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STM32固件升级设计——串口IAP升级（基于YMODEM协议）

news 2025/7/8 13:07:49

一、功能描述

1、BootLoader部分：

2、APP部分：

二、BootLoader程序制作

1、分区定义

2、主函数

3、YMODEM协议的实现

4、程序跳转

三、APP程序制作

四、工程配置（默认KEIL5）

五、运行测试

结束语

概述

IAP（In Application Programming）即在应用中编程，允许在应用程序运行时更新或切换固件。STM32通过修改MSP（主堆栈指针）和PC（程序计数器）实现从不同地址启动，包括Flash或RAM地址。默认情况下，嵌入式程序以连续二进制形式烧录到STM32的可寻址Flash区域。若Flash容量足够存储多个完整程序，每个程序独立且完整，上电后可通过修改MSP值选择不同程序入口，从而实现多固件切换或升级。

BootLoader（引导加载程序）是嵌入式系统或计算机启动时运行的一段小型程序，负责初始化硬件、加载操作系统内核并将其控制权移交。它是系统从关机状态到操作系统完全运行之间的桥梁。

所以，固件升级的基本思路是将stm32的flash划分为若干个区域，其中包括BootLoader区域和APP区等，将各自的程序写到对应的flash区域里，本文将采用YMODEM协议来接收固件，只重实践不讲原理。

一、功能描述

使用STM32的串口总线和Ymodem协议实现串口IAP升级程序。将FLASH分为3个部分。
分区介绍：
本文使用stm32f103vet6，flash是512k，sector是1k，BootLoader整个代码编译下来有11K左右，所以使用0x08000000~0x00002FFF，SETTING主要存放升级标志位，使用0x08003000~0x00003FFF，剩下的FLASH将分为两个部分都用来存放代码，APP使用0x08004000~0x0807C000。（我这里已经极致压缩FLASH了，如果大家要移植的话，肯定要修改各个区域大小的）

区域	起始地址	区域大小	功能
BOOT	0x08000000	0x00003000(12k)	存放BootLoader程序
SETTING	0x08003000	0x00001000(4k)	存放升级标志位/其它掉电不丢失标志位
APP	0x08004000	0x0007C000(496k)	存放产品主程序

tips：选择以上分区方式的好处是在上电瞬间可以触发升级，在进入主程序运行期间也可以触发升级，这样就算升级了错误的程序，只要复位了再次进行升级就行，就不会导致变砖了。如果选择在主程序执行接收升级文件步骤，那如果程序有误，就很大概率会变砖，当然也有办法，那就是加校验或者将bin文件加密，这部分就不做了。

1、BootLoader部分：

运行程序时首先从SETTING区域读取升级标志位，如果需要升级就一直用串口发送字符C（Ymodem协议的一部分），否则就直接跳转到APP。
上电长按KEY1并复位，直接设置升级标志位进入升级，一直发送字符C，用xshell来发送升级bin文件。先将APP区域的程序全部擦除掉，然后xshell会按照Ymodem协议发送128或1024字节给MCU，MCU分别写入到APP区域内后复位即可实现升级程序，具体请查看本文源码。

2、APP部分：

该部分需要在程序起始设置中断向量跳转指针，为了符合需求我用串口接收到‘1’就会设置程序更新标志位，复位后进入BootLoader升级。（大家也可以设置一个串口命令或者其它触发方式，只要能写更新标志位和复位就行）

二、BootLoader程序制作

主要包含了YMODEM协议的驱动代码。

1、分区定义

#define FLASH_SECTOR_SIZE       1024   //MCU sector size
#define FLASH_SECTOR_NUM        512    // 512k
#define FLASH_START_ADDR        ((uint32_t)0x08000000)
#define FLASH_END_ADDR          ((uint32_t)(0x08000000 + FLASH_SECTOR_NUM * FLASH_SECTOR_SIZE))#define BOOT_SECTOR_ADDR            0x08000000      // BOOT sector start address
#define BOOT_SECTOR_SIZE            0x3000
#define SETTING_SECTOR_ADDR         0x08003000      // APP设置的boot升级标志位
#define SETTING_SECTOR_SIZE         0x1000
#define APP_SECTOR_ADDR             0x08004000      // APP sector start address 
#define APP_SECTOR_SIZE             0x7C000         // APP sector size 
#define APP_ERASE_SECTORS        (APP_SECTOR_SIZE / FLASH_SECTOR_SIZE)   //507904/1024=496#define SETTING_BOOT_STATE      0x08003000
#define START_PROGRAM_STATE     2
#define UPDATE_PROGRAM_STATE    3
#define UPDATE_SUCCESS_STATE    4typedef enum {NONE = 0,BUSY,START_PROGRAM,    //进入APP主程序或者有更新就执行更新UPDATE_PROGRAM,   //进入更新UPDATE_SUCCESS    //更新成功写标志位
}process_status;      //更新状态

2、主函数

这部分包含了升级的所有状态，该框架可以说对比上一篇文章是完全不变的，在UPDATE_PROGRAM需要一直发送字符C来请求数据，具体看代码。

static void iap_process(void)
{process_status process;process = get_boot_state();switch (process) {case NONE:break;case START_PROGRAM:printf("start app...\r\n");delay_ms(50);if ((((*(vu32*)(APP_SECTOR_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)&&(!iap_load_app(APP_SECTOR_ADDR))) {printf("no program\r\n");delay_ms(1000);}printf("start app failed\r\n");break;case UPDATE_PROGRAM:ymodem_c();LED1_TOGGLE;delay_ms(1000);break;case UPDATE_SUCCESS:write_setting_boot_state(START_PROGRAM_STATE);NVIC_SystemReset();break;default:break;}
}int main(void)
{LED_GPIO_Config();ymodem_init();Key_GPIO_Config();printf("jin ru boot\r\n");set_boot_state(read_setting_boot_state());if(Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == 1){set_boot_state(UPDATE_PROGRAM);}while(1){iap_process();}
}

3、YMODEM协议的实现

接收固件按帧来接收的，默认使用1024个字节每帧接收，起始帧和结束帧（YMODEM_SOH）都不传输数据，数据帧（YMODEM_STX）以1024个字节接收固件，所以只需要接收YMODEM_STX，至于串口收发、队列和定时器的配置就不说了，只可以意会不可言传，反正根据YMODEM协议发完一帧需要MCU给应答才会发第二帧。

推荐以下两篇文章学习YMODEM协议

Ymodem协议详解-CSDN博客

Ymodem文件传输协议_ymodem协议-CSDN博客

#define YMODEM_SOH		0x01  // start of 128
#define YMODEM_STX		0x02  // start of 1024
#define YMODEM_EOT		0x04  // end of transmission
#define YMODEM_ACK		0x06  // positive acknowledge
#define YMODEM_NAK		0x15  // negative acknowledge
#define YMODEM_CA		0x18  // cancel终止
#define YMODEM_C		0x43  // control character 'C'
#define YMODEM_END      0x4F  // control character 'O'关闭传输
void ymodem_ack(void) 
{uint8_t buf;buf = YMODEM_ACK;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}void ymodem_nack(void) 
{uint8_t buf;buf = YMODEM_NAK;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}void ymodem_c(void) 
{uint8_t buf;buf = YMODEM_C;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}void ymodem_end(void)
{uint8_t buf;buf = YMODEM_END;Usart_Send_Data(&buf, 1);
}void ymodem_start(ymodem_callback cb) 
{if (ymodem.status == 0) {ymodem.cb = cb;}
}void ymodem_recv(download_buf_t *p) 
{uint8_t type = p->data[0];switch (ymodem.status) {case 0:if (type == YMODEM_SOH) {ymodem.process = BUSY;ymodem.addr = APP_SECTOR_ADDR;mcu_flash_erase(ymodem.addr, APP_ERASE_SECTORS);ymodem_ack();ymodem_c();ymodem.status++;}break;case 1:if (type == YMODEM_SOH || type == YMODEM_STX) {if (type == YMODEM_SOH)//起始帧、结束帧这里可以不操作flash{mcu_flash_write(ymodem.addr, &p->data[3], 128);ymodem.addr += 128;}else {mcu_flash_write(ymodem.addr, &p->data[3], 1024);ymodem.addr += 1024;}ymodem_ack();}else if (type == YMODEM_EOT) {ymodem_nack();ymodem.status++;}else {ymodem.status = 0;}break;case 2:if (type == YMODEM_EOT) {ymodem_ack();ymodem_c();ymodem.status++;}break;case 3:if (type == YMODEM_SOH) {ymodem_ack();ymodem_end();ymodem.status = 0;ymodem.process = UPDATE_SUCCESS;}}p->len = 0;
}

4、程序跳转

跳转这部分网上也很多，基本没什么区别，关于中断可能要注意一下，可能跳转之前，某些外设中断是开启的，跳转之后，中断产生了，但是APP代码中没有处理对应该中断的中断处理函数，所以就可能会直接死机。

tips：本文的开发环境只有64k ram，所以需要特别注意这里，虽然bootloader的ram不太可能会超。

if (((*(__IO uint32_t*)appxaddr) & 0x2FFF0000 ) == 0x20000000)

详细参考以下文章：

关于STM32单片机IAP升级中if(((*(__IO uint32_t*)ulAddr_App) & 0x2FFE0000) == 0x20000000)语句的理解-CSDN博客

uint8_t iap_load_app(uint32_t appxaddr)
{uint8_t i;uint32_t jump_addr;if (((*(__IO uint32_t*)appxaddr) & 0x2FFF0000 ) == 0x20000000) {  jump_addr = *(__IO uint32_t*) (appxaddr + 4);  jump2app = (iapfun)jump_addr;  /* 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;}	__set_MSP(*(__IO uint32_t*)appxaddr);  jump2app();return 1;}return 0;
}

三、APP程序制作

这部分需要设置一下flash的偏移量，为了满足需求，还需要在串口中断函数添加触发更新标志位。

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x4000);

// 串口中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void)
{uint8_t ucTemp;if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_RXNE)!=RESET){		ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);USART_SendData(DEBUG_USARTx,ucTemp);  if(ucTemp=='1'){write_setting_boot_state(UPDATE_PROGRAM_STATE);NVIC_SystemReset();}}	 
}