片上實(shí)現(xiàn)用戶在線更新功能的方法，并具體分析其中可能發(fā)生異常的原因。

1 背景綜述

1.1 主要程序更新方式

目前，除了直接通過(guò)仿真器或燒錄器進(jìn)行程序更新方式外，主要有Bootloader技術(shù)、ISP技術(shù)以及IAP技術(shù)3種更新程序的方法。

（1）Bootloader技術(shù)

引導(dǎo)加載程序，是指系統(tǒng)加電時(shí)，控制器將一段存儲(chǔ)在外部非易失性存儲(chǔ)器中的代碼載入到內(nèi)部高速存儲(chǔ)器單元（如片內(nèi)RAM）中執(zhí)行的過(guò)程。

（2）ISP（In System Programming）技術(shù)

MCU內(nèi)部自帶Bootloader，通過(guò)指定的方式激活，通過(guò)通信接口下載或擦除用戶代碼。需要有外部介入，靜態(tài)的，在用戶代碼沒(méi)有運(yùn)行時(shí)進(jìn)行下載。

（3）IAP（In Application Programing）技術(shù)

單片機(jī)內(nèi)部具有一些可擦寫(xiě)的非易失存儲(chǔ)器，如Flash。在微控制器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，用戶利用自己編寫(xiě)的燒寫(xiě)程序通過(guò)通信下載或擦除自己的代碼。注意不具備IAP功能的單片機(jī)并不能對(duì)Flash的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。無(wú)需外部介入，動(dòng)態(tài)的，在用戶代碼運(yùn)行時(shí)進(jìn)行下載。

1.2 STM32系列簡(jiǎn)介

STM32系列微控制器基于Cortex－M3內(nèi)核，并在其架構(gòu)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，包括在提升性能的同時(shí)提高了代碼密度的Thumb－2指令集，以及大幅度提高中斷響應(yīng)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(tǒng)功耗。使用新內(nèi)核的Thumb－2指令集，設(shè)計(jì)人員可以把代碼容量降低45%，幾乎把應(yīng)用軟件所需內(nèi)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(yīng)用到工業(yè)用及家用安全設(shè)備、消防和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等，以及家電、消費(fèi)電子、低功耗的可便攜式設(shè)備等。本文以STM32F103ZE為例來(lái)研究及使用IAP技術(shù)。

2 IAP技術(shù)

2.1 IAP技術(shù)原理

首先人為設(shè)定單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)分為兩塊：其中一塊稱為Boot區(qū)，用于存儲(chǔ)IAP功能程序代碼；另外一塊稱為常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)除IAP功能外的所有程序代碼。IAP技術(shù)指的是，MCU在運(yùn)行的狀態(tài)下，通過(guò)程序（PC）指針不斷讀取需要執(zhí)行的程序指令。正常情況下，PC指針只在常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)移動(dòng)，并讀取指令，如圖1所示。當(dāng)用戶需要更新或升級(jí)程序時(shí)，程序指令會(huì)將PC指針跳轉(zhuǎn)至Boot區(qū)。這段存儲(chǔ)區(qū)的指令代碼的功能是，通過(guò)通信等方式接收用戶需要更新的程序數(shù)據(jù)，并通過(guò)校驗(yàn)確認(rèn)接收到的程序數(shù)據(jù)正確后，根據(jù)約定的方式寫(xiě)入常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，如圖2所示。當(dāng)完成用戶程序更新后，PC指針再跳回到常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，開(kāi)始執(zhí)行存儲(chǔ)在其上的用戶程序，這樣便實(shí)現(xiàn)了IAP功能。

圖1 通過(guò)PC指針讀取程序指令

圖2 更新存儲(chǔ)區(qū)代碼

2.2 IAP技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

通過(guò)研究IAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶程序更新的過(guò)程，不難發(fā)現(xiàn)，在更新過(guò)程中必須保證PC指針在Boot區(qū)移動(dòng)，而不能隨意跳轉(zhuǎn)至常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)?；谶@個(gè)要求，結(jié)合微控制器原理可以得出需要特別注意的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）禁止中斷

毫無(wú)疑問(wèn)，中斷會(huì)使得PC指針跳轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序入口地址，因此，在進(jìn)入Boot區(qū)前需要禁止所有中斷。

（2）禁用底層外圍接口

對(duì)于有些外圍接口，比如當(dāng)采用ADC＋DMA的方式進(jìn)行多通道A／D采樣時(shí)，采樣過(guò)程會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的通道順序進(jìn)行A／D采樣。若在PC指針跳轉(zhuǎn)至Boot區(qū)前沒(méi)有禁用，則更新完程序跳回常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，其存儲(chǔ)A／D通道值就可能發(fā)生錯(cuò)位的情況。

（3）使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

如果使用具有搶占式RTOS（即硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），則需要禁止所有任務(wù)，并且屏蔽所有的信號(hào)量及郵箱，以防止激活某個(gè)任務(wù)，導(dǎo)致PC指針跳轉(zhuǎn)至常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。

（4）使用看門狗

在考慮導(dǎo)致PC指針跳轉(zhuǎn)的原因時(shí)，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(guò)禁用的方法達(dá)到目的。最安全的方法是，在Boot區(qū)中也加入看門狗的喂狗指令。特別要注意的是，當(dāng)需要擦除、寫(xiě)入大量Flash數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)其過(guò)程所需時(shí)間進(jìn)行定量的估計(jì)，有必要時(shí)可以在這個(gè)過(guò)程中多次喂狗。

（5）存儲(chǔ)空間分配

Boot區(qū)以及常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的大小可以人為分配，一般而言，盡可能使常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)最大化，因?yàn)楫a(chǎn)品的功能是在該區(qū)域得到體現(xiàn)；而B(niǎo)oot區(qū)盡可能使其代碼簡(jiǎn)潔，避免使用中斷以及復(fù)雜的底層驅(qū)動(dòng)及算法。

2.3 IAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）關(guān)閉相關(guān)中斷及禁用相關(guān)外圍接口

如定時(shí)器中斷、SysTick中斷、A／D中斷、外部I／O中斷等。

（2）設(shè)定跳轉(zhuǎn)地址

（3）喂狗并執(zhí)行跳轉(zhuǎn)

（4）IAP代碼（Boot區(qū)代碼）

只需要驅(qū)動(dòng)用到的底層接口，盡量不使用中斷，盡可能少地占用存儲(chǔ)空間，同時(shí)需要適時(shí)地喂狗。另外對(duì)該系列Flash操作會(huì)有所不同，比如STM32F103ZE執(zhí)行擦除操作時(shí)，一頁(yè)為2KB，而SMT32F103VC6等芯片一頁(yè)為1KB，使用其他型號(hào)芯片時(shí)需要具體查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

3 總 結(jié)

本文從分析IAP技術(shù)原理入手，詳細(xì)論述了利用IAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶程序更新的要點(diǎn)。另外，可以想象，如果Boot區(qū)加入TCP／IP協(xié)議連入互聯(lián)網(wǎng)，即可借助網(wǎng)絡(luò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行在線升級(jí)，既可提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，又可降低產(chǎn)品的維護(hù)成本，必將在未來(lái)得到更為廣泛的應(yīng)用。

［1］意法Cortex－M3微控制器重塑 MCU 市場(chǎng)［OL］.（2007－06－12） ［2011－08 ］. http：／／www. eccn. com／design ＿2007061215020077.htm.

［2］彭剛，春志強(qiáng).基于ARM Cortex－M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：320－325.