在以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為代表的信息科技爆炸式發(fā)展的今天，嵌入式產(chǎn)品越來越豐富，并且版本的升級迭代速度非常快。如果需要對軟件代碼進(jìn)行升級，或者生產(chǎn)廠家想要對產(chǎn)品進(jìn)行修改，就必須到現(xiàn)場重新燒寫程序。這樣，從時(shí)間到成本都造成了很大的開銷，非常不靈活。因此遠(yuǎn)程更新MCU的固件就成為解決這一問題的有效手段。本文以STM32F103VET6 為平臺，使用GPRS通信方式和IAP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)MCU固件的遠(yuǎn)程更新。該技術(shù)對于具備GPRS通信的嵌入式產(chǎn)品有很好的幫助，對3G或者4G的嵌入式產(chǎn)品也有借鑒的意義。
1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU使用芯片STM32F103VET6，該處理器是意法半導(dǎo)體（ST）公司發(fā)布的基于CortexM3內(nèi)核的增強(qiáng)型系列處理器，工作頻率最高達(dá)到72 MHz，帶有片內(nèi)RAM、片內(nèi)Flash和豐富的外設(shè)。GPRS模塊的型號是G510。MCU通過串口，使用AT命令與G510模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。USB轉(zhuǎn)串口模塊作為PC與MCU的數(shù)據(jù)交互的有效手段，通過打印數(shù)據(jù)信息就可以知道MCU的工作狀態(tài)。電源模塊產(chǎn)生兩種電壓，包括為MCU和USB模塊供電的3.3 V電壓和為GPRS模塊供電的4.0 V電壓。
2MCU的地址
STM32F103VET6的內(nèi)核是CortexM3，它的存儲(chǔ)系統(tǒng)采用統(tǒng)一尋址方式，程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器和輸入輸出接口被組織在同一個(gè)4 GB的線性地址空間內(nèi)。存儲(chǔ)空間被分成8個(gè)主要塊，每個(gè)塊為512 MB。以STM32F103VET6處理器為例， 圖2為代碼塊和片內(nèi)SRAM的地址映射圖。STM32F103VET6有512 KB的Flash存儲(chǔ)空間，地址從008000000至00807ffff;有64 KB的SRAM，地址從020000000到02000ffff。
通過設(shè)置BOOT［1:0］引腳值為00，使STM32F103 VET6上電后從Flash的008000000地址處開始執(zhí)行代碼。
3IAP技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
3.1IAP技術(shù)原理
在應(yīng)用編程（IAP）技術(shù)是指MCU在執(zhí)行用戶程序的過程中對片內(nèi)Flash 的部分區(qū)域進(jìn)行擦寫，把真正的用戶二進(jìn)制代碼燒寫到Flash中。在這里，IAP的程序要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能： 一是通過GPRS通信接收已經(jīng)編譯鏈接好的二進(jìn)制的應(yīng)用代碼到內(nèi)存；二是將應(yīng)用代碼燒寫到片內(nèi)Flash 中。系統(tǒng)復(fù)位后，MCU首先執(zhí)行IAP和GPRS通信程序，此段代碼必須使用硬件燒寫器，比如Jlink燒寫到MCU中；等待MCU接收并燒寫好真正的功能代碼后，跳轉(zhuǎn)至此段代碼開始執(zhí)行用戶程序。這兩段代碼都是燒寫在片內(nèi)Flash中，必須保證兩段代碼的存放區(qū)域不能重疊，否則會(huì)出現(xiàn)程序覆蓋，將無法正確執(zhí)行用戶程序。通過設(shè)置標(biāo)志位，并且存儲(chǔ)到Flash中，來判斷上電后執(zhí)行的是IAP程序還是用戶程序。
3.2燒寫文件格式
IAP驅(qū)動(dòng)和GPRS通信程序是用MDK編譯器生成的HEX文件，通過JTAG燒寫到STM32F103VET6的Flash中，起始地址是008000000。由于MDK產(chǎn)生的是HEX文件，因此需要使用轉(zhuǎn)換工具將用于通過GPRS通信方式從服務(wù)器端下發(fā)到終端的固件代碼由HEX文件格式轉(zhuǎn)換成BIN文件格式。終端將新的固件代碼寫入到Flash中，起始地址設(shè)為008020000。
3.3軟件實(shí)現(xiàn)
由于要更新的固件的存儲(chǔ)地址是008020000，因此需要調(diào)整新固件的中斷向量表的地址：NVIC＿SetVectorTable(NVIC＿VectTab＿FLASH,008020000)。使用起始地址為00807f800最后一頁Flash存儲(chǔ)字符型變量Update_Flag，該變量的值保存了固件更新的狀態(tài)。當(dāng)Update_Flag等于0時(shí)，代表無應(yīng)用程序，MCU執(zhí)行IAP驅(qū)動(dòng)和GPRS通信程序；當(dāng)Update_Flag等于1時(shí)，代表應(yīng)用程序是已經(jīng)寫入Flash中的有效代碼，則MCU執(zhí)行新的固件程序。系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。
連接的流程圖STM32F103VET6與GPRS模塊的數(shù)據(jù)交互通過串口來完成，終端與服務(wù)器的連接建立的過程如圖4所示。建立連接后，MCU可以發(fā)送報(bào)文A1向服務(wù)器請求新固件。服務(wù)器收到此報(bào)文后，把要發(fā)送的BIN格式的新固件按照表1所示的報(bào)文格式發(fā)送至終端。幀長度是包含從類型到校驗(yàn)位的總長度。這里考慮到G510傳輸每幀數(shù)據(jù)的最長字節(jié)數(shù)和Flash寫操作的方便性，設(shè)定數(shù)據(jù)區(qū)的最大長度為1024 B。服務(wù)器端打開BIN格式的文件，并且按照表1所示的幀格式把數(shù)據(jù)裝載成幀A2，然后發(fā)送。用幀計(jì)數(shù)來避免因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)擁堵等問題造成的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。采用應(yīng)答式的交互方式，終端每次收到一條固件幀，就以正確幀R1或者錯(cuò)誤幀R2回應(yīng)。R1和R2中包含幀計(jì)數(shù)和服務(wù)器端設(shè)置延時(shí)，發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，延時(shí)5 s，在這段時(shí)間內(nèi)，沒有收到回應(yīng)的數(shù)據(jù)則重發(fā)。服務(wù)器發(fā)送完最后一幀固件數(shù)據(jù)，并且收到正確的回答后，再發(fā)送一幀結(jié)束數(shù)據(jù)A3，使終端知道固件已經(jīng)全部發(fā)送完畢。具體的服務(wù)器和終端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D如圖5所示。
先使用JTAG把IAP驅(qū)動(dòng)和GPRS通信的代碼寫入到Flash的起始地址008000000處，然后復(fù)位終端，等待終端與服務(wù)器建立好連接。服務(wù)器使用圖6所示的客戶端界面形成規(guī)范的報(bào)文，然后發(fā)送到終端，實(shí)現(xiàn)終端固件的遠(yuǎn)程更新。
4結(jié)論
通過實(shí)驗(yàn)，用戶代碼被正常執(zhí)行，說明遠(yuǎn)程更新已經(jīng)正常實(shí)現(xiàn)。因此，IAP 技術(shù)為遠(yuǎn)程更新用戶代碼提供了極大的方便，不僅能夠提高產(chǎn)品性能，增強(qiáng)產(chǎn)品的功能，而且大大降低了企業(yè)產(chǎn)品運(yùn)營和維護(hù)的成本，是一門實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，在將來的3G、4G等嵌入式產(chǎn)品中將會(huì)被廣泛地使用。
