STM32 Bootloader 实现指南：基于IAP的在线升级方案

什么是IAP？

IAP（In-Application Programming）是一种在应用内编程的技术，允许设备在运行主程序时，通过通信接口（如UART、USB、CAN）接收新固件并写入Flash，实现现场升级。与ISP相比，IAP不需要外部编程器，只需在启动时运行一段Bootloader引导程序。

STM32的IAP流程通常是：设备上电后先运行Bootloader（位于Flash起始地址），它检测是否有升级请求，如果有则接收固件数据并写入指定Flash区域；如果没有则直接跳转到用户应用程序（APP）。这样，系统的升级灵活性和可维护性大大增强。

内存分区设计

以STM32F103系列为例，其Flash起始地址为0x08000000。我们规划Bootloader占用前16KB（地址0x08000000~0x08003FFF），APP放在0x08004000起始。也可根据实际需求调整，但需注意扇区大小对齐。

中断向量表重映射

APP必须将中断向量表偏移到新地址，否则中断无法响应。对于Cortex-M3/M4，设置SCB->VTOR寄存器（例如STM32F1/F4），或者使用NVIC_SetVectorTable函数（STM32标准库）。

在APP工程中的system_stm32f10x.c或main.c早期调用：

SCB->VTOR = 0x08004000;

同时，修改APP工程的链接脚本（.ld或散列文件），将FLASH起始地址改为0x08004000，并保留适当大小。

Bootloader代码实现

Bootloader的主要任务：

初始化系统时钟、串口等外设。
检测是否进入升级模式（按键、串口命令等）。
接收固件包，写入Flash。
校验无误后跳转到APP。

接收协议

这里使用简单的帧格式：[0xAA][0x55][长度][数据][CRC8]。每包数据最大256字节。Bootloader根据帧头识别数据包，接收完成后再进行擦写。

Flash写入操作

以STM32F1为例，写入前必须擦除扇区（注意：标准库中F1没有扇区概念，页面大小为1KB，擦除按页）。使用FLASH_ProgramHalfWord写入半字。

跳转函数实现

跳转的核心代码：

typedef void (*pFunction)(void);
void JumpToApp(uint32_t app_addr)
{
    uint32_t app_jump_addr = *(volatile uint32_t*)(app_addr + 4);
    pFunction jumpF = (pFunction)app_jump_addr;
    __disable_irq();
    SCB->VTOR = app_addr;  // 重设向量表
    __set_MSP(*(volatile uint32_t*)app_addr);  // 设置栈指针
    jumpF();  // 跳转
}

完整代码示例

以下是一个简化的Bootloader核心代码，演示串口接收和升级过程。

#include "stm32f10x.h"
// 假设串口1接收中断

void Flash_WriteBuf(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    FLASH_Unlock();
    FLASH_ClearFlag(FLASH_FLAG_EOP | FLASH_FLAG_PGERR | FLASH_FLAG_WRPRTERR);
    // 擦除页
    FLASH_ErasePage(addr);
    for (int i = 0; i < len; i += 2) {
        uint16_t halfword = buf[i] | (buf[i+1] << 8);
        FLASH_ProgramHalfWord(addr + i, halfword);
    }
    FLASH_Lock();
}

int main(void)
{
    SystemInit();
    UART_Init();
    if (CheckUpgradeCommand()) {  // 判断是否进入IAP
        uint8_t buf[256];
        uint32_t write_addr = APP_ADDR;
        while (1) {
            // 等待接收包，收到一帧后处理
            uint16_t len = UART_ReceivePacket(buf);
            if (len > 0) {
                Flash_WriteBuf(write_addr, buf, len);
                write_addr += len;
                // 发送ACK
            }
            if (LastPacket) break;
        }
        // 校验完整固件（可选）
    }
    JumpToApp(APP_ADDR);
}

说明：实际项目中需要加入超时、重传、CRC校验等机制，此处仅为演示。

配置步骤

1. Bootloader工程：设置Flash起始为0x08000000，大小16K。编译生成hex/bin。
1. APP工程：设置起始地址为0x08004000，并在代码开头设置SCB->VTOR。编译生成bin文件（如fromelf --bin --output=app.bin）。
1. 烧录Bootloader：用ST-Link/J-Link烧录到Flash。
1. 执行升级：通过串口发送APP的bin文件数据，Bootloader接收并写入对应内存后跳转。

注意事项

向量表偏移：必须在APP代码最早期设置，且地址需对齐到0x100（某些系列）。
硬件设计：确保Bootloader和APP共用同一个时钟树，注意外设冲突。
串口升级协议：一定要有校验和应答，防止传输错误导致变砖。
看门狗：如果开启看门狗，在Bootloader中记得及时喂狗。
Flash擦写时序：写入时不能有其他中断打扰，必要时关闭全局中断。