STM32的在线升级（IAP）实现方法：BOOT+APP原理详解

0 工具准备

Keil uVision5
Cortex M3权威指南（中文）
STM32参考手册

1 在线升级（IAP）设计思路

为了实现STM32的在线升级（IAP）功能，通常会将STM32的FLASH划分为BOOT和APP两个部分，BOOT就是引导APP的引导程序，当我们需要在线升级时就可以通过BOOT来实现。BOOT和APP在FLASH中的分布如下：
在这里插入图片描述

原理分析：
（1）当STM32复位后会跳转到FLASH首地址，也就是0x08000000的位置，读取1-4Byte获取主堆栈指针初始值（栈顶值）并设置，然后读取5-8Byte获取复位中断服务函数入口地址并执行，进入BOOT程序
（2）BOOT程序根据用户选择升级APP或者跳转到APP
（2.1）如果用户选择升级APP则擦除APP所在扇区，按照一定协议将APP程序复制到FLASH的APP扇区
（2.2）如果用户选择跳转到APP，首先失能全局中断，然后复位所有外设及RCC时钟，清除所有中断使能位及中断挂起标志，然后执行一些用户自定义的操作。最后设置主堆栈指针，跳转到APP的复位中断服务函数（相当于做了（1）中内核干的事情）。

2 BOOT设计

这里介绍一下BOOT跳转到APP函数的设计思路：

// 复位所有外设
void Per_DeInit(void)
{
    /* 复位APB1上的外设 */
    RCC->APB1RSTR = 0xFFFFFFFFU;
    RCC->APB1RSTR = 0x00U;

    /* 复位APB2上的外设 */
    RCC->APB2RSTR = 0xFFFFFFFFU;
    RCC->APB2RSTR = 0x00U;

    /* 复位AHB1上的外设 */
    RCC->AHB1RSTR = 0xFFFFFFFFU;
    RCC->AHB1RSTR = 0x00U;

    /* 复位AHB2上的外设 */
    RCC->AHB2RSTR = 0xFFFFFFFFU;
    RCC->AHB2RSTR = 0x00U;

    /* 复位AHB3上的外设 */
    RCC->AHB3RSTR = 0xFFFFFFFFU;
    RCC->AHB3RSTR = 0x00U;
}


// 跳转到APP
void Jump_to_APP(void)
{
    uint32_t i = 0;
    void (*SysMemBootJump)(void); /* 声明一个函数指针 */

    /* 关闭全局中断 */
    __disable_irq();

    /* 复位所有外设 */
    Per_DeInit();

    /* 设置所有时钟到默认状态，使用HSI时钟 */
    RCC_DeInit();


    /* 关闭所有中断，清除所有中断挂起标志 */
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        NVIC->ICER[i] = 0xFFFFFFFF;
        NVIC->ICPR[i] = 0xFFFFFFFF;
    }

    /* 关闭滴答定时器，复位到默认值 */
    SysTick->CTRL = 0;
    SysTick->LOAD = 0;
    SysTick->VAL = 0;

    /* 重设独立看门狗超时时间为5S */
    IWDG_Config(4, 3125);
    /* 喂狗，给APP预留一些时间 */
    Raise_Dog();

    /* 使能全局中断 */
    __enable_irq();

    /* APP首地址+4就是APP复位中断服务程序地址 */
    SysMemBootJump = (void (*)(void))(*((uint32_t *)(FLASH_APP_ADDR + 4)));

    /* 设置主堆栈指针 */
    __set_MSP(*(uint32_t *)FLASH_APP_ADDR);

	/* 设置为特权级模式，使用MSP指针 （BOOT是RTOS的一定要设置，否则后面的APP无法运行，最好都加上无伤大雅）*/
    __set_CONTROL(0);
    
    /* 跳转到系统BootLoader */
    SysMemBootJump();

    /* 跳转成功的话，不会执行到这里，用户可以在这里添加代码 */
    while (1)
    {
    }
}

相关知识：
（1）涉及到的复位寄存器
在这里插入图片描述

复位寄存器写入1复位相应外设，写入不复位。
（2）涉及到的SysTick寄存器

SysTick->CTRL：SysTick控制及状态寄存器
SysTick->LOAD：SysTick重装载数值寄存器
SysTick->VAL：SysTick当前数值寄存器
（3）涉及到的NVIC寄存器
（3.1）NVIC->ICER，中断失能寄存器，写入1失能中断
在这里插入图片描述
（3.2）NVIC->ICPR，中断挂起清除寄存器，写入1清除中断挂起

（4）涉及到的内核控制寄存器

这里我们设置为0，也就是特权级的线程模式+选择主堆栈指针MSP，恢复到MCU复位状态（BOOT是RTOS的一定要设置，否则后面的APP无法运行，最好都加上无伤大雅）。
（5）APP二进制文件含义
bin文件：
在这里插入图片描述
Byte1-4：0x20014168
Byte5-8：0x080101A1
Byte9-12：0x08012D75
Byte13-16：0x08012851
map文件：
__initial_sp 0x20014168 Data 0 startup_stm32f40xx.o(STACK)
Reset_Handler 0x080101a1 Thumb Code 8 startup_stm32f40xx.o(.text)
NMI_Handler 0x08012d75 Thumb Code 2 stm32f4xx_it.o(i.NMI_Handler)
HardFault_Handler 0x08012851 Thumb Code 8 stm32f4xx_it.o(i.HardFault_Handler)
可以看到，APP工程的bin文件含义如下：
Byte1-4：0x20014168 主堆栈指针初始值（栈顶值）
Byte5-8：0x080101A1 复位中断服务函数地址
Byte9-12：0x08012D75 NMI中断服务函数地址
Byte13-16：0x08012851 HardFault中断服务函数地址
该部分的定义在STM32的参考手册上也可以看到：
在这里插入图片描述
其实，我们只需要关注主堆栈指针初始值（栈顶值）和复位中断服务函数地址即可。如果想要了解APP前几个byte的全部内容，可以参看STM32参考手册的“STM32F405xx/07xx 和 STM32F415xx/17xx 的向量表”。
弄清楚了上述的寄存器使用方法和APP的bin文件内容后，接下来BOOT中跳转到APP的操作原理就一目了然了：
（1）关闭全局中断，避免被打断
（2）复位所有外设，为APP营造一个纯净的环境
（3）设置所有时钟到默认状态，为APP营造一个纯净的环境
（4）关闭所有中断同时清除所有中断挂起标志，避免APP使能中断后异常触发等情况
（5）关闭滴答定时器，复位到默认值，为APP营造一个纯净的环境【自定义】
（6）重设独立看门狗超时时间为10s，喂狗给APP预留一些时间（独立看门狗一旦打开就无法关闭）【自定义】
（7）使能全局中断，避免APP部分没有打开全局中断（这时也清除了所有中断使能位，可以避免跳转到APP过程被中断打断）
（8）函数指针指向APP的复位中断服务函数（也就是APP的第5-8Byte）
（9）设置主堆栈指针（也就是APP的前4Byte）
（10）跳转到APP
以上有2个地方需要特别注意：
（1）APP的复位中断服务函数地址是APP的第5-8Byte
（2）APP的主堆栈指针初始值（栈顶值）是APP的前4Byte

3 APP设计

APP设计时只需要修改工程的flash起始地址以及中断向量偏移地址寄存器即可。
（1）修改FLASH起始地址
在这里插入图片描述
如果我们的APP存放在FLASH的0x8010000开始的位置，则将FLASHA的起始地址修改为0x8010000即可。
（2）修改中断向量偏移地址
BOOT下我们的中断向量偏移地址为0x08000000和默认值一样无须特别设置，APP下由于FLASH起始地址被修改到0x8010000，因此需要将中断向量偏移地址设置为0x1000：

#define VECT_TAB_OFFSET  0x10000

相关寄存器如下：
在这里插入图片描述
当STM32发生了中断需要响应时，内核会根据向量表偏移量寄存器的值在相应的FLASH空间找到异常服务函数入口地址（中断服务函数入口地址保存工作由编译器完成）。上电后的向量表如下：

假设我们设置的VTOR的值为0x8010000，在发生了硬错误时，会跳转到0x8010000+0x0000000C的位置找到硬错误中断服务函数地址并执行。这也是我们为什么需要在APP中设置VTOR的原因（BOOT里已经默认设置为0x0x8000000），保证我们的中断能够正确执行。

4 总结

（1）APP程序需要修改FLASH起始地址和向量表偏移量寄存器，以便内核能够在中断发生时进入正确的中断服务函数
（2）BOOT程序跳转到APP的过程实际上就是模拟内核的操作
（3）BOOT跳转到APP之前一定要失能所有中断、清除所有中断挂起标志，营造一个纯净的环境。最好将所有外设和RCC全部复位到初始值，使APP的环境更加贴近硬件复位后的环境。
（4）如果在BOOT内使能了独立看门狗，最好调整超时时间并喂狗保证在APP喂狗操作执行前预留足够的时间
（5）如果BOOT是RTOS，则一定要设置堆栈指针为MSP及特权级的线程模式
注意：
在这里插入图片描述
最好在BOOT内使能独立看门狗，当APP错误的时候依然能够触发复位（假如APP错误，会发生不可预知的错误，进入while(1)或其它地方看门狗均会减到0产生复位信号）。另外：独立看门狗的重载值是12位的，最大为4095！！！