來(lái)源：納芯微電子

設(shè)備固件升級(jí)需拆回原廠、依賴 J-LINK 等仿真器燒錄?這一痛點(diǎn)可通過(guò) IAP(In-Application Programming)升級(jí)方案徹底解決。本系列文章將以納芯微NSSine系列實(shí)時(shí)控制MCU/DSP芯片NS800RT5039為載體，通過(guò)《理論篇》與《實(shí)戰(zhàn)篇》的結(jié)構(gòu)化講解，深度拆解“UART-Raw”協(xié)議下的IAP升級(jí)實(shí)現(xiàn)邏輯。內(nèi)容覆蓋全流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)：從固件分區(qū)設(shè)計(jì)(Bootload區(qū)+APP區(qū))的基礎(chǔ)規(guī)劃，到UART模塊驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、sct分散加載文件配置;從Jump跳轉(zhuǎn)核心操作的原理剖析，到內(nèi)部Flash擦寫(xiě)功能的代碼落地，全程配套清晰流程圖與可復(fù)用的代碼清單，既為工程師提供扎實(shí)的理論指導(dǎo)，也助力快速完成設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)固件升級(jí)，真正告別“拆機(jī)返廠”的低效模式。

IAP技術(shù)原理：告別返廠燒錄的核心邏輯

經(jīng)典的 IAP 方案采用 Bootloader（引導(dǎo)程序）+ App（應(yīng)用程序）的雙分區(qū)架構(gòu)，Bootloader 負(fù)責(zé)燒錄固件、通訊等功能；App 是實(shí)際的應(yīng)用業(yè)務(wù)程序，也就是被升級(jí)的對(duì)象。雙分區(qū)運(yùn)行流程如下圖所示：

圖1 IAP方案流程

通常，帶主控芯片的設(shè)備出廠時(shí)，應(yīng)用代碼會(huì)通過(guò) J-LINK 等仿真器燒錄至主控芯片。傳統(tǒng)設(shè)備固件升級(jí)需將設(shè)備返廠，通過(guò) J-LINK、CMSIS-DAP 等仿真器重新燒錄代碼，效率低、成本高。使用 IAP 技術(shù)可以在設(shè)備實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中通過(guò)通信接口即可實(shí)現(xiàn)固件更新，脫離燒錄工具。

核心概念介紹

術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)述

中斷向量表

NS800RT5039 內(nèi)核基于 ARM 的 Cortex-M7，在 ARM 架構(gòu)中，中斷向量表（Interrupt Vector Table）是非常重要的一個(gè)組成部分，它定義了處理器發(fā)生中斷時(shí)應(yīng)該執(zhí)行的中斷服務(wù)函數(shù)的具體地址。

下方是中斷向量表的示意圖以及 NS800RT5039 中斷向量表的部分定義：

圖2 向量表結(jié)構(gòu)

如上圖所示，向量表第一個(gè)元素是“__initial_sp”，這個(gè)元素定義了程序系統(tǒng)初始的棧（STACK） 指針，也就是棧頂指針（為什么叫棧頂， 根據(jù) CPU 指令架構(gòu)，其所定義的棧的生長(zhǎng)方向?yàn)橄蛳律L(zhǎng)，即從高地址到低地址生長(zhǎng)，默認(rèn)初始化時(shí)，指針的位置處于棧的頂部，因此叫棧頂指針）。而第二個(gè)元素“Reset”對(duì)應(yīng)中斷服務(wù)函數(shù) Reset_Handler，這個(gè)元素定義的就是 Reset_Handler 函數(shù)的地址，該函數(shù)用作程序系統(tǒng)的入口函數(shù)。

向量表重定向

NS800RT5039 基于 Cortex-M7，支持向量表地址的重定向，也就是 SCB->VTOR 寄存器的功能，它可以指示向量表的地址，這個(gè)功能極大的方便了 IAP 的實(shí)現(xiàn)，從 BOOT 跳轉(zhuǎn)到 APP 時(shí)，通過(guò)修改這個(gè)寄存器，就能實(shí)現(xiàn)向量表的切換。對(duì)于 APP 而言， BOOT 跳轉(zhuǎn)之前 SCB->VTOR 指示的是 BOOT 的向量表，而非 APP 的向量表，所以必須在跳轉(zhuǎn)到 APP 時(shí)手動(dòng)重新加載 VTOR，以確保在 APP 運(yùn)行時(shí) CPU 能夠正確響應(yīng)到 APP 的中斷向量表。

需要注意的是： 對(duì)于 Cortex-M7 系列芯片，向量表地址有對(duì)齊要求，簡(jiǎn)單而言，對(duì)齊數(shù)必須為 2 的整數(shù)冪，且不小于向量表總字節(jié)大小。舉個(gè)例子， NS800RT7P65x 有 16 個(gè)內(nèi)部中斷， 227 個(gè)外部中斷，總大小為 243 x 4 =972 Bytes，那么向量表對(duì)齊數(shù)必須不小于 972，同時(shí)需要滿足為 2 的整數(shù)冪，所以210可作為它的對(duì)齊數(shù)，也就是 1024。

程序啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)流

硬件初始化 (系統(tǒng)時(shí)鐘、外設(shè)、中斷)

加載棧頂?shù)刂返絊P寄存器，其位于中斷向量表的第一個(gè)元素

讀取 Reset 向量并跳轉(zhuǎn)

向量表重定向

進(jìn)行方案設(shè)計(jì)：實(shí)踐前的關(guān)鍵決策

設(shè)計(jì) Bootloader 與上位機(jī)的通訊協(xié)議， 為 Bootloader 開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)傳輸功能

設(shè)計(jì) Flash 燒錄算法，為 Bootloader 開(kāi)發(fā)燒錄功能

確定如何從 Bootloader 區(qū)啟動(dòng)，運(yùn)行 Bootloader 代碼

確定如何從 App 區(qū)啟動(dòng)

確定 Bootloader 區(qū)與 App 區(qū)的固件地址，以及運(yùn)行時(shí)地址，確保不相干涉

開(kāi)發(fā)上位機(jī)

表1 常見(jiàn)IAP方案

在實(shí)際項(xiàng)目中，選擇哪種 IAP 方案取決于成本、性能、可靠性要求、物理環(huán)境和安全性需求的綜合權(quán)衡。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，UART 或 CAN IAP 是入門和通用的首選。

避坑要點(diǎn)：疑難雜癥如何處理

App 跳轉(zhuǎn)失敗，程序跑飛

檢查跳轉(zhuǎn)流程是否正確

檢查 Reset 函數(shù)（通常在啟動(dòng)文件中）是否正確調(diào)用 SystemInit 函數(shù)，以及堆棧初始化函數(shù)（在MDK中是 __main() ）

檢查 Reset 向量最后一位是否是 1 （1 代表 Thumb 模式，0 代表 ARM 模式）

檢查在C語(yǔ)言代碼中是否在設(shè)置棧頂?shù)刂泛笠约疤D(zhuǎn)前的同一個(gè)函數(shù)中使用了局部變量。因?yàn)樵O(shè)置棧頂?shù)刂窌?huì)導(dǎo)致棧狀態(tài)改變，局部變量會(huì)成為未定義的非法數(shù)據(jù)

跳轉(zhuǎn)成功，但是后續(xù)調(diào)試出現(xiàn) Hardfault

觸發(fā) Hardfault 后，查出出錯(cuò)地址，結(jié)合工程代碼分析非法操作：

觀察 Fault Reports 寄存器 （HFSR，CFSR、MMFAR、BFAR），尋找出錯(cuò)信息

查看 SP 寄存器，讀取棧幀，獲取出錯(cuò)前棧狀態(tài)

BootLoader 應(yīng)用層通信協(xié)議校驗(yàn)出錯(cuò)

調(diào)試芯片通訊外設(shè)，是否有錯(cuò)誤標(biāo)志，如FIFO溢出、校驗(yàn)失敗等

使用邏分或示波器獲取波形，排查上位機(jī)邏輯錯(cuò)誤、排查硬件干擾、短路或接觸不良

檢查校驗(yàn)算法，是否與上位機(jī)一致，排查算法邏輯

Flash 燒寫(xiě)失敗或無(wú)效

Flash 操作前是否正確關(guān)閉了 I/DCache

Flash 寄存器解鎖操作是否正確

Flash 讀寫(xiě)位寬和對(duì)齊是否符合要求

VDDIO 電源電壓是否穩(wěn)定 (Flash 擦寫(xiě)需要高壓注入)，PCB 電源濾波電容是否滿足要求

編譯 Flash 驅(qū)動(dòng)時(shí)盡量不開(kāi)啟代碼優(yōu)化

其他注意事項(xiàng)

謹(jǐn)慎規(guī)劃固件地址，避免 Bootloader 和 App 相互干涉，如 Bootloader 固件過(guò)大，超出規(guī)劃區(qū)域?qū)е卤?App 固件誤改等

Flash 在擦寫(xiě)時(shí)，不能同時(shí)對(duì)其進(jìn)行讀操作，若 CPU 對(duì)正在進(jìn)行擦寫(xiě)的 Flash 有讀請(qǐng)求，會(huì)導(dǎo)致 CPU 處于 halt 狀態(tài)直到 Flash 響應(yīng)請(qǐng)求

結(jié)論與建議

基于 NS800RT5039 的 IAP 實(shí)現(xiàn)，通過(guò)清晰的分區(qū)規(guī)劃與穩(wěn)定的通信、跳轉(zhuǎn)與存儲(chǔ)機(jī)制，使設(shè)備固件升級(jí)從“返廠燒錄”轉(zhuǎn)變?yōu)椤艾F(xiàn)場(chǎng)完成”。該方案工程化程度高、代碼可復(fù)用性強(qiáng)，覆蓋了多數(shù)實(shí)際項(xiàng)目中容易踩坑的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，適用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子等多類應(yīng)用場(chǎng)景，可顯著降低維護(hù)成本并提升系統(tǒng)可用性。

如需獲取《NS800RT系列IAP實(shí)現(xiàn)原理及參考樣例》應(yīng)用筆記 ，請(qǐng)聯(lián)系sales@novosns.com。更多產(chǎn)品信息、技術(shù)資料敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.novosns.com。

納芯微電子（簡(jiǎn)稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼：688052；香港聯(lián)交所股票代碼：02676.HK）是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司。自2013年成立以來(lái)，公司聚焦傳感器、信號(hào)鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費(fèi)電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅(qū)動(dòng)”未來(lái)，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的“芯”世界』為使命，致力于為數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的連接提供芯片級(jí)解決方案。