stm32L0无用户bootloader实现IAP

DK45

什么是IAP

IAP-in application programming,就是在应用中编程的意思，在产品发布以后，不管是增加功能啊，或者对bug修复啊，都可以对原来固件进行更新升级。

传统IAP思路

基于stm32做的iap大多数的思路都是先设计一个bootloader，如果需要升级呢就跳转到bootloader用来更新后面的应用程序。应用程序的空闲呢可以是一个或者两个。如下图所示，两个app肯定就要限定每个app的大小，但是它相比一个app空间会更安全，因为它随时都会存在一个可以工作的app。

这种方式用的比较多，但是也会存在一些问题：

• 需要维护bootloader和app两套代码
• bootloader无法更新，所以要确保bootloader完全没有bug
• 像单APP空间如果更新失败了，那么只能停留在bootloader区域

双bank IAP原理

而stm32L0系列呢（部分型号）提供了一套双BANK机制可以用来做双存储区在线升级。基于该双bank方式就可以抛弃bootloader，维护起来更方便。不过要理解双bank还是稍微有那么一点复杂，好的结果是用来却很方便。

我们先从宏观上理解一下双bank的原理：

如图所示，它的flash被平均分为两块，一块儿为bank1，一块儿为bank2。当在bank1中运行app时就可以把新更新的固件写入到bank2，写完以后就切换到从bank2启动运行新的app。如果当前在bank2运行就把新固件写入bank1，写完以后切换从bank1启动。

原理就是这样很简单，但是这里面有个关键的问题点，在没有bootloader的情况下如何实现从bank1或者bank2启动。这就是stm32L071cb自带的一个主要特性（其他型号是否有请自查手册，目前只有stm32L0、stm32L4、stm32G4中的某些型号有这个特性）。下面以stm32L071cb为例来分析如何实现切换。

首先出场的是UFB。what is UFB?

这是存在于SYSCFG寄存器中的一个位，它有两个值：0或者1，功能是：

• 0：FLASH bank1 被映射在0x8000000地址上
• 1：FLASH bank2 被映射在0x8000000地址上

用过stm32的同学可能思维里面有一个固定的概念：stm32的flash都是从0x8000000开始的。换句话说，我从0x8000000读取出来的数据肯定都是同一片flash区域。然而，在stm32L071CB上面并不是。你从0x8000000读出来一个数据可能是BANK1开头的数据也可能是BANK2开头的数据。到底是哪个取决于UFB这个位当前的值是0还是1。

这个UFB先记住，等待后面综合起来理解。

双BANK启动能力

这个可能一下抖出来的内容有点多，请打起精神。

这又要从ARM的启动方式说起了，可以看我上一篇文章有详细的总结：STM32在线升级中断向量重定向深度剖析。要记住关键的一点就是ARM是从0x00000000取的第一条指令。而STM32正常情况下之所以从用户flash开始运行，是因为用户flash被映射到了0x00000000地址上。0x8000000和0x00000000都能访问到flash同一个区域，所以才让看起来貌似是从0x8000000运行起来的一样。

当从bank1启动时，实际上就是普通的启动模式。上电后用户flash最底部（BANK1区域）被映射到0x00000000地址，然后CPU直接从这里取指令开始执行。

那重点就是从BANK2启动的流程是怎样的，这里要给大家再介绍个新的配置选项：BFB2，存在于option bytes里面的一个位。这个位呢就可以用来选择从bank2启动。因为在option bytes里面，所以掉电是不会丢失的。

当boot0=0的时候，stm32默认就会从用户flash启动。也就是用户flash被映射到0x0地址。但是当boot0=0并且BFB2=1的时候，系统flash会被映射到0x0地址，系统flash也就是stm32内置的bootloader。

这时候进内置bootloader以后呢就会去检查BANK2有没有有效代码（当在bank的第一个数据所指向的地址是有效的（指向栈顶地址），则认为代码就是有效的），如果有就会把UFB设置为1（UFB前面介绍过，忘了往上翻再看一遍），bank2被映射到0x8000000地址，然后跳转到BANK2开始运行。所以从BANK2启动和从BANK1启动是不一样的，也比从bank1启动流程复杂一些。bank2启动流程如下：

所以我这里画了一张stm32L071cb上电到从bank1或者bank2开始运行的流程图：

双BANK升级中的中断向量表该怎么办

从bank1启动时的中断向量表

仔细再看上面的流程图，如果从bank1启动，bank1是被映射到0x0地址的，而ARM内核默认也是从0x0处读取中断向量表。所以不用做任何设置都可以正常的运行。

从bank2启动时的中断向量表

但是从BANK2启动就没那么简单了，假如BFB2=1时，CPU并不是直接跳转到bank2运行，而是先进入了系统flash区域（内置bootloader）。这时候实际上是stm32内置bootloader被映射到了0x0地址。之后流程只是把bank2映射到了0x8000000，然后就从BANK2启动了。

这样如果不管中断向量表位置会产生什么现象呢？当中断发生了，ARM内核会跳转到0x0地址处（跳回了内置bootloader）找到中断向量。那这样程序岂不乱套了，我们自己编写的中断服务函数将永远不会被执行到。

所以进入到BANK2以后一定要做中断向量表的重定位。这里我列出来三种是被我在stm32L071cb上面验证过的思路：（关于更多如何定位中断向量表还是看我上一篇文章：STM32在线升级中断向量重定向深度剖析）

1. 从bank2启动以后就修改VTOR为0x8000000
2. 从bank2启动以后修改MEM_MODE，重新把用户flash定位到0x0地址
3. 从bank2启动以后把flash中中断向量表拷贝到RAM中，并修改VTOR重定位中断向量到RAM区

最终我觉得最简单的是第一种，就是上电以后就修改VTOR到0x8000000。当然还有另一个好处就是不管从bank1或者bank2启动都可以执行这一条。虽然对bank1启动来说这个设置不是必须的，但是执行了也无害。这样就能做到bank1和bank2的app代码处理流程尽量统一。

另外还有就是实际上如果你使用的是STM32 HAL库，在SystemInit(）中实际上已经帮我们重新设置VTOR到0x8000000。所以我们就无需再次添加修改VTOR的代码了。

双bank切换的方法

对于IAP把代码新固件写到另一片bank之后，就要切换到从另一个bank启动。尽管前面流程原理有点复杂，但是实现它的也比较简单，主要执行以下步骤：

• 先检查BFB2位确定当前处于哪个bank
• 如果在BANK1就设置BFB2=1,如过在BANK2就设置BFB2=0
• 执行HAL_FLASH_OB_Launch()。执行完该步骤以后系统会自动复位

从BANK2启动时无法响应中断

后来经过各方排查，定位到ARM内核的一个寄存器：PRIMASK。这个寄存器从stm32参考手册上是查不到的，如果了解详情可以去看arm-cortex M0+编程手册。

在切换到从bank2启动以后，中断向量表偏移我也重新设置，但是还是出现了中断无法响应的问题。systick中断进不去，这样就导致HAL库运行会一直等待systick计时时间到的地方。

说这个寄存器你可能不熟悉，但是__enable_irq()和__disable_irq()实际上操作的就是这个寄存器的值。默认这个值是0，是不屏蔽任何中断的。但是从bank2启动时候发现这个值变成了1。这样就能解释为什么中断进不去了，它为1的时候除了不可屏蔽中断，其他的中断都一律屏蔽不响应。

而为什么从bank2启动才变成1，从bank1启动就正常。再看下前面bank2启动的流程是先从内部bootloader跳转过来的，所以肯定是内部bootloader把PRIMASK给配置成1了。

所以最终解决起来就简单了，就是从bank2启动以后，就调用一条__enable_irq()重新修改PRIMASK值变成0就可以了。