孫曉曄1,2,王程2,3,成彬2,3
?。ǎ保仪f開發(fā)區(qū)冀科雙實(shí)科技有限公司，河北 石家莊 050081,；2. 河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所,，河北 石家莊 050081; 3.河北省信息安全認(rèn)證工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081）
摘要：針對(duì)嵌入式產(chǎn)品分布廣,、位置分散,、維護(hù)升級(jí)困難的問題，提出了一種基于TFTP協(xié)議的STM32軟件升級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。該系統(tǒng)主要由STM32F407微控制器,、LAN8720A網(wǎng)卡芯片和外擴(kuò)存儲(chǔ)器W25Q128、IS62WV51216組成,，采用IAP技術(shù)和以太網(wǎng)TFTP協(xié)議來更新無操作系統(tǒng)環(huán)境下STM32微控制器的軟件,。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠保證升級(jí)文件數(shù)據(jù)的正確傳輸和可靠存儲(chǔ),，大大降低了嵌入式系統(tǒng)軟件升級(jí)的難度,，減少了人工維護(hù)的成本。
關(guān)鍵詞：嵌入式微控制器,；在應(yīng)用編程,；以太網(wǎng)；簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議
0引言
隨著嵌入式技術(shù)以及32位嵌入式微處理器的發(fā)展,，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛,，嵌入式產(chǎn)品與人們的生產(chǎn),、生活結(jié)合得越來越緊密。然而,，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不可能一步到位,，尤其是嵌入式軟件，需要不斷修改和完善,。當(dāng)程序出錯(cuò)或用戶需求變更時(shí),，傳統(tǒng)的方法是安排技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)或?qū)⒃O(shè)備回收對(duì)控制器芯片重新編程。這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力,，效率低下［1］,。采用IAP（In-Application Programming）技術(shù)則可以免除拆卸設(shè)備、燒錄MCU（Microcontroller Unit）等繁瑣的過程,。IAP即“在應(yīng)用中編程”,，是指產(chǎn)品發(fā)布后在運(yùn)行過程中通過預(yù)留的通信接口（如USART、I2C,、CAN,、USB、以太網(wǎng)接口等）對(duì)微控制器MCU中的軟件進(jìn)行更新升級(jí),。
支持IAP技術(shù)的首要前提是微控制器必須基于可重復(fù)編程的閃存,。STM32微控制器帶有可編程的內(nèi)置閃存，擁有在數(shù)量上和種類上都非常豐富的外設(shè)通信接口,，因此在STM32上實(shí)現(xiàn)IAP技術(shù)是完全可行的［2］,。本文針對(duì)STM32F407型號(hào)的微控制器,基于TFTP(Trivial File Transfer Protocol)協(xié)議通過網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)IAP，可以大大節(jié)省維護(hù)升級(jí)成本, 更方便快捷［3］,。
1IAP工作原理
在實(shí)現(xiàn)IAP功能時(shí),，MCU內(nèi)部需要有兩塊存儲(chǔ)區(qū)，BOOT區(qū)和常態(tài)存儲(chǔ)區(qū),。MCU上電先運(yùn)行BOOT區(qū)代碼,，檢測(cè)是否需要更新軟件，如果不需要更新,，程序指針跳到常態(tài)存儲(chǔ)區(qū),，開始執(zhí)行放在常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容；如果需要更新,，則先通過外設(shè)通信接口接收新的程序代碼,，對(duì)常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行改寫，然后再跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新寫入的程序［4］,。
相應(yīng)的,，軟件程序代碼也分為兩部分：存放在BOOT區(qū)的BootLoader程序和存放在常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的APP程序。BootLoader程序負(fù)責(zé)通過某種通信方式（如USB,、USART等）接收程序或數(shù)據(jù),，執(zhí)行對(duì)APP程序的更新,。 APP程序才是真正的功能代碼，完成嵌入式系統(tǒng)需要的各種業(yè)務(wù)功能,。 BootLoader程序必須通過JTAG（Joint Test Action Group）編程方式或ISP（InSystem Programming）方式燒入,，APP程序可以和BootLoader程序一起燒入,，也可以通過BootLoader程序的IAP功能燒入,。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件電路主要介紹以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計(jì)。 STM32F407自帶MAC控制器,，只需外接PHY芯片就可以完成以太網(wǎng)通信,。PHY芯片選用LAN8720A，內(nèi)置10BASET/100BASETX全雙工傳輸模塊,，支持10 Mb/s和100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸,。STM32F407采用RMII接口與LAN8720A連接， RMII減少了10/100 Mb/s下微控制器以太網(wǎng)外設(shè)與外部PHY間的引腳數(shù),，僅需10根線連接即可［4］,。RMII和PHY共用的參考時(shí)鐘必須是50 MHz，且必須由外部提供,，如有源晶振或STM32F4的MCO輸出,。這里，LAN8720A外接25 MHz石英晶振,，通過內(nèi)部倍頻到50 MHz,，給STM32F407的RMII提供50 MHz參考時(shí)鐘，輸出參考時(shí)鐘給MAC控制器,，這樣可以降低BOM（Bill of Material）成本［5］,。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中PHY層芯片LAN8720A相當(dāng)于物理層，STM32F407自帶的MAC層相當(dāng)于數(shù)據(jù)鏈路層,，而移植的LWIP提供的就是網(wǎng)絡(luò)層,、傳輸層的功能，應(yīng)用層需要用戶根據(jù)具體功能去實(shí)現(xiàn),，即BootLoader和APP程序,。
STM32F407的內(nèi)部閃存地址起始于0x8000000，一般情況下,， BootLoader代碼就從該地址開始存放,，APP程序存放在Flash中剩余的空間，并且偏移量為0x200的倍數(shù),。
3.1BootLoader程序
BootLoader程序主要完成系統(tǒng)初始化,、TFTP數(shù)據(jù)通信、更新Flash存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)容和執(zhí)行程序的跳轉(zhuǎn)等功能［6］,。其工作流程如圖1所示,。
系統(tǒng)初始化主要完成外部總線控制器的初始化,、堆棧的初始化、定時(shí)器配置和LAN8720A網(wǎng)卡芯片的初始化,、LWIP內(nèi)核初始化等操作,。之后，通過監(jiān)測(cè)外部按鍵,，判斷是否進(jìn)入IAP模式進(jìn)行升級(jí),，若超時(shí)，則跳轉(zhuǎn)到常態(tài)存儲(chǔ)區(qū),，執(zhí)行原來的APP程序［78］,。
升級(jí)過程中文件的傳送采用TFTP協(xié)議。TFTP是一個(gè)工作在UDP頂層的簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議,，基于C/S結(jié)構(gòu),。一個(gè)TFTP客戶端向TFTP服務(wù)器發(fā)起一個(gè)文件傳輸請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求,，文件傳輸開始,。數(shù)據(jù)以固定尺寸（本系統(tǒng)采用512 B）的幀進(jìn)行傳輸。在下一個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸前,，接收方必須對(duì)剛剛收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行回應(yīng),。如果接收到的數(shù)據(jù)幀大小小于指定的數(shù)據(jù)幀大小，說明當(dāng)前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀是最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀,，傳輸結(jié)束,。這里PC機(jī)作為客戶端，嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)TFTP服務(wù)器,，TFTP服務(wù)器響應(yīng)PC TFTP客戶端發(fā)送的寫文件請(qǐng)求,。由于TFTP基于不可靠的UDP協(xié)議, 因此,在程序中添加能夠保證數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)臋C(jī)制來及時(shí)處理數(shù)據(jù)丟失的情況。在接收到每個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行CRC校驗(yàn),，如果有錯(cuò)誤則通知客戶端重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀, 這樣能有效提高程序更新的可靠性,。
3.2APP程序
APP程序的生成需注意以下幾點(diǎn)：
(1)起始地址和存儲(chǔ)空間大小設(shè)置；
(2)中斷向量表偏移量設(shè)置,；
(3)生成.bin文件,，用于IAP更新。MDK開發(fā)工具默認(rèn)生成的文件是.hex,，但利用IAP寫入的程序文件不能是.hex格式,，可利用MDK自帶的格式轉(zhuǎn)換工具fromelf.exe轉(zhuǎn)換成.bin文件。
3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需注意的問題
系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中需注意以下幾點(diǎn):
(1)存儲(chǔ)空間的分配,。Boot區(qū)和常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的大小可以根據(jù)應(yīng)用的具體情況人為分配,，但分配時(shí)盡可能使常態(tài)存儲(chǔ)區(qū)最大化，為以后程序的升級(jí)留出余量。
(2)BootLoader代碼設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔,，避免使用中斷,、復(fù)雜的底層驅(qū)動(dòng)及算法。
(3)BootLoader代碼在使用外設(shè)后,，啟動(dòng)APP代碼之前一定要先初始化該外設(shè),，即要讓APP代碼認(rèn)為MCU只是剛上電運(yùn)行，而不是跑完一個(gè)系統(tǒng)再調(diào)用自己,。如果BootLoader代碼沒有執(zhí)行該動(dòng)作,，當(dāng)APP代碼運(yùn)行時(shí)，MCU的外設(shè)處于不確定狀態(tài)（尤其是中斷未關(guān)閉）,，可能會(huì)帶來一些預(yù)料不到的錯(cuò)誤,。
(4)數(shù)據(jù)通信過程中, 向STM32發(fā)送程序文件時(shí)需考慮STM32對(duì)Flash的寫入速度,，保證每次傳送的數(shù)據(jù)包都能正確寫入,。
(5)傳輸過程中,，升級(jí)文件分段傳送,，可能存在數(shù)據(jù)丟失,、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等現(xiàn)象,。對(duì)每段數(shù)據(jù)編號(hào),，根據(jù)編號(hào)判斷是否有數(shù)據(jù)包丟失,，并增加CRC校驗(yàn),，保證每段數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。對(duì)于錯(cuò)誤或丟失的數(shù)據(jù)包,采取重傳機(jī)制,，提高IAP的成功率［9］,。
4結(jié)論
本文對(duì)基于TFTP協(xié)議的STM32軟件更新進(jìn)行了研究，充分利用以太網(wǎng)的傳輸能力和便捷性,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了IAP升級(jí)系統(tǒng),。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基于TFTP 協(xié)議的STM32軟件遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)能夠保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和存儲(chǔ),，大大降低了對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟件的升級(jí)維護(hù)難度,，應(yīng)用廣泛。
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