单片机不同的程序下载方式

ICP

        ICP是指在电路中编程。使用厂家配套的软件或仿真器进行程序烧录，目前主流的有JTAG接口和SWD接口，常用的烧录工具为J-Link、ST-Link等。在程序开发阶段，通常在连接下载器的情况下直接使用编程软件进行程序下载调试。在MDK软件中可以选择不同的下载器。一般用于调试阶段，实际产品中的电路板一般会密封在外壳中，不便于用下载器烧录程序。

ISP

        在系统中编程。以STM32为例，其内置了一段Bootloader程序，可以通过更改BOOT引脚电平来运行这段程序，再通过ISP编程工具（flymcu通过串口烧录程序）将程序下载进去。下载完毕之后，再更改BOOT至正常状态，使得MCU运行所下载的程序。这种方法需要更改boot模式，实际工程中也不方便。

IAP

        在应用中编程。IAP可以使用微控制器支持的任一种通信接口（如I/O端口、USB、CAN、UART、I2C、SPI等）下载程序或数据到FLASH中。IAP允许用户在程序运行时重新烧写FLASH中的内容。但需要注意，IAP要求至少有一部分程序（Bootloader）已经使用ICP或ISP烧到FLASH中。一般情况下，产品的外壳都会留有通信接口，若能通过这种通信方式对程序进行升级，则可以省去拆装的麻烦。在此基础上，若引入远距离或无线数据传输方案，更可以实现远程编程或无线编程。 ​

        通常实现 IAP 功能时，需要在设计固件程序时编写两个项目代码，第一个项目程序（bootloader）不执行正常的功能操作，而只是通过某种通信方式(如 USB、USART)接收程序或数据，执行对第二部分代码的更新；第二个项目代码（APP）才是真正的功能代码。这两部分项目代码都同时烧录在 User Flash 中，当芯片上电后，首先是bootloader开始运行，它作如下操作：

​①检查是否需要对APP代码进行更新 ​

②如果不需要更新则转到④ ​

③执行更新操作 ​

④跳转到APP执行 ​

        bootloader必须通过其它手段，如 JTAG 或 ISP 烧入；APP代码可以使用bootloader的 IAP 功能烧入，也可以和boot loader一起烧入，以后需要程序更新时再通过boot loader更新。 ​他们存放在 STM32 FLASH 的不同地址范围，一般从最低地址区开始存放 Bootloader（0x08000000），紧跟其后的就是 APP 程序。

        判断是否需要更新APP的方法：

1.通过拨码开关、跳线帽等方式设定单片机某一引脚电平状态，程序通过读取引脚电平判断是否需要升级。此种方式需要接触板卡进行操作，当板卡被封闭在外壳中或安装于不便于操作位置时很难实现。

2.软件内设定一标志位(变量)，通过判断标志位状态判断是否需要升级。该标志位状态掉电不能改变，故需要存储在外部EEPROM或单片机内部FLASH中。若存储在外部EEPROM，则需要增加额外的电路;若存储在单片机内部FLASH，由于FLASH每次写入都需要擦除一整页，会造成资源浪费。

3.单片机每次上电首先进入BootLoader程序，在BootLoader中等待一定时间，若上位机软件在该时间段内发起通讯，则停留在Bootloader程序中等待固件升级;若该时间段内无通讯，则跳转到正常的APP程序。该方式每次上电都要等待一定时间，需要考虑是否可以接受。

STM32程序运行流程

正常程序运行流程

        STM32 的内部闪存（FLASH）地址起始于 0x08000000，一般情况下，程序文件就从此地址开始写入。此外 STM32 是基于 Cortex-M3 内核的微控制器，其内部通过一张“中断向量表”来响应中断，STM32 在复位后，先从 0X08000004 地址取出复位中断向量的地址，并跳转到复位中断服务程序，如图标号①所示；在复位中断服务程序执行完之后，会跳转到我们的main 函数，如图标号②所示；而我们的 main 函数一般都是一个死循环，在 main 函数执行过程中，如果收到中断请求，此时 STM32 强制将 PC 指针指回中断向量表处，如图标号③所示；然后，根据中断源进入相应的中断服务程序，如图标号④所示；在执行完中断服务程序以后，程序再次返回 main 函数执行，如图标号⑤所示。

 

加入IAP后程序运行流程

        STM32 复位后，还是从 0X08000004 地址取出复位中断向量的地址，并跳转到复位中断服务程序，在运行完复位中断服务程序之后跳转到bootloader的 main 函数，如图标号①所示，此部分同上图 一样；在执行完boot loader以后（即将新的 APP 代码写入 STM32的 FLASH，新程序的复位中断向量起始地址为 0X08000004+N+M），跳转至新写入程序的复位向量表，取出新程序的复位中断向量的地址，并跳转执行新程序的复位中断服务程序，随后跳转至新程序的 main 函数，如图标号②和③所示，同样 main 函数为一个死循环，并且注意到此时 STM32 的 FLASH，在不同位置上，共有两个中断向量表。在 main 函数执行过程中，如果 CPU 得到一个中断请求，PC 指针仍强制跳转到地址0X08000004 中断向量表处，而不是新程序的中断向量表，如图标号④所示；程序再根据我们设置的中断向量表偏移量，跳转到对应中断源新的中断服务程序中，如图标号⑤所示；在执行完中断服务程序后，程序返回 main 函数继续运行，如图标号⑥所示。通过以上两个过程的分析，我们知道 IAP 程序必须满足两个要求：

①新程序必须在 IAP 程序之后的某个偏移量为 x 的地址开始；

②必须将新程序的中断向量表相应的移动，移动的偏移量为 x；

不同型号STM32的FLASH大小

        BootLoader程序和APP 程序存放在 STM32 FLASH 的不同地址范围，一般从最低地址区开始存放 BootLoader，紧跟其后的就是 APP 程序。在进行FLASH空间划分之前，首先需要了解一下不同型号STM32单片机的FLASH大小。下图中的闪存容量就是FLASH的大小。

 

        对于不同容量的STM32F1系列产品，其FLASH页大小是不同的，具体的容量划分规则如下： ​ 小容量产品：FLASH容量在16K至32K字节之间。

中容量产品：FLASH容量在64K至128K字节之间。 ​

大容量产品：FLASH容量在256K至512K字 节之间。

对于小容量和中容量的产品，其页大小为1K，对于大容量产品，其页大小为2K。

        用户程序写在flash的主存储器中，对于小容量产品来说，FLASH每页1K，最多32页，也就是32K。 对于中容量产品来说，FLASH每页1K，最多128页，也就是128K。对于大容量产品来说，FLASH每页2K，最多256页，也就是512K，大容量产品的flash模块组织如图：

 keil中配置bootloader和APP

配置boot loader

        在进行FLASH空间划分时，必须知道编写的程序占用FLASH空间大小。用MDK软件进行工程编译之后会生成一个.map文件，在该文件末尾可找到程序需要占用的FLASH空间。在实际设计过程中，主要是确定boot loader的占用空间，在FLASH起始位置给Bootloader留出足够的空间，以便确定APP的起始地址，也就是中断向量表的偏移量。在实际分配过程中，可以给Bootloader多一些空间，以便后续对Bootloader的功能拓展。

         在MDK软件配置项中，可以对程序的起始位置以及大小进行设置。对于BootLoader程序来说，只需要设置其Size，该值可根据刚才map文件中的值进行预估。0x08000000就是FLASH的起始地址，这里设置bootloader的大小为0x4000，也就是16k。

 配置APP

        BootLoader程序按照正常的程序编写即可。而APP程序由于其下载位置与默认程序下载位置不同，故需要做一些特殊的配置。首先是APP 程序起始地址设置。起始位置即去除BootLoader程序之后剩余空间的首地址。一般设定为某一页的首地址，因为FLASH写入之前必须进行页擦除，在下图中按照Bootloader的size可得APP首地址为0x08004000。Size <= FLASH原始大小 - 偏移量（0x4000），例子中是STM32F103C8T6，FLASH大小为64K。上面分给Bootloader的大小为0x4000，也就是16K，那么size最大就是48k，也就是0xc000。如下图所示。

 接着设置中断向量表的偏移量，在主函数起始位置（也就是main函数的第一句话）添加：

SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x4000; //0x4000即BootLoader大小（偏移量）

bin文件生成

        IAP过程中传输的数据文件一般为后缀名为bin的文件，该文件内容与正常烧录进FLASH中的数据内容一致，便于程序升级。但是MDK软件并不能直接生成bin文件，需要进行一些配置。这里我们通过 MDK 自带的格式转换工具 fromelf.exe，来实现.axf 文件到.bin 文件的转换。该工具在 MDK 的安装目录\ARM\BIN40 文件夹里面。我们通过在 MDK 点击 Options for Target→User 选项卡，在 After Build/Rebuild 栏，勾选 Run #1，并写入：D:\MDK5.21A\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe --bin -o ..\OBJ\TEST.bin ..\OBJ\TEST.axf，如下图所示。加粗部分根据实际MDK安装路径进行修改，TEST.bin和TEST.axf中的TEST根据工程名称修改。

         除了上述方法生成bin文件还可以在网上下载hex2bin等软件来生成bin文件。

代码解析

        以正点原子的串口IAP实验为例，该实验通过串口接收APP的bin文件，通过按键控制固件更新和APP代码执行。

bootloader代码

串口接收部分

#define USART_REC_LEN  			41*1024 	//定义最大接收字节数 41K
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN] __attribute__ ((at(0X20001000)));//接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节,起始地址为0X20001000. void uart_init(u32 bound){//GPIO端口设置GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//使能USART1，GPIOA时钟//USART1_TX   GPIOA.9GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//复用推挽输出GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.9//USART1_RX	  GPIOA.10初始化GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.10  //Usart1 NVIC 配置NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//抢占优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;		//子优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQ通道使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据指定的参数初始化VIC寄存器//USART 初始化设置USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//收发模式USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口1USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //使能串口1 }void USART1_IRQHandler(void)                	//串口1中断服务程序{u8 Res;
#if SYSTEM_SUPPORT_OS 		//如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.OSIntEnter();    
#endifif(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾){Res =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR);	//读取接收到的数据if(USART_RX_CNT<USART_REC_LEN){USART_RX_BUF[USART_RX_CNT]=Res;//将读取到的数据存到缓冲区USART_RX_CNT++;			 									     } 		 } 

main函数

#define FLASH_APP1_ADDR		0x08004000  	//第一个应用程序起始地址(存放在FLASH)
int main(void){ u8 t;u8 key;u16 oldcount=0;	//老的串口接收数据值u16 applenth=0;	//接收到的app代码长度NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// 设置中断优先级分组2delay_init();	    	 //延时函数初始化	  uart_init(115200);	 	//串口初始化为256000LED_Init();		  		//初始化与LED连接的硬件接口KEY_Init();				//按键初始化 	  while(1){if(USART_RX_CNT)//如果串口接收到的数据不为空{if(oldcount==USART_RX_CNT)//新周期内,没有收到任何数据,认为本次数据接收完成.{applenth=USART_RX_CNT;//得到数据长度oldcount=0;USART_RX_CNT=0;printf("用户程序接收完成!\r\n");printf("代码长度:%dBytes\r\n",applenth);}else oldcount=USART_RX_CNT;			}	  	 key=KEY_Scan(0);//按键扫描if(key==WKUP_PRES)			//WK_UP按键按下{if(applenth)//如果接收到的数据不为空{printf("开始更新固件...\r\n");	if(((*(vu32*)(0X20001000+4))&0xFF000000)==0x08000000)//判断是否为0X08XXXXXX.{	 iap_write_appbin(FLASH_APP1_ADDR,USART_RX_BUF,applenth);//更新FLASH代码   printf("固件更新完成!\r\n");}else {	   printf("非FLASH应用程序!\r\n");}}else {printf("没有可以更新的固件!\r\n");}									 } if(key==KEY1_PRES)//KEY1按下{printf("开始执行FLASH用户代码!!\r\n");if(((*(vu32*)(FLASH_APP1_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)//判断是否为0X08XXXXXX.{	 iap_load_app(FLASH_APP1_ADDR);//执行FLASH APP代码}else {printf("非FLASH应用程序,无法执行!\r\n");   }									   }}   	   
}

 检查地址合法性解析

if(((*(vu32*)(0X20001000+4))&0xFF000000)==0x08000000)
//0X20001000是串口接收数据缓冲区的起始地址，接收的数据是APP，0X20001000处存放的是栈顶地址，0X20001000 + 4处存放的是中断向量表起始地址，也就是复位中断服务函数的地址，对其进行强制类型转换，然后解引用，得到复位中断服务函数的地址，判断地址是不是在flash范围内

if(((*(vu32*)(FLASH_APP1_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)
//上面将串口缓冲区接收到的数据存到了flash中，FLASH_APP1_ADDR处存放的东西和上面0X20001000存放的东西是一样的

跳转到APP代码解析

typedef  void (*iapfun)(void);				//重命名一个函数指针类型.
iapfun     jump2app;                             //创建一个函数指针jump2app
//跳转到应用程序段
//appxaddr:用户代码起始地址.
void iap_load_app(u32 appxaddr)
{if(((*(vu32*)appxaddr)&0x2FFE0000)==0x20000000)	//检查栈顶地址是否合法.{ jump2app=(iapfun)*(vu32*)(appxaddr+4);		//用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)		MSR_MSP(*(vu32*)appxaddr);					//初始化APP堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)jump2app();									//跳转到APP.}
}		 

检查栈顶地址解析

        STM32的RAM起始地址为0x20000000，上述代码中appxaddr处存放的是栈顶地址，栈顶地址在RAM中，appxaddr+4处存放的是复位中断向量，在FLASH中。

        appxaddr是存放栈顶地址的指针，所以对appxaddr解引用就得到了栈顶地址。由于栈顶地址应该在RAM中，

        1.对于128kRAM的芯片，堆栈地址的空间是0x20000000 - 0x2001FFFF，地址与上0x2FFE0000，就是得到bit17~bit27位，只需判断这些位，如果有1，与的结果就不等于0x20000000，就表示地址不合法，低十七位不需要判断。

        2.对于48KRAM的芯片，堆栈地址空间是0x20000000 - 0x2000BFFF，地址应该与上0x2FFFC000，就是得到bit14~bit27位，只需判断这些位，如果有1，与的结果就不等于0x20000000，就表示地址不合法，低十四位不需要判断。

        3.对于512KRAM的芯片，堆栈地址空间是0x20000000 - 0x2007FFFF，地址应该与上0x2FF80000，就是得到bit19~bit27位，只需判断这些位，如果有1，与的结果就不等于0x20000000，就表示地址不合法，低十九位不需要判断。

        ST32最早的时候内部ram的大小基本在128Kb以内，RAM小于128K的芯片使用0x2FFE0000也基本没问题，就一直在沿用。

APP跳转解析

jump2app=(iapfun)*(vu32*)(appxaddr+4);	
(vu32*)(appxaddr+4)//将复位中断向量地址值强制转化为32位的指针变量
*(vu32*)(appxaddr+4)//取出复位中断向量地址保存的数据=复位中断的中断服务程序入口地址
(iapfun)*(vu32*)(appxaddr+4)//将中断服务程序入口地址再转化成定义的函数指针类型
jump2app=(iapfun)*(vu32*)(appxaddr+4);//中断服务程序入口地址(iapfun类型的函数指针)赋值jump2app（定义的iapfun类型的函数指针其名为jump2app）
MSR_MSP(*(vu32*)appxaddr);		//初始化APP堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)
jump2app();                   //调用函数且jump2app函数的起始地址在上面赋值，可实现PC指针的跳转；