聽(tīng)到這個(gè)"需求"的第一反應(yīng)“這是開(kāi)玩笑吧”。我是是一個(gè)普通的碼農(nóng)，怎么可能開(kāi)發(fā)出了那么復(fù)雜的東西。
帶著一頭冷汗，開(kāi)始查資料中…
原來(lái)如此，有一種下載程序的方式叫做“IAP”。 懸著的心終于放了下來(lái)。
原來(lái)“給單片機(jī)燒寫程序”的實(shí)質(zhì)就是把“編譯”好的“程序二進(jìn)制文件”復(fù)制到芯片的flash中，和從電腦傳電影到MP4播放器上是相似的原理。只不過(guò)現(xiàn)在這個(gè)“電影”是 “程序二進(jìn)制文件”，而單片機(jī)就是這個(gè)“二進(jìn)制程序”的“播放器”。

一、前言（需求背景）

需求背景就是“遠(yuǎn)程更新硬件設(shè)備的芯片程序（固件）”。在開(kāi)發(fā)硬件設(shè)備的時(shí)候，一般使用專用“燒寫器”給芯片燒寫程序。從而完成芯片應(yīng)用程序編碼和調(diào)試工作。在硬件設(shè)備研發(fā)完成，正式生產(chǎn)出產(chǎn)品并賣給客戶后。如果需要更新硬件程序怎么辦。難道也要給用戶郵寄一個(gè)燒寫器和程序文件？一個(gè)批次的產(chǎn)品都需要更新，你能郵寄的過(guò)來(lái)嗎？這期間會(huì)消耗多少成本。這是要賠本的節(jié)奏呀。因此，你需要一個(gè)“更新固件”的功能。“更新固件”這個(gè)詞，對(duì)于愛(ài)鼓搗智能設(shè)備的兄臺(tái)應(yīng)該很熟悉吧。注意，使用網(wǎng)絡(luò)或GPRS遠(yuǎn)程升級(jí)固件的時(shí)候，這項(xiàng)技術(shù)被稱為“OTA升級(jí)”。

二、實(shí)現(xiàn)“更新固件”的原理

“更新固件”從技術(shù)角度來(lái)看，本質(zhì)上是“芯片自己給自己更新（燒寫）程序”。沒(méi)錯(cuò)就是自己給自己更新程序，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)嚇人，萬(wàn)一芯片學(xué)會(huì)了自己給自己迭代升級(jí)程序，就像生物進(jìn)化一樣，一步一步的進(jìn)化，最終出現(xiàn)“智慧思想”怎么辦。如果你看過(guò)“終結(jié)者”就會(huì)知道：“沒(méi)辦法，攔是攔不住的”。因此，就會(huì)出現(xiàn)“硅基生物”代替“碳基生物”的地球（如果你看過(guò)劉慈欣的著作你就會(huì)明白我要表達(dá)的意思）。

芯片自己更新程序的原理是：芯片中是可以存放多個(gè)“程序”的。就和你的手機(jī)可以同時(shí)安裝“支付寶”和“微信”是一個(gè)道理。而實(shí)現(xiàn)芯片自己更新“程序”的原理就是，燒寫在芯片中的其中一個(gè)“程序”可以更新芯片中的另一個(gè)“程序”。把可以更新其他程序的“程序”叫做“Bootloader”，把被更新的“程序”叫做“App”。（當(dāng)然從原理上來(lái)說(shuō)芯片上的多個(gè)程序是可以實(shí)現(xiàn)互相更新的。只是現(xiàn)實(shí)中很少有這樣的需求）。更詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，請(qǐng)閱讀13.2~13.5章節(jié)。

二、STM32單片機(jī)支持的幾種“燒寫”方式說(shuō)明

stm32單片機(jī)有三種啟動(dòng)方式
啟動(dòng)方式由芯片上的兩個(gè)管腳BOOT0和BOOT1來(lái)決定：

引腳配置啟動(dòng)模式程序儲(chǔ)存位置支持的下載模式備注

BOOT1=x BOOT0=0	從用戶閃存啟動(dòng)	Flash	SWD/JTAG	單片機(jī)正常運(yùn)行所使用的模式，在此模式，可以直接用專用燒寫器下載程序
BOOT1=0 BOOT0=1	從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)	Flash	ISP	從芯片自帶的bootloader（ISP程序）下載程序，下載完需要切換引腳為“BOOT1=x BOOT0=0 ”并復(fù)位芯片，才能運(yùn)行程序。
BOOT1=1 BOOT0=1	從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)	SRAM	ISP	調(diào)試模式，下載到芯片的代碼存放在內(nèi)存中，從而加快下載速度，避免寫Flash。由于程序儲(chǔ)存在內(nèi)存中，因此掉電會(huì)丟失程序

Stm32所支持的燒寫方式

• SWD/JTAG
  兩種標(biāo)準(zhǔn)的“燒寫器”編程接口（協(xié)議），支持這些編程接口的燒寫器有：JLINK、ULINK、ST-LINK

• ISP(In System Programing，在系統(tǒng)中編程)
  使用固化在芯片內(nèi)部的bootloder更新應(yīng)用程序的一種方式。需要芯片硬件支持（閱讀芯片手冊(cè)）。一般使用串口下載程序，常用的下載工具軟件有：國(guó)產(chǎn)的FlyMcu 和 stm公司官方提供的Flash Loader Demonstrator。注意，燒寫的時(shí)候，需要配置芯片的Boot引腳，燒寫完成之后，再修配置回來(lái)才能運(yùn)行程序。

• IAP(In applicating Programing，在應(yīng)用編程)，是一種除基本芯片燒錄方法之外的一種巧妙程序燒寫方式。
  實(shí)現(xiàn)IAP下載程序，需要芯片保持在“從閃存啟動(dòng)模式”。其實(shí)現(xiàn)原理為：把flash 劃分為2個(gè)部分，一個(gè)部分用于放置“更新其他程序的bootloader”，另一部分放置普通的應(yīng)用程序。其中bootloder放置在芯片“上電”自動(dòng)運(yùn)行的位置（即用燒寫器燒寫普通程序的位置）。而普通的應(yīng)用程序被放置在flash偏后面的 扇區(qū)中。至此你會(huì)有以下幾個(gè)疑問(wèn)，下面分別解答。手機(jī)自動(dòng)更新系統(tǒng)，其實(shí)就是使用了IAP的原理。（其實(shí)電腦操作系統(tǒng)和手機(jī)操作系統(tǒng)都有bootloader，只不過(guò)用在電腦系統(tǒng)上，被叫做“Windows Boot Manager”）。

bootloader到底是什么？燒寫程序是怎么做到的？
bootloader起始就是一個(gè)普通的單片機(jī)應(yīng)用程序，但他的功能是，從芯片外界讀取“應(yīng)用程序的bin文件”并把這個(gè)文件放置到芯片F(xiàn)lash的指定位置。就完成了“應(yīng)用程序的燒寫”。

有了bootloader之后，芯片程序怎樣啟動(dòng)？
現(xiàn)在被燒寫好的“應(yīng)用程序”沒(méi)有放置到單片機(jī)上電運(yùn)行的位置，那么應(yīng)用程序怎么啟動(dòng)呢。答案是，芯片上電，默認(rèn)會(huì)運(yùn)行bootloader這個(gè)程序，而bootloader這個(gè)程序可以判斷是否存在可用的App，如果存在則把當(dāng)前程序運(yùn)行的“pc指針”指向放置應(yīng)用程序的flash地址（在此之前，重新指定新的“中斷向量表”和“堆棧”的地址）即可讓應(yīng)用程序跑起來(lái)。是的，使用IAP方式后，以后芯片每次上電都走這樣一個(gè)啟動(dòng)流程。

四、實(shí)現(xiàn)IAP有哪幾種方式，分別說(shuō)明

提到IAP的實(shí)現(xiàn)方式，那可多了去了。可以說(shuō)只要能實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)傳輸”，就可以用來(lái)開(kāi)發(fā)IAP升級(jí)固件的功能。以下把常用常見(jiàn)的方式加以詳細(xì)說(shuō)明：

U盤
Bootloader需要讀取U盤的文件系統(tǒng)，從U盤讀取固件文件并寫在Flash的指定位置。從而完成程序更新。
最常見(jiàn)的IAP實(shí)現(xiàn)方式，也最方便。只要把固件放置到U盤，然后插入機(jī)器，啟動(dòng)機(jī)器即可自動(dòng)更新應(yīng)用程序。一般智能硬件，采用設(shè)備本身模擬U盤的功能，當(dāng)你把智能硬件使用USB數(shù)據(jù)線連接到電腦上之后，電腦上會(huì)彈出一個(gè)類似U盤的磁盤，你只需把固件文件（bin文件）復(fù)制粘貼到這個(gè)磁盤中即可。然后斷開(kāi)USB連接線，重啟或重新給智能硬件通電，智能設(shè)備就會(huì)自動(dòng)更新固件。缺點(diǎn)：要做的支持市面上的所有U盤很難。

串口（RS232/RS485）
Bootloader需要實(shí)現(xiàn)串口通信，使用串口通道接收固件文件并寫在Flash的指定位置。從而完成程序更新。
這個(gè)也是常用的更新固件方式。使用硬件設(shè)備的的“串口通信線”即可完成芯片固件更新。需要配合相應(yīng)的上位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用體驗(yàn)比較好，使用起來(lái)也比較穩(wěn)定。（本文一開(kāi)始說(shuō)描述的需求，就是指這種實(shí)現(xiàn)方式）

網(wǎng)絡(luò)TCP
Bootloader需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，使用網(wǎng)絡(luò)通道接收固件文件并寫在Flash的指定位置。從而完成程序更新。
常用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)更新。比如放置在野外的智能設(shè)備，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)定期查看是否有更新，如果有則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載固件并自動(dòng)更新。

藍(lán)牙
Bootloader需要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信，使用藍(lán)牙通道接收固件文件并寫在Flash的指定位置。從而完成程序更新。
常用于便攜式設(shè)備的更新。因?yàn)橐话愕谋銛y式設(shè)備都是使用藍(lán)牙通信。所以只能用藍(lán)牙來(lái)更新固件。
比如：智能手表，藍(lán)牙耳機(jī)，藍(lán)牙鼠標(biāo)，藍(lán)牙xx

CAN總線（主叢電路板方式）
常用于更新大型機(jī)器中的某一塊電路板上芯片的程序。主電路板有文件系統(tǒng)，可以儲(chǔ)存其他電路板上芯片的固件文件。大型設(shè)備內(nèi)部，電路板與電路板之間常使用CAN總線通信。因此要更新機(jī)器內(nèi)某個(gè)電路板的程序，可以通過(guò)“主從電路板”的方式，線把固件文件先傳輸?shù)街麟娐钒逍酒?#xff0c;然后主電路板芯片通過(guò)CAN總線給目標(biāo)電路板更新程序。

五、IAP升級(jí)固件中的“加密”說(shuō)明

為什么要加密
當(dāng)你的機(jī)器硬件出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，你需要把固件文件發(fā)給用戶，讓用戶使用“U盤”或串口來(lái)升級(jí)程序。這個(gè)時(shí)候相當(dāng)于把你的程序可執(zhí)行文件暴露了，如果讓想“復(fù)制”你設(shè)備的人拿到手，他可樂(lè)開(kāi)了花了。他只需要自己寫個(gè)bootloader就能借用你這個(gè)“可執(zhí)行文件”來(lái)生產(chǎn)一模一樣的設(shè)備了。你怎么辦，只能走法律途徑了。所以你不加密固件，相當(dāng)于“鼓勵(lì)別人犯罪”。

怎么加密
再bootloader中作修改。專門編寫一個(gè)加密軟件，來(lái)加密你要發(fā)給用戶的“固件”。然后你自己機(jī)器中的bootloader加入對(duì)應(yīng)的解密代碼。bootloader從U盤或串口拿到“固件”文件先解密，然后在寫到Flash中即可。至于用哪個(gè)加密算法，這里沒(méi)有推薦(需求明確了還怕沒(méi)有解決方案嘛^.)。

六、IAP升級(jí)固件中的“壓縮”說(shuō)明

為啥要壓縮固件
因?yàn)榇髥h！普通Stm32的應(yīng)用程序，編譯出來(lái)的Bin文件大小在20K~100K之間。咦，不大呀，怎么說(shuō)大呢？
是不大，但是看對(duì)于什么通信方式來(lái)說(shuō)。
對(duì)于U盤更新固件方式，幾百K是小意思。如果對(duì)于網(wǎng)絡(luò)方式呢。一般都是給遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新固件，用的是流量。而物聯(lián)網(wǎng)卡的流量很有限，傷不起呀。其次，看你對(duì)速度有沒(méi)有要求。比如你用藍(lán)牙來(lái)更新固件。更新速度的瓶頸是在傳輸速度上。而速度是無(wú)法提高的，只能通過(guò)減小固件體積來(lái)達(dá)到提高更新速度的效果。

怎樣壓縮與解壓縮固件
使用電腦軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)固件的壓縮。bootloader只要負(fù)責(zé)解壓即可。推薦的芯片可用壓縮算法有：zlib、miniLZO

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的13.1-自己开发一个“单片机烧写工具”！不是开玩笑吧？原来如此^~^（OTA升级）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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