STM32固件升级设计——内部FLASH模拟U盘升级固件

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、配置USB

4、配置fatfs文件系统

5、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。

一、功能描述

使用STM32的USB总线和内部FLASH实现USB模拟U盘升级程序。将FLASH分为4个部分，最后的DOWNLOAD区域用作模拟U盘存储固件。
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23K左右，所以使用0x08000000~0x00007FFF，SETTING主要存放升级标志位，使用0x08008000~0x00008FFF，剩下的FLASH将分为两个部分都用来存放代码，APP使用0x08009000~0x080447FF，DOWNLOAD使用0x08044800~0x0807FFFF。（如果想更大化地利用flash，可以不要setting区域，具体看自己如何写了）

区域	起始地址	区域大小	功能
BOOT	0x08000000	0x00008000(32k)	存放BootLoader程序
SETTING	0x08008000	0x00001000(4k)	存放升级标志位/其它掉电不丢失标志位
APP	0x08009000	0x0003B800(238k)	存放产品主程序
DOWNLOAD	0x08044800	0x0003B800(238k)	存放待升级的程序（bin文件）

1、BootLoader部分：

运行程序时首先从SETTING区域读取升级标志位，如果需要升级就进入识别U盘程序，否则就直接跳转到APP。上电长按KEY1并复位，电脑上即可模拟出U盘，识别到U盘后复制固件bin文件到U盘，然后将内置FLASH里的fatfs文件系统的升级文件拷贝到APP起始地址，即可实现升级程序，具体请查看本文源码。

tips：触发模拟U盘功能不一定要按键才能触发，例如上电前插入USB线也可以触发，工程已预留代码，只要注释掉按键代码即可。

2、APP部分：

该部分只需要设置中断向量跳转指针就行，如果想通过串口等下发升级标志位，也可以设置SETTING区域后复位进入BootLoader升级。

二、BootLoader程序制作

需要包含USB Device中的Mass_Strorage和内部FLASH以及fatfs文件系统的驱动代码。（这部分是需要仔细研究做好的，我是根据正点原子和野火的教程移植的，具体流程不做了）

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)0x8000000)
#define FLASH_END_ADDR              ((uint32_t)(0x8000000 + FLASH_SECTOR_NUM * FLASH_SECTOR_SIZE))#define BOOT_SECTOR_ADDR            0x08000000      // BOOT sector start address
#define BOOT_SECTOR_SIZE            0x8000
#define SETTING_SECTOR_ADDR         0x08008000      // APP设置的boot升级标志位
#define SETTING_SECTOR_SIZE         0x1000
#define APP_SECTOR_ADDR             0x08009000      // APP sector start address 
#define APP_SECTOR_SIZE             0x3B800
#define DOWNLOAD_SECTOR_ADDR        0x08044800      // Download sector start address
#define DOWNLOAD_SECTOR_SIZE        0x3B800         // Download sector size #define APP_ERASE_SECTORS           (APP_SECTOR_SIZE / FLASH_SECTOR_SIZE) typedef enum {NONE = 0,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
}Update_Process;      //更新状态

2、主函数

这部分包含了升级的所有状态，主要思路是判断firmware.bin文件是否存在，存在就执行升级。该框架可以说对比上一篇文章是完全不变的，具体看代码。

Update_Process bootupdate_process;void devflash_update(void) 
{u8 file_buffer[1024]={0};   uint32_t flash_addr = APP_SECTOR_ADDR;unsigned long total_bytes_read = 0;UINT bytes_read;fres=f_mount(&fs,"2:",1); 				//挂载FLASH.	if(fres==FR_OK)//FLASH磁盘,FAT文件系统正常{printf("Flash disk OK!\r\n");}// 判断flash根目录下是否有firmware.bin文件fres = f_stat("2:/firmware.bin", &fno);if(fres == FR_OK){printf("2:/firmware.bin”文件信息：\n");printf("》文件大小: %ld(字节)\n", fno.fsize);iap_flash_erase(flash_addr, (fno.fsize/FLASH_SECTOR_SIZE)+1);}else{printf("firmware.bin not found!\r\n");}if(fres == FR_OK) {// 文件存在printf("firmware.bin found, size: %lu bytes\r\n", fno.fsize);printf("开始更新固件...\r\n");// 打开固件文件fres = f_open(&firmware_file, "2:/firmware.bin", FA_READ);if(fres == FR_OK) {// 循环读取文件内容while (total_bytes_read < fno.fsize){// 读取数据块到缓冲区fres = f_read(&firmware_file, file_buffer, 1024, &bytes_read);if (fres != FR_OK || bytes_read == 0){// 读取出错或到达文件末尾printf("读取文件失败或文件已结束，错误码: %d\r\n", fres);break;}// 写入到FLASHprintf("正在写入地址 0x%08X，大小: %u 字节\r\n", flash_addr, bytes_read);iap_write_appbin(flash_addr, file_buffer, bytes_read);// 更新计数器和地址total_bytes_read += bytes_read;flash_addr += bytes_read;// 显示进度printf("更新进度: %lu/%lu bytes\r\n", total_bytes_read, fno.fsize);}// 关闭文件f_close(&firmware_file);if (total_bytes_read == fno.fsize) {printf("固件更新完成! 共写入 %lu 字节\r\n", total_bytes_read);//固件更新完成后删除firmware.bin文件fres = f_unlink("2:/firmware.bin");if (fres == FR_OK) {printf("firmware.bin文件删除成功\r\n");} else {printf("删除firmware.bin文件失败，错误码: %d\r\n", fres);}} else {printf("固件更新未完成! 已写入 %lu/%lu 字节\r\n", total_bytes_read, fno.fsize);}}}	else {// 文件不存在printf("firmware.bin not found!\r\n");}
}
static void iap_process(void)
{uint8_t offline_cnt=0;uint8_t tct=0;uint8_t USB_STA;uint8_t Device_STA; // 定义最大重试次数和每次等待间隔const uint8_t max_retries = 5;const uint8_t wait_interval_ms = 100;uint8_t retry_count = 0;switch (bootupdate_process) {case NONE:break;case START_PROGRAM:spiflash_update();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:MAL_Init(0);Max_Lun=0;	USB_Interrupts_Config();/*设置USB时钟为48M*/Set_USBClock();USB_Init();
//			while (bDeviceState != CONFIGURED);	 //等待配置完成// 等待配置完成，最多重试 5 次while (bDeviceState != CONFIGURED && retry_count < max_retries) {delay_ms(wait_interval_ms);retry_count++;}// 若 5 次后仍未配置完成，进入 START_PROGRAM 状态if (bDeviceState != CONFIGURED) {printf("USB 配置失败，尝试 5 次后退出，进入 START_PROGRAM 状态。\r\n");bootupdate_process = START_PROGRAM;return;}while(1){delay_ms(1);if(USB_STA!=USB_STATUS_REG)//状态改变了 {if(USB_STATUS_REG&0x01)//正在写{printf("USB Writing...\r\n");//提示USB正在写入数据	 }if(USB_STATUS_REG&0x02)//正在读{printf("USB Reading...\r\n");//提示USB正在读出数据  		 }		if(USBD_User_App() == FR_OK)  //检测到有对应的bin文件{bootupdate_process=UPDATE_SUCCESS;delay_ms(500);break;}if(USB_STATUS_REG&0x04)printf("USB Write Err\r\n");//提示写入错误	  if(USB_STATUS_REG&0x08)printf("USB Read Err\r\n");//提示读出错误 USB_STA=USB_STATUS_REG;//记录最后的状态}if(Device_STA!=bDeviceState) {if(bDeviceState==CONFIGURED){LED1_ON;//提示USB连接已经建立}else {LED1_OFF;//提示USB被拔出了}Device_STA=bDeviceState;}tct++;if(tct==200){tct=0;LED1_TOGGLE;//提示系统在运行if(USB_STATUS_REG&0x10){LED1_ON;offline_cnt=0;//USB连接了,则清除offline计数器bDeviceState=CONFIGURED;}else//没有得到轮询 {LED1_OFF;offline_cnt++;  if(offline_cnt>10)bDeviceState=UNCONNECTED;//2s内没收到在线标记,代表USB被拔出了}USB_STATUS_REG=0;}}break;case UPDATE_SUCCESS:bootupdate_process=START_PROGRAM;write_setting_boot_state(bootupdate_process);NVIC_SystemReset();break;default:break;}
}int main(void)
{USART_Config();LED_GPIO_Config();printf("\r\n 使用指南者底板时 左上角排针位置 不要将PC0盖有跳帽 防止影响PC0做SPIFLASH片选脚 \r\n");bootupdate_process=(Update_Process)read_setting_boot_state();if(Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == 1){bootupdate_process=UPDATE_PROGRAM;}while (1){iap_process();}
}

3、配置USB

这部分根据野火代码移植而来，usb硬件配置自己看代码理解就好，一般没什么问题，根据上面的分区，读写内部FLASH时需要偏移0x08044800。U盘底层读写函数需要特别注意，如果U盘出bug，大概率是以下几个函数有误。

tips：在写函数时不能全部擦除一个扇区，需要把不需要更改的数重新写上，我就是一直卡在这一步，自己每次都是擦除一个扇区，再写一个扇区，然后永远都格式化不了U盘，但是我换到N32的硬件环境上又能格式化U盘，使用正点原子的STMFLASH_Write和STMFLASH_Read就没问题了，这问题就。。。以后有时间再解决了。

uint16_t MAL_Write(uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Writebuff, uint16_t Transfer_Length)
{switch (lun)		//这里,根据lun的值确定所要操作的磁盘{case 0:		 	//磁盘0为 DEV FLASH盘	STMFLASH_Write(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + Memory_Offset,(u16*)Writebuff,Transfer_Length/2);break; case 1:			//磁盘1为SD卡		  
//			STA=SD_WriteDisk((u8*)Writebuff, Memory_Offset>>9, Transfer_Length>>9);   		  break;default:return MAL_FAIL;}return MAL_OK; 
}uint16_t MAL_Read(uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Readbuff, uint16_t Transfer_Length)
{switch (lun)		//这里,根据lun的值确定所要操作的磁盘{case 0:			//磁盘0为 DEV FLASH盘 STMFLASH_Read(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + Memory_Offset,(u16*)Readbuff,Transfer_Length/2);break;	  case 1:			//磁盘1为SD卡		    
//			STA=SD_ReadDisk((u8*)Readbuff, Memory_Offset>>9, Transfer_Length>>9);	   break;default:return MAL_FAIL;}return MAL_OK;
}uint16_t MAL_GetStatus (uint8_t lun)
{switch(lun){case 0:Mass_Block_Size[0] =0x400;			//设置FLASH的操作扇区大小为1024Mass_Block_Count[0]=DOWNLOAD_SECTOR_SIZE/0x400;   //238Mass_Memory_Size[0]=DOWNLOAD_SECTOR_SIZE;	//总字节												  return MAL_OK;case 1:											  return MAL_OK;default:return MAL_FAIL;} 
}

4、配置fatfs文件系统

这部分也是根据野火代码移植而来，新增了一个卷标2，需要特别注意扇区大小和数量需要和USB配置的一样。

#define SD_CARD	 0  //SD卡,卷标为0
#define EX_FLASH 1	//外部flash,卷标为1
#define DEV_FLASH 2 //内部flash,卷标为2//读扇区
DRESULT disk_read (BYTE pdrv,		/* Physical drive nmuber to identify the drive */BYTE *buff,		/* Data buffer to store read data */DWORD sector,	/* Sector address in LBA */UINT count		/* Number of sectors to read */
)
{DRESULT status = RES_PARERR;  	 switch(pdrv){case SD_CARD://SD卡break;case EX_FLASH://外部flashbreak;case DEV_FLASH: for(;count>0;count--){			STMFLASH_Read(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + sector*1024,(u16*)buff,1024/2);sector++;buff+=1024;}status = RES_OK;break;default:status = RES_PARERR; }return status;
}
//写扇区
DRESULT disk_write (BYTE pdrv,			/* Physical drive nmuber to identify the drive */const BYTE *buff,	/* Data to be written */DWORD sector,		/* Sector address in LBA */UINT count			/* Number of sectors to write */
)
{uint32_t write_addr;  DRESULT status = RES_PARERR;if (!count) {return RES_PARERR;		/* Check parameter */}switch(pdrv){case SD_CARD://SD卡break;case EX_FLASH://外部flashbreak;case DEV_FLASH: for(;count>0;count--)//写函数不能全部擦除一个扇区，需要把不需要更改的数重新写上{			STMFLASH_Write(DOWNLOAD_SECTOR_ADDR + sector*1024,(u16*)buff,1024/2);								    sector++;buff+=1024;}status = RES_OK;break;default:status = RES_PARERR; }return status;
}
//其他表参数的获得
DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv,		/* Physical drive nmuber (0..) */BYTE cmd,		/* Control code */void *buff		/* Buffer to send/receive control data */
)
{DRESULT status = RES_PARERR;switch (pdrv) {case SD_CARD:	/* SD CARD */status = RES_OK;break;case EX_FLASH:break;case DEV_FLASH: switch(cmd){case CTRL_SYNC:		status = RES_OK; break;	 /* 扇区大小  */case GET_SECTOR_SIZE:*(WORD*)buff = 1024;status = RES_OK;break;	 /* 同时擦除扇区个数 */case GET_BLOCK_SIZE:*(DWORD*)buff = 1;status = RES_OK;break;	 /* 扇区数量：119*2*1024/1024=238(KB) */case GET_SECTOR_COUNT:*(DWORD*)buff =119*2;status = RES_OK;break;default:status = RES_PARERR;break;}break;default:status = RES_PARERR;}	return status;
}

5、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(u32 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

这部分设置一下flash的偏移量就行。

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x9000);

四、工程配置（默认KEIL5）

BootLoader部分：0x08000000~0x08007FFF

APP部分：0x08009000~0x080447FF

五、运行测试

长按KEY1点击复位（断电重启）可以看到识别到U盘(H:)，大小也正常，然后往里面复制一个固件firmware.bin（注意这里的固件名一定要是唯一的，不然程序识别不到），复制进去就会执行升级程序，可以看到打印信息显示固件更新成功，本文和上一篇文章不同的是每次都按照一个扇区1024byte来写和擦除。