嵌入式开发＜单片机软件升级＞

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前言

   本人从事单片机软件设计工作多年，既从事过裸机系统的设计，也在小型嵌入式实时操作系统下进行过设计。在这些年的开发工作中，对产品设计逐步形成了一定的认识，并进行了较多的总结。因此，一直以来，都想整理这些东西，希望对有需要的人能提供一些帮助或参考。
   在诸多的想法中进行系统的整理其实还是有一定的难度。之前本人已经对一些较普通的驱动进行了整理，并进行了优化，感兴趣的朋友可以前去看看（其中包含完整代码并已经调试通过）。
   其实，在产品设计中涉及到诸多方面，比如产品的信息与参数，产品的调试信息与运行状态数据（甚至形成关键日志），产品的软件升级方法等等。这些东西应该形成一个统一的规范，便于公司及开发同事形成共同的方法，对于设计与维护都会有益。关于产品的信息与参数这方面的内容，我在之前的嵌入式调试工具（串口调试工具与网络调试工具中有详细说明）。
   当然，这些东西太多，肯定不会一股脑的写出来。这次的主题是软件升级，而在这里主要讲的是单片机在线升级，其可用于本地升级也可以用于远程升级。软件升级不仅解决其本身问题，也要解决软件升级安全性等一系列问题。

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一、单片机软件升级方式

   对于这个，从大的原则来讲，应该就是两种方式：ISP升级与IAP升级。
   ISP升级主要完成整个软件从起始地址开始的擦除及写入，并且一般会提供开机的boot模式设置，然后利用官方或第三方的专用软件，执行升级操作。这种方式的缺点显而易见，就是只能在本地且在启动时升级，不能完成远程升级功能。并且，这种升级方式一般提供UART接口，同时与之有相同功能的是使用ST-LINK或JLINK工具进行升级。
   IAP升级属于本文重点需要讲解的一种升级方式。其特点是软件升级发生在应用程序执行过程中，并且在应用中检测到软件升级，然后执行文件接收与写入。这种升级方式可以通过多种接口进行，既可以使用UART接口，也可以使用网口、GPRS网络、无线网络、SD卡、USB等等。其使用的接口其实没有任何限制，只要能与应用程序进行通信即可。
   这里首先作一个说明，凡是你使用的MCU具备IAP功能的，也就是能够在代码里操作FLASH的读写与擦除的，基本都可以做IAP升级功能。另外，有些MCU具有通过寄存器对中断向量进行修改，如ARM M3/M4内核的MCU，还有一些不能通过寄存器修改中断向量，如ARM的M0及一些51 MCU。如此，就有两种设计方法，这里首先对第一种进行说明（大部分都是这类的方式），最后在第六章节中介绍第二种。

二、IAP升级原理

   IAP升级被称为在应用升级，其原理是利用一个区域的BOOT完成对另外一个区域的APP代码写入。要完成一个IAP升级的设计，需要涉及到几个方面，下面依次说明。

1.FLASH区域划分

   要设计IAP升级，首先需要规划FLASH区域的划分，这里提供3种划分方法，分别介绍如下
  1） BOOT区、APP区、存储区
  A. BOOT区是以MCU复位后的地址开始，指定的一片区域，其大小要能完成BOOT代码的存储即可；
  B. APP区则是应用软件运行区域，其代码大小应该是整个FLASH减去BOOT大小后除以2。当然一般不能整除，只需要取整数即可；
  C. 存储区则是除应用软件外剩余的区域；
  2） BOOT区、APP1区、APP2区
  其区域划分与第一种相同，只是APP1与APP2两个区域均可运行应用软件；
  3） BOOT区、APP区
  这里实际上就是没有存储区，以这种方式划分，主要是FLASH大小不够，只能全部分给APP区域；

2. FLASH各个区域作用

  以上区域的划分中，归纳起来则只有3部分，即BOOT区/APP区/存储区，以下分别说明其功能作用。
  1） BOOT区
  在其中存储BOOT代码，主要完成升级文件的接收（可选）、APP区代码擦除、APP区代码写入等操作。并对写入代码进行验证，最后执行APP运行代码的跳入；
  2） APP区域
  在其中存储的是应用程序代码，其执行需要依赖于BOOT程序，并且其执行也由BOOT程序跳入。另外，为了能正确执行代码，在应用开始执行时，应该改写中断向量（ARM MCU除M0内核外）；
  对于此区域被称为APP1以及存储区被称为APP2的情况有些不同。应用层程序应该能识别其所运行的区域，以便在修改中断向量时可以根据自己运行的区域进行修改，否则会出现有一个区域的运行不正常；
  3） 存储区
  这个区域主要用来存储在应用中接收通信传输过来的升级软件代码。并在接收存储完成后，进入BOOT进行升级文件写入APP区；

三、IAP软件BOOT设计

  如何设计BOOT代码呢，这得从BOOT代码的作用说起。原则上来说，软件运行首先进入的是BOOT代码，而BOOT代码要完成两个工作，一个是等待用户升级，另一个是跳转到应用程序中。而如何等待用户升级呢，我见到过有两种设计。

1. 第一种设计方法

  BOOT运行时，检测一个I/O口，如果I/O口符合要求，则跳转到升级代码部分，执行升级功能；否则跳转到APP区域运行应用程序。这种方法，需要人为的去设置I/O口，最为常见的应该就是设置跳冒。这种方法其实无异于ISP，使用IAP设计就是画蛇添足，除非官方没有提供ISP方法，仅能使用ST-LINK或JLINKÿ