基于IAP和网口升级固件
一、 需求引入
现有嵌入式设备：基于ARM Cortex-M3处理器、带以太网通讯功能。
为减少设备维护成本节省宝贵的时间和金钱，须要设计网口升级固件功能。
本文描写叙述了基于IAP和网口升级该嵌入式系统的方法，当中处理器为NXP公司的ARM Cortex-M3，开发环境为IAR Embedded Workbench for ARM。
IAP( In Applicatin Programming)在应用编程，一般指MCU能够通过通信port（UART口、网口等）从外部接收应用程序镜像并烧录到FLASH中实现固件升级。
图1网口升级固件
二、 原理介绍
先温习下小知识：一个典型的嵌入式软件地址空间如图2所看到的。程序代码（RO段）和初始化数据（RW段）都是存储在ROM（常见为FLASH）中，当系统上电执行时，BootLoader程序会把RW段数据从ROM中复制到RAM中（.data），同一时候它会清零未初始化数据段（.bss），设置栈（.stack）和堆（.heap），之后系统就能够正常执行了。
这里会有2个疑问：为什么要拷贝RW段呢？还有BootLoader程序是什么？第一个问题非常简单，既然是RW（Read&Write）数据。那就仅仅能保存在RAM中。由于ROM是无法运行“写数据”的操作。第二个问题非常easy让程序猿忽视。它的实现有2种。一种是由芯片的Boot代码（固化在ROM中）来运行拷贝。还有一种是由编译器自带的代码（如IAR就有__iar_program_start函数）
图2软件地址空间
基于IAP固件升级通常会把软件设计成2部分：BOOT和应用程序，当中BOOT相当于PC机的BIOS负责升级固件和引导应用程序，它对于用户是不可见的；应用代码就是常见的嵌入式软件。这2个软件的存储如图3所看到的：
图3存储地址视图
我们再一起来看看BOOT和APP启动时序。
当系统上电时，它首先从0地址找到中断向量表，取出Reset_Handler中断服务代码，该代码先初始化芯片（如PLL和中断寄存器）。然后调用BootLoader代码执行搬运工作。把存储空间布置成图2右边的“执行地址视图”。之后跳转到用户代码的main()函数，此时BOOT软件启动完毕。
BOOT代码開始检測是否须要升级固件，假设须要就从外部取APP镜像文件并烧录FLASH。最后一步都是启动APP软件。
那么BOOT代码怎样启动APP代码呢？事实上非常easy，由于APP代码它自身包括中断向量表和BootLoader代码。BOOT代码仅仅须要告诉MCU新的中断向量表地址，然后跳转到APP代码区。之后，APP的BootLoader会把自己的RW数据搬运到RAM中，相同也会布置存储空间如图2右边所看到的。终于跳转到APP代码的用户main()函数，这样APP代码完毕了启动。
三、 IAP关键技术
首先，APP代码须要将程序地址重定向，在本例中须要把代码地址重定向到0x0001 0000。为什么要运行如此操作呢？我们看一个实例。如果代码中有调用f1()，如果没有运行重定向。那么f1()可能被链接器分配在0x1234，当PC寄存器导入该地址并解析指令运行时，致命的发生错误了——该地址根本没有f1()代码，由于APP代码是从0x0001 0000開始存储的。
重定向就是告诉链接器，请从0x0001 0000開始定位程序代码，这样在本例中f1()将分配在0x0001 1234。才干正确调用f1()。
在IAR环境下程序空间重定向操作例如以下：打开“Options”->“Linker”->“Config”，点击“Edit”，在弹出的窗体中设置如图4所看到的地址空间。
图4链接器重定向代码地址
然后。BOOT代码在使用外设后，一定要De-Initialize该外设再启动APP代码，即要让APP代码觉得MCU仅仅是刚上电执行，而不是跑完一个系统再调用自己。
假设BOOT代码没有执行该动作。当APP代码执行时，MCU的外设处于不确定状态（尤其是中断未关闭）。可能会带来一些预料不到的错误。
再次，BOOT代码操作FLASH是通过调用IAP函数来实现的（NXP公司的IAP库函数提供Erase()/Write()/Compare()等）。当中写FLASH函数一次操作仅仅能接收256/512/1024/4096字节，假设不足也须要填充。
千万要注意的是调用IAP函数期间中断须要特别处理，一起看看NXP官方的说明文档（原为英文。翻译例如以下）“当IAP函数调用期间，芯片的BootLoader会临时禁止訪问用户ROM空间数据。用户ROM空间被映射到一些配置数据区以便于IAP调用。因此原来的中断向量地址没有包括正确的中断向量。
所以当IAP调用正在处理时假设一个中断发生。该中断将不能被正确对待同一时候MCU的行为是不确定的。在一些情况下，其中断不能被正确处理时MCU将会复位。”
解决该问题有2种方法：假设中断是至关重要的（不论什么时候都不能禁止），那么须要把中断向量表和ISR重定向到SRAM中；另外一个简单的办法是调用IAP函数之前先禁止中断。调用完毕之后再使能中断。在本固件升级中。採用另外一种方法。毕竟短暂地关闭中断对于本设计是能够接受的。
最后，当APP代码被引导执行时。中断向量表不再位于0地址了，在本例中位于0x0001 0000。因此须要将这个新地址告诉MCU，有一专门寄存器VTOR（Vector Table Offset Register）用来存储该地址。
该工作必须由BOOT代码来完毕，由于一旦跳转到APP代码MCU第一件事情就是訪问中断向量表。
千万小心的一个错误是：APP代码不要再对VTOR寄存器进行不论什么操作，否则MCU将由于无法訪问中断向量表而紊乱。（本人就遇到这个错误，APP代码中的汇编文件startup_LPC17xx.s启动时“静悄悄地”调用了NXP库函数SystemInit。该函数会重置VTOR导致APP的中断不能使用。这个错误查了整整一天呀！
）。
四、 网口下载镜像
本部分内容是偏向策略进行设计。因此非常多地方值得商榷，在这里坚持的原则是——简单就是美。
首先，通信帧直接建立在802.3以太网协议上。这样保证简单化。然后，无论镜像文件实际长度，一律向1KB取整，不足则填充0；其次，由于以太网MTU为1518字节，通信帧每次传输1KB镜像文件。再次，嵌入式系统与PC机通讯採用“停等+ACK”机制，即PC机仅仅有接收到第i帧确认后才干传输第i+1帧；最后。为确保镜像文件在传输中不受损。每帧都包括CRC校验码。
图5较好地描写叙述了升级固件时PC与嵌入式设备的通讯逻辑。当设备发出握手帧连续10次无应答后。BOOT代码将直接引导原APP程序启动。即无需升级固件。正常升级固件时。首先有3次握手，接下来是分片传输镜像文件，最后嵌入式设备会回应“升级成功”帧；假设某分片通讯时错误发生，嵌入式设备会回应“错误原因”帧，当重传达到5次仍出错时PC机须要提醒用户。最好还能说明错误原因。
图5升级固件通讯时序
嵌入式设备回应PC的数据帧直接封装字符串，这样做的优点是能够通过截取数据包查明通信内容。而PC机传输给设备的数据帧採用二进制，主要是照应嵌入式系统较弱的计算和存储能力，该二进制通讯帧格式如图6所看到的。
图6二进制通讯帧格式
FLASH通常是由Sector组成的。而且在写操作之前须要擦除该Sector。
本系统中使用的FLASH共30个Sector，前16个均为4KB。后14个为32KB。为了简化设计，将BOOT放置在前16个Sector中。共计64KB。APP镜像放置在后14个32KB的Sector中，共448KB。
这样安排程序依赖例如以下设定：镜像文件起始位置为0x0001 0000。每接收与写入FLASH字节数为1024，当写入FLASH地址为Sector之首时须要擦除该分区，逻辑流程如图7所看到的。
图7分片写镜像文件
附录：源码清单
限于篇幅源码另行打包，位于“上传资源”之中。
作者简单介绍：
蒋俊，男。硕士研究生，现任长沙市锐米通信科技有限公司CEO。
从事通信研究与嵌入式开发10年，主攻微功率无线网络。
精通LoRa无线扩频通信，无线星型/树型/MESH网络设计；
通晓Contiki,Linux,uC/OS-II,OSAL等操作系统。
熟悉ARM,DSP,STM8,PIC,PC104等处理器；
擅长AD，RF等集成IC开发。
Web: www.rimelink.com
EMail: jiangjunjie_2005@126.com
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