來源：納芯微電子

在上期《無需返廠！基于實(shí)時(shí)控制MCU NS800RT5039 的 IAP 固件升級(jí)指南（理論篇）》中，我們已經(jīng)詳細(xì)拆解了 IAP 技術(shù)的核心原理、關(guān)鍵概念、方案設(shè)計(jì)邏輯以及實(shí)戰(zhàn)中常見問題的避坑要點(diǎn)。本篇將聚焦實(shí)操落地，以 MDK 開發(fā)環(huán)境為依托，展示如何基于 NS800RT5039， 從 0 開發(fā)一個(gè)簡單的 IAP 項(xiàng)目。

硬件準(zhǔn)備和環(huán)境搭建

NSSinePad-NS800RT5039_V2.0開發(fā)板×1

圖1 開發(fā)板

USB串口模塊：可使用 NSSinePad 板載USB串口

IAP上位機(jī)準(zhǔn)備：UartAssist串口調(diào)試助手或自行開發(fā)

圖2 上位機(jī)界面

工程環(huán)境準(zhǔn)備

安裝MDK

解壓《NS800RT5XXX-SDK-v1.4.0》開發(fā)包

導(dǎo)入安裝 SDK 目錄下的 "utilitiespackMDKNOVOSENSE.NS800RT5XXX.xxx.zip" pack 包

基于 SDK 模版工程新建兩個(gè)新的工程 App 和 Bootloader，配置好源文件路徑和頭文件路徑，還有sct文件路徑

圖3 新建MDK工程

方案設(shè)計(jì)總覽

通訊協(xié)議設(shè)計(jì)：使用 UART 接口，無特定數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，傳輸固件原始數(shù)據(jù)。當(dāng) MCU 準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)以分包的形式傳輸升級(jí)固件，包大小為 512 字節(jié)，包延時(shí)為 125 ms ，MCU每收到一包便將數(shù)據(jù)燒錄進(jìn) Flash

上位機(jī)：我們可以用串口調(diào)試助手作為上位機(jī)，使用自帶的二進(jìn)制流傳輸功能進(jìn)行固件的發(fā)送

Bootloader 啟動(dòng)方式：將 Bootloader 固件燒寫在默認(rèn)的 Flash 啟動(dòng)地址，MCU 復(fù)位默認(rèn)啟動(dòng) Bootloader

App 啟動(dòng)方式：在 Bootloader 中判斷 App 的有效性，App 有效則軟件跳轉(zhuǎn)，App 無效或者 BootKey 按下則進(jìn)入 Bootloader 升級(jí)程序

分區(qū)地址規(guī)劃：

App 工程和 Bootloader 工程編譯輸出的固件結(jié)構(gòu)大致如下所示：

圖4 bin固件結(jié)構(gòu)

將它們的位置劃分在 Flash 的不同區(qū)域：

圖5 App 和 Bootloader 固件區(qū)域劃分

考慮 Ram 資源的使用：

Bootloader 是通過復(fù)位 MCU 的方式啟動(dòng)，每次啟動(dòng)都會(huì)再次進(jìn)行堆棧的初始化操作

App 通過軟件跳轉(zhuǎn)的方式啟動(dòng)，每次啟動(dòng)也會(huì)再次進(jìn)行堆棧初始化操作

當(dāng)從 Bootloader 跳轉(zhuǎn) App 時(shí)，因?yàn)榉桨钢?App 與 Bootloader 沒有共享的 Ram 數(shù)據(jù)，Bootloader 所使用的 Ram 數(shù)據(jù)對(duì)于 App 是不重要的，App 可以在啟動(dòng)時(shí)覆蓋掉 Ram 空間，同理 Bootloader 也是一樣的情況，因此 Bootloader 和 App 在對(duì) Ram 利用率的角度上考慮，可以共用同一塊 Ram 空間，它們可以忽略 Ram 的資源競爭問題。

程序啟動(dòng)時(shí) Flash 空間和 Ram 空間的使用情況大致如下所示：

圖6Flash 和 Ram 資源使用示意圖

IAP 升級(jí)程序通信流程

在 Bootloader 中通過 UART 接收來自上位機(jī)的 App 固件數(shù)據(jù)，核心邏輯如下圖所示：

圖7 UART數(shù)據(jù)接收程序流程圖

程序?qū)崿F(xiàn)如下：

程序清單1 UART 升級(jí)主程序

struct
{
 uint8_trxDataBuf[IAP_UART_PACKETSIZE];
 intrxcnt;
} iap;


intuart_download(void)
{
 intres =0;
 uint32_tflash_address = IAP_APP_ADDR;
 printf("Prepare for downloading
");


 /* 接收狀態(tài)初始化 */
 IAP_readyUart();


 /* 等待第一個(gè)數(shù)據(jù) */
 while(UART_getRxFifoStatus(IAP_UART) == UART_FIFO_RX0) { }
 uint32_ttick =SystemTimer_getTime();


 while(SystemTimer_getTime() - tick 0)
  {
    res =IAP_writeFlash(flash_address, iap.rxDataBuf, iap.rxcnt);
   if(res)returnres;
  }
 return0;
}

其中從 UART RXFIFO 讀取全部數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，使用下方UART數(shù)據(jù)接收函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

程序清單2 UART 接收數(shù)據(jù)

staticintIAP_receiveUartData(void)
{
 intrxcnt = (int)UART_getRxFifoStatus(IAP_UART);
 if(iap.rxcnt + rxcnt >512)
   return-1;
   
 if(UART_getStatus(IAP_UART) & (UART_STAT_OR | UART_STAT_NF | UART_STAT_FE | UART_STAT_PF))
   return-1;


 while(rxcnt--)
  {
    iap.rxDataBuf[iap.rxcnt]= UART_readChar(IAP_UART);
    iap.rxcnt++;
  }


 return0;
}

使用 sct 文件

配置 Bootloader 與 App 的分區(qū)

Bootloader 的 sct 文件

程序清單3 Bootloader 的 sct 配置

;*************************************************************
;*** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
;*************************************************************


LR_IROM1 0x08000000 0x00004000 {  ; load region size_region
 ER_IROM1 0x08000000 0x00004000 { ; load address = execution address
  *.o (RESET, +First)
  *(InRoot$$Sections)
  .ANY (+RO)
  .ANY (+XO)
 }


 RW_ITCM 0x00000000 0x00010000 { ; 64K ITCM -> code in sram
 *.o (.itcm)
 }


 RW_VT_DTCM 0x20000000 0x00000400 { ; 1K VT_DTCM -> Vector Table
  * (.vt_dtcm)
 }


 RW_DTCM 0x20000400 0x00010000 { ; 63K DTCM -> fast sram
  .ANY (.dtcm, +RW +ZI)
  startup_*.o(STACK)
  startup_*.o(HEAP)
 }


 RW_SRAM1 0x20100000 0x00020000 { ; sram with parity
  * (.sram1)
 }
 RW_SRAM2 0x20120000 0x00020000 { ; sram with ECC
  * (.sram2)
 }
 RW_SRAMB 0x400C7000 UNINIT 0x00001000 { ; sram with backup
  * (.bss.backupsram)
 }
}

App 的 sct 文件

程序清單4 App 的 sct 配置

LR_IROM10x080040000x0007C000 {  ; load region size_region
ER_IROM10x080040000x0007C000 { ; load address = execution address
  *.o(RESET, +First)
  *(InRoot$$Sections)
  .ANY(+RO)
  .ANY(+XO)
 }


RW_ITCM0x000000000x00010000 { ; 64KITCM-> codeinsram
  *.o(.itcm)
 }


RW_VT_DTCM0x200000000x00000400 { ; 1KVT_DTCM->VectorTable
  * (.vt_dtcm)
 }


RW_DTCM0x200004000x00010000 { ; 63KDTCM-> fast sram
  .ANY(.dtcm, +RW+ZI)
  startup_*.o(STACK)
  startup_*.o(HEAP)
 }


RW_SRAM10x201000000x00020000 { ; sramwithparity
  * (.sram1)
 }
RW_SRAM20x201200000x00020000 { ; sramwithECC
  * (.sram2)
 }
RW_SRAMB0x400C7000UNINIT0x00001000 { ; sramwithbackup
  * (.bss.backupsram)
 }
}

向量表重定向

在 NS800RT5039 的 SDK 中，向量表重定向的操作在 SystemInit 函數(shù)中執(zhí)行。

Bootloader 的 SystemInit 函數(shù)

如下方代碼所示，line 9 處初始化VTOR寄存器地址。由于 Bootloader 固件處于 Flash 默認(rèn)啟動(dòng)地址，故使用默認(rèn)文件即可：

程序清單5 Bootloader 的 SystemInit 配置

voidSystemInit (void) {
 /************************************** SCB register start **************************************/
  SCB_EnableICache();
  SCB_EnableDCache();
  SCB->CACR|= SCB_CACR_FORCEWT_Msk;
 /* Enable CP10/CP11 Full Access */
  SCB->CPACR |= ((3U <VTOR =0x08000000;


 /*************************************** SCB register end ***************************************/
 
 /************************************** system clock start **************************************/
  RCC->UNLOCK.WORDVAL =0x55AA6699;
 /* Enable MIRC2 & Check MIRC2 is ready */
  RCC->CR.BIT.MIRC2EN =1;
 while(!RCC->CR.BIT.MIRC2RDY) {;}
 /* Set MIRC2 as system clock */
  RCC->CFGR.BIT.SWSEL =0;
 /* Lock rcc register */
  RCC->UNLOCK.WORDVAL =0x55AA6698;
 /*************************************** system clock end ***************************************/
}

App 的 SystemInit 函數(shù)

App 固件的起始地址不是 MCU 默認(rèn)啟動(dòng)地址，需要修改向量表重定向的地址，如下方 line 9處：

程序清單6 App 的 SystemInit 配置

voidSystemInit (void){
 /************************************** SCB register start **************************************/
  SCB_EnableICache();
  SCB_EnableDCache();
  SCB->CACR|= SCB_CACR_FORCEWT_Msk;
 /* Enable CP10/CP11 Full Access */
  SCB->CPACR |= ((3U <VTOR =0x08004000;


 /*************************************** SCB register end ***************************************/


 /************************************** system clock start **************************************/
  RCC->UNLOCK.WORDVAL =0x55AA6699;
 /* Enable MIRC2 & Check MIRC2 is ready */
  RCC->CR.BIT.MIRC2EN =1;
 while(!RCC->CR.BIT.MIRC2RDY) {;}
 /* Set MIRC2 as system clock */
  RCC->CFGR.BIT.SWSEL =0;
 /* Lock rcc register */
  RCC->UNLOCK.WORDVAL =0x55AA6698;
 /*************************************** system clock end ***************************************/
}

從 Bootloader 跳轉(zhuǎn)至 App

跳轉(zhuǎn)是 IAP 技術(shù)的關(guān)鍵步驟，需要依據(jù)啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行操作，下方給出通過C語言實(shí)現(xiàn)的跳轉(zhuǎn)方法：

設(shè)置棧頂指針

設(shè)置主棧操作使用 cmsis_armclang_m.h 的函數(shù)，如程序清單6所示。

程序清單7 __set_MSP() 函數(shù)

__STATIC_FORCEINLINEvoid__set_MSP(uint32_t topOfMainStack)
{
 __ASMvolatile("MSR msp, %0": :"r"(topOfMainStack) : );
}

傳入的 topOfMainStack 參數(shù)為 App 區(qū)的中斷向量表的第一個(gè)元素的值，即主棧的指針值。

基于 __set_MSP() 封裝的通用跳轉(zhuǎn)函數(shù)

程序清單8 使用向量表地址進(jìn)行跳轉(zhuǎn)

staticvoidjump_to(uint32_tVectorTableAddress)
{
 /* 關(guān)閉全局中斷 */
 Interrupt_disableGlobal();


 /* 使用靜態(tài)變量保存函數(shù)指針 */
 typedefvoid(* __IO jump_ft)(void);
 staticjump_ft jump;
  jump = (jump_ft)(*(uint32_t*)(VectorTableAddress +4));


 /* 數(shù)據(jù)同步屏障 */
  __DSB();


 /* 手動(dòng)加載棧頂?shù)刂?*/
  __set_MSP(*(__Iuint32_t*)VectorTableAddress);


 /* 數(shù)據(jù)同步屏障 */
  __DSB();


 /* 跳轉(zhuǎn) VectorTable->Reset_Handle */
 jump();
}

封裝 IAP 層的跳轉(zhuǎn)函數(shù)

程序清單9 跳轉(zhuǎn)到 App

staticvoidIAP_jumpApp(void)
{
 printf("Jump to App.
");
 /* 反初始化 */
 IAP_deinit();


 /* 跳轉(zhuǎn) */
 jump_to(IAP_APP_ADDR);
}

Flash 的擦除與寫入

升級(jí)過程中需將接收到的 APP 固件寫入 EFlash，需實(shí)現(xiàn)擦除、寫入兩個(gè)核心接口：

Flash 的擦除

擦除操作代碼如程序清單10所示，該函數(shù)通過調(diào)用 SDK API 擦除Flash，從 App 起始地址開始頁擦，連續(xù)擦除指定數(shù)量的頁面。

程序清單10 Flash 擦除操作

staticintIAP_eraseFlash_AppRegion(void)
{
 uint8_tret;


 SCB_DisableDCache();
 SCB_DisableICache();


 for(inti =0; i < IAP_APP_PAGENUMS; i++)
? ? {
? ? ? ? ret =?FLASH_erasePage(IAP_APP_ADDR + FLASH_PAGESIZE * i);
? ? ? ??if?(ret ==?0)
? ? ? ? ? ??break;
? ? }


? ??SCB_EnableDCache();
? ??SCB_EnableICache();
? ??return?ret -?1;
}

Flash 的寫入

對(duì) NS800RT5039 的 Flash 執(zhí)行寫入操作時(shí)，其地址需要滿足以 8 bytes 邊界對(duì)齊，并且寫入數(shù)量需要滿足 8 的倍數(shù)，SDK 僅提供基礎(chǔ)接口，寫入地址和寫入數(shù)量需要滿足上述要求，為了方便 IAP 層操作 Flash 需要封裝拓展功能，使其能夠支持寫入任意長度的數(shù)據(jù)。

程序清單11 Flash 寫入操作

staticintIAP_writeFlash(uint32_taddr,constuint8_t*pBuf,uint32_tcnt)
{
 SCB_DisableDCache();
 SCB_DisableICache();


  __IOuint8_tflashBuf[8];
 uint8_t*pBufTmp = (uint8_t*)pBuf;
 uint32_twrite_len = cnt & ~(0x7U);
 intret =0;
 if(write_len >0)
  {
   if(1==FLASH_writeBytes(addr, pBufTmp, write_len))
    {
      pBufTmp += write_len;
      addr += write_len;
    }
   else
      ret =-3;
  }


 if(ret ==0)
  {
   uint32_talign = cnt &0x7U;
   if(align >0)
    {
     for(uint32_ti =0; i < align; i++)
? ? ? ? ? ? ? ? flashBuf[i] = pBufTmp[i];


? ? ? ? ? ??for?(uint32_t?i = align; i 

	

	App 程序中的中斷向量初始化

	在 App 工程中，我們通過 STIM1 的中斷觸發(fā)翻轉(zhuǎn) LED1 和 LED2，以此來演示 App 的程序和中斷的正常運(yùn)行。

	下面是通過調(diào)用 SDK API 初始化中斷服務(wù)的代碼：

	程序清單12 App 中斷初始化

	
intmain(void)
{
 /*  ...  */
 Interrupt_initModule();
 Interrupt_initVectorTable();
 Interrupt_register(STIM1_IRQn,STIM1_IRQHandler);
 Interrupt_enable(STIM1_IRQn);
 /*  ...  */
}



	

	如上圖所示，在當(dāng)前版本的 SDK 的 Interrupt_initVectorTable 函數(shù)中，該函數(shù)將向量表復(fù)制到 DTCM 區(qū)域，并重定向，以此來提高中斷響應(yīng)速度：

	程序清單13 SDK API 中斷向量表初始化

	
voidInterrupt_initVectorTable(void)
{
 uint32_tn;
 uint32_t*vector_table_flash = (uint32_t*)VECTOR_TABLE_FLASH_ADDRESS;


 for(n =0; n < NVIC_USER_IRQ_OFFSET; n++) {
? ? ? ? vectorTableDTCM[n] = vector_table_flash[n];
? ? }


? ? SCB->VTOR = (uint32_t)vectorTableDTCM;
  __ISB();


 for(n = NVIC_USER_IRQ_OFFSET; n < VECTOR_SIZE; n++)
? ? {
? ? ? ? vectorTableDTCM[n] = (uint32_t)&Interrupt_defaultHandler;
? ? }
}

	

	VECTOR_TABLE_FLASH_ADDRESS 是定義在 interrupt.h 的常量宏：

	需要將 interrupt.c 和 interrupt.h 創(chuàng)建副本并將下方宏改為 App 向量表地址 0x08004000，在工程中使用副本的 interrupt.c 和 interrupt.h 替代驅(qū)動(dòng)庫（不建議直接改驅(qū)動(dòng)庫）。

	
#define VECTOR_TABLE_FLASH_ADDRESS  0x08004000UL  // Starting address of the interrupt vector table in FLASH

	

	配置 MDK 輸出 bin 文件

	按下圖操作，配置 MDK，輸入指令 "fromelf --bin --output=$L@L.bin !L" ：

	

	圖8 MDK 配置生成 bin 文件

	編譯后自動(dòng)輸出 bin 文件到 output 文件夾。

	IAP 升級(jí)完整流程

	編譯好 Bootloader 工程和 App 工程

	點(diǎn)擊 MDK 上方選項(xiàng)卡 Flash -> Erase，擦除全部 Flash，確保 Flash 無數(shù)據(jù)

	下載 Bootloader 固件

	連接 PC 與板載串口，打開串口調(diào)試助手，并選擇文件傳輸模式，瀏覽 App.bin 文件準(zhǔn)備傳輸

	

	圖9 串口調(diào)試助手使用方法

	復(fù)位開發(fā)板，MCU 發(fā)出串口信息，看到升級(jí)程序處于準(zhǔn)備狀態(tài)

	

	圖10 MCU 串口打印“準(zhǔn)備中”

	按下發(fā)送按鈕，串口助手開始傳輸

	

	圖11串口調(diào)試助手發(fā)送固件

	傳輸結(jié)束，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至 App 中，可以看到中斷翻轉(zhuǎn)LED正常，串口打印信息

	

	圖12MCU 串口打印“運(yùn)行App”

	

	圖13 App 運(yùn)行效果

	結(jié)論與建議

	本文基于 NS800RT5039 的 IAP 方案，通過 “分區(qū) + 通信 + 跳轉(zhuǎn) + 存儲(chǔ)” 四大模塊，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備現(xiàn)場固件升級(jí)，無需返廠依賴燒錄工具。方案代碼可直接復(fù)用，避坑要點(diǎn)覆蓋多數(shù)實(shí)戰(zhàn)問題，適用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子等場景，能大幅降低升級(jí)成本、提升設(shè)備維護(hù)效率。

	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www.novosns.com。

	納芯微電子（簡稱納芯微，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，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，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。