STM32F4-IAP学习笔记（一）

啰嗦两句

花了断断续续两天时间在STM32上面写了一个IAP（In Application Programing）Boot,期间多多少少还是遇到的了不少问题。现在就花点时间把这两天写的东西整理一下，就当是学习笔记吧。本人用的芯片是 STM32F4系列，1M的FLASH，192KB的SRAM。

正文

不得不提的启动方式

STM32支持三种启动方式
1. FLASH启动
2. SRAM启动
3. 系统存储器启动

这三种启动顺序决定了上电后第一条指令的位置。如果你选择FLASH启动，则上电复位后PC指针指向第一条指令位置——0x08000000，如果 你选择SRAM启动，则上电复位后PC指针指向第一条指令位置——0X20000000，若你选择系统存储器启动，则上电复位后PC指针指向第一条指令位 置——0X1FFF0000。
为什么会这样呢？接下来我们分析一下STM32F4的存储区地址结构。

上图摘自《Cortex-M3与M4权威指南》。从这里我们可以看出M4内核支持4GB的存储空间，从0X00000000-0X1FFFFFFF 共512MB的空间是Code区，0x20000000-0x3FFFFFFF共512MB的空间是SRAM，其他的我们暂且不分析。我们再来看看 《STM32F4xx Reference manual 》中 关于F4系列的物理内存映射

从上面的物理内存映射图我们可以看出：

0x08000000-0x080FFFFF: FLASH
0x1FFF0000-0x1FFF77FF: System memory
0x20000000-0x2001FFFF: SRAM

其中FLASH大小为1MB, SRAM大小为12KB, System memory大小为30KB。

在这里解释三个问题：

1. 《Cortex-M3&M4权威指南》中讲到“系统上电复位后，从0x00000000处加载第一条指令…..”为什么上面提到的 三种启动方式都是从非0x00000000加载第一条的呢？-这就是“地址映射”的作用了。我们通过boot0&1引脚的配置，可以选择不同的启 动方式，同时将flash或sram的基地址映射到启动空间0x00000000处，这样，加载的第一条指令位置便是我们相应的启动方式对应的存储设备的 地址了。

2. 三种启动方式有何区别？显然，第一点不同就是地址空间不同，导致了三种启动方式启动时代码加载空间随之改变；此外System memory是个真正的ROM，里面固化了厂家出厂时的BootLoader代码，不可重写。FLASH和SRAM则可自己重写程序完成启动，但是由于芯 片特性原因，两者的用途也不一样。FLASH就是我们常说的闪存，具有”掉电不失性”，烧写代码后，代码不会因为掉电而丢失，下次上电启动时仍然可以正常 启动，为常见的启动方式，但是缺点是运行速度较慢；SRAM是“静态随机存储器”，具有“掉电易失性”，属于RAM的一种，那么显然我们不可能将代码长保 存到SRAM中，因为下次上电后仍旧没有代码。这种启动方式常用于程序调试，即上电后下载代码，运行，进行调试，运行速度比FLASH快。

3. 为什么FLASH不是RAM也可以运行程序？FLASH分为两种，一种是Nor FLASH, 一种是Nand FLASH。这两者区别就不一一赘述，网上资料很多，在这里我们只需要明确：Nor FLASH 支持片内执行，Nand FLASH不支持片内执行，而我们使用的STM32F4系列芯片内置的1MB的FLASH属于Nor FLASH，所以便有从FLASH启动这一说法。

解释完这三个问题，我们便可以谈谈IAP了

关于IAP

IAP全称为 In Application Programing，即“应用内编程”，按照我个人的理解就是：我们通常下载到开发板上的程序其实是两部分——BOOT+APP， BOOT代码负责必要的堆栈，中断向量表等初始化，而APP才是我们真正需要的功能代码，而STM32已经有.s启动文件支持，所以我们无需关注BOOT 部分，只需完成相应的功能代码即可，通常无论你代码内有多少功能，但你下载的文件只有一个，即BOOT+APP，且只能通过特定的方式写入到FLASH或 者SRAM内运行。而应用内编程，则打破了这个规则，原则上只要存储空间无限大，我们就可以使用IAP可以下载到FLASH内部无限多个应用程序。

下面我简单的画一下两者的运行机理：

应该不难看出，其实所谓的IAP，就是先写一个APP作为伪BOOT，在系统初始化完成之后，引导系统加载真正的APP程序，使之运行，完成真正的 APP程序的功能。这样我们就可以下载多个APP在不同空间内，只要让引导程序做出相应的跳转工作，便可以实现运行对应APP功能。

讲到这里，我们先来思考下面四个问题：

1. 伪BOOT完成了哪些工作？
2. APP程序是如何下载到开发板上去的，对空间有特殊要求吗？
3. 伪BOOT到APP之间的跳转如何完成？
4. APP程序需要具有哪些功能？

下来我们就来分析分析

刚才已经提到过，伪BOOT其实就是我们平时写的APP程序，为什么我要叫他伪BOOT呢？因为他并不是一个真正的BOOT程序，他也是一个BOOT+APP程序，只不过这个程序在IAP编程中完成的工作很像一个BOOT程序，所以我起了个名字叫做伪BOOT。
我们先来看看一般BOOT程序完成的工作：单片机上电复位之后，程序指针PC指向0x00000000(映射到FLASH的0x08000000或者SRAM的0x20000000处)，这里存放的是用户堆栈栈顶地址，获取到栈顶指针后，程序指针向后偏移4个字节，指向0x00000004（映射到FLASH的0X80000004或者SRAM的0X20000004）,这里存放的是系统中断复位的指针， 然后程序跳转到Reset_Handler执行SystemInit（系统复位）工作，在系统复位中系统关闭了中断，初始化系统时钟等等。然后跳转到 __main进行堆栈初始化，最后跳转到.C文件中的main函数中执行相应的功能。【这里只做概述，过两天有时间了专门写一篇关于STM32启动流程分 析的文章^-^】。

我们可以看到，系统初始化部分是必须的，关键我们要修改的就是最后这一步跳转，如和让程序跳转跳转到我们编写的APP代码中而不是跳到伪BOOT中 的APP程序呢？其实这也是可以的，我们只需要将我们编写的用户APP程序中启动代码删掉，其余代码将伪BOOT中的用户程序代码覆盖掉就可以，但这样好 像失去了IAP的意义。IAP本来就是期望用户“不拆机在线升级”。这样搞岂不是更复杂了？

所以，更常见的做法是：伪BOOT完成系统初始化后，进入APP程序，此时利用APP实现两个功能：

1. 检测是否需要升级某个用户APP

2. 跳转到指定APP运行空间运行

我们可以依靠UART,USB,IIC等一切板上通信外设完成第一个功能。如果需要升级或更新某个APP，则通过某种通信方式将我们编译好的bin 文件发送到单片机上，单片机伪BOOT中的程序接收这些数据并根据需要使用FLASH写操作将这些代码写到指定的FLASH空间（这里我们只讨论 FLASH）。当需要执行某个用户APP程序时，可以在伪BOOT的主程序中修改程序指针PC，使系统跳转到指定用户APP程序所在的FLASH空间，然 后运行，就可以完成跳转到相应的APP程序的功能。

道理很简单。我们编写伪BOOT程序使之有通信，FLASH读写，地址跳转功能就可，在启动启动后，因为程序还运行在伪BOOT 里，我们依靠BOOT程序中的功能，检测是否需要更新用户APP，需要更新则进行数据通信，并将数据通过FLASH操作写入FLASH，然后执行程序跳转 指令，使系统跳转到对应的APP程序空间，就可以执行对应的程序功能。

这里有几个问题需要注意一下：

1. 我们并没有裁减掉用户APPx中的boot代码，所以某种程度来说，烧进FLASH中的至少是两套或两套以上的【boot+app】程序，只不过我们的伪BOOT是为了完成引导，其余的APP都是用户功能程序罢了。

2. 从问题1来看，既然每一个程序都是完整的，如果我们的伪BOOT通过串口接收到我们编译好的完成工程的bin文件，并写入到FLASH中 0x08004000之后，那么0x08004000这个地址里面存放的是什么东西？用户APPx main函数地址？错！应该是用户APPx程序的BOOT代码的第一行，也就是程序代码的用户堆栈栈顶地址，那0x08004004理所当然就是APPx程序的BOOT代码里的系统中断复位指针。

3. 从问题1和2我们可以推断出，由伪BOOT引导后跳转到用户APP程序，系统又进行了一次复位操作，而且和伪BOOT是一模一样的复位操作，但此时有个明显的问题就是，我们的中断向量表多 套，每套中断向量表都对应的是自己APP的中断入口，但是用户程序执行时遇到中断，跳转会跳到哪里去呢？如果我们在用户APP中不加以修改，中断向量表的 偏移量仍旧是以0x08000000为基地址计算得到的，所以任何一个用户APP都会跳转到伪BOOT中的中断向量，造成不可预料错误。但是幸好 STM32提供了中断向量偏移寄存器，我们可以通过修改这个寄存器的值，将每个APP程序的中断向量对应到自己所在空间的正确地址。完成中断操作。

4. FLASH空间是在编译链接后就确定的，所以在你下载程序之前，你的程序地址已经确定，这样我们就需要在keil的配置文件中更改ROM的 地址，使APP程序可以烧写到一个正确的FLASH空间，即不会破坏其他程序空间，又能被正确引导启动，一般来讲，伪BOOT文件大小越小越好，这样可以 为APP程序节留下很多空间。而我个人建议将伪BOOT文件单独放在第一扇区，即0x08000000-0x08003FFF【16KB】，因为程序中在 进行FLASH写操作之前可能需要擦除，但往往擦除会擦除掉一整个扇区，如果对内存理解不到位或者程序编写有误，也会将伪BOOT擦除掉，使引导系统崩 溃。

5. 我们的传输的APP程序一定经过keil编译过的完整的工程形成的二进制——bin文件。因为我们是将文件数据直接发送到开发板上，不经过 特殊的解析，直接写入到FLASH中，所以这就要求我们发送的文件一定是内存中最终存储的二进制文件，而不是hex和axf文件。hex是十六进制文件， 我们打开可以看到一串ASCII码，对应着地址信息和数据，而axf则包含着调试器调试信息，是通过JLINK或者STLINK解析后下载到开发板上的。 至于bin文件的生成，我们可以使用keil自带的fromelf.exe工具。

而APP程序的功能丝毫没有限制，和大家平时写的一模一样。这样，就完成了整个IAP编程。

简单总结一哈

IAP用途很大，比如无线下载，快速升级，远程系统维护等等，这些都是IAP的具体应用，当然还有更多好玩的等你去发现。其实我学习IAP主要是想 玩玩无线下载，因为环境问题整天抱着电脑跑太累了，如果再改一改代码，也可以实现BOOT-APPx之间的任意跳转，可以让下载和引导随心所欲。不过今天 主要还是分享一下IAP编程的思想和一些细节问题，关于具体的编码过程，后面有时间我会在下一篇文章里分享。

对啦，上面都是自己的理解，如果大家发现其中有什么讲的不对的地方，欢迎指正，共同学习~

以上