孫曉曄1,2,王程2,3,成彬2,3

　?。ǎ保仪f開發(fā)區(qū)冀科雙實科技有限公司，河北 石家莊 050081；2. 河北省科學院應用數(shù)學研究所，河北 石家莊 050081; 3.河北省信息安全認證工程技術研究中心，河北 石家莊 050081）

　　摘要：針對嵌入式產(chǎn)品分布廣、位置分散、維護升級困難的問題，提出了一種基于TFTP協(xié)議的STM32軟件升級系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)主要由STM32F407微控制器、LAN8720A網(wǎng)卡芯片和外擴存儲器W25Q128、IS62WV51216組成，采用IAP技術和以太網(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)測試，該系統(tǒng)能夠保證升級文件數(shù)據(jù)的正確傳輸和可靠存儲，大大降低了嵌入式系統(tǒng)軟件升級的難度，減少了人工維護的成本。

　　關鍵詞：嵌入式微控制器；在應用編程；以太網(wǎng)；簡單文件傳輸協(xié)議

0引言

　　隨著嵌入式技術以及32位嵌入式微處理器的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用日益廣泛，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)的設計不可能一步到位，尤其是嵌入式軟件，需要不斷修改和完善。當程序出錯或用戶需求變更時，傳統(tǒng)的方法是安排技術人員到現(xiàn)場或?qū)⒃O備回收對控制器芯片重新編程。這種方式費時費力，效率低下［1］。采用IAP（In-Application Programming）技術則可以免除拆卸設備、燒錄MCU（Microcontroller Unit）等繁瑣的過程。IAP即“在應用中編程”，是指產(chǎn)品發(fā)布后在運行過程中通過預留的通信接口（如USART、I2C、CAN、USB、以太網(wǎng)接口等）對微控制器MCU中的軟件進行更新升級。

　　支持IAP技術的首要前提是微控制器必須基于可重復編程的閃存。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通信接口，因此在STM32上實現(xiàn)IAP技術是完全可行的［2］。本文針對STM32F407型號的微控制器,基于TFTP(Trivial File Transfer Protocol)協(xié)議通過網(wǎng)口實現(xiàn)IAP，可以大大節(jié)省維護升級成本, 更方便快捷［3］。

1IAP工作原理

　　在實現(xiàn)IAP功能時，MCU內(nèi)部需要有兩塊存儲區(qū)，BOOT區(qū)和常態(tài)存儲區(qū)。MCU上電先運行BOOT區(qū)代碼，檢測是否需要更新軟件，如果不需要更新，程序指針跳到常態(tài)存儲區(qū)，開始執(zhí)行放在常態(tài)存儲區(qū)的內(nèi)容；如果需要更新，則先通過外設通信接口接收新的程序代碼，對常態(tài)存儲區(qū)的內(nèi)容進行改寫，然后再跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新寫入的程序［4］。

　　相應的，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)存儲區(qū)的APP程序。BootLoader程序負責通過某種通信方式（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)務功能。 BootLoader程序必須通過JTAG（Joint Test Action Group）編程方式或ISP（InSystem 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)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件電路主要介紹以太網(wǎng)接口電路的設計。 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10BASET/100BASETX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參考時鐘，輸出參考時鐘給MAC控制器，這樣可以降低BOM（Bill of Material）成本［5］。

3系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)中PHY層芯片LAN8720A相當于物理層，STM32F407自帶的MAC層相當于數(shù)據(jù)鏈路層，而移植的LWIP提供的就是網(wǎng)絡層、傳輸層的功能，應用層需要用戶根據(jù)具體功能去實現(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)測外部按鍵，判斷是否進入IAP模式進行升級，若超時，則跳轉(zhuǎn)到常態(tài)存儲區(qū)，執(zhí)行原來的APP程序［78］。

　　升級過程中文件的傳送采用TFTP協(xié)議。TFTP是一個工作在UDP頂層的簡單文件傳輸協(xié)議，基于C/S結(jié)構(gòu)。一個TFTP客戶端向TFTP服務器發(fā)起一個文件傳輸請求，服務器響應請求，文件傳輸開始。數(shù)據(jù)以固定尺寸（本系統(tǒng)采用512 B）的幀進行傳輸。在下一個數(shù)據(jù)幀傳輸前，接收方必須對剛剛收到的數(shù)據(jù)幀進行回應。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，說明當前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀是最后一個數(shù)據(jù)幀，傳輸結(jié)束。這里PC機作為客戶端，嵌入式平臺實現(xiàn)TFTP服務器，TFTP服務器響應PC TFTP客戶端發(fā)送的寫文件請求。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制來及時處理數(shù)據(jù)丟失的情況。在接收到每個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后進行CRC校驗，如果有錯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：

　　(1)起始地址和存儲空間大小設置；

　　(2)中斷向量表偏移量設置；

　　(3)生成.bin文件，用于IAP更新。MDK開發(fā)工具默認生成的文件是.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)軟件設計需注意的問題

　　系統(tǒng)在軟件設計中需注意以下幾點:

　　(1)存儲空間的分配。Boot區(qū)和常態(tài)存儲區(qū)的大小可以根據(jù)應用的具體情況人為分配，但分配時盡可能使常態(tài)存儲區(qū)最大化，為以后程序的升級留出余量。

　　(2)BootLoader代碼設計時應盡量簡潔，避免使用中斷、復雜的底層驅(qū)動及算法。

　　(3)BootLoader代碼在使用外設后，啟動APP代碼之前一定要先初始化該外設，即要讓APP代碼認為MCU只是剛上電運行，而不是跑完一個系統(tǒng)再調(diào)用自己。如果BootLoader代碼沒有執(zhí)行該動作，當APP代碼運行時，MCU的外設處于不確定狀態(tài)（尤其是中斷未關閉），可能會帶來一些預料不到的錯誤。

　　(4)數(shù)據(jù)通信過程中, 向STM32發(fā)送程序文件時需考慮STM32對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，升級文件分段傳送，可能存在數(shù)據(jù)丟失、網(wǎng)絡不穩(wěn)定等現(xiàn)象。對每段數(shù)據(jù)編號，根據(jù)編號判斷是否有數(shù)據(jù)包丟失，并增加CRC校驗，保證每段數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。對于錯誤或丟失的數(shù)據(jù)包,采取重傳機制，提高IAP的成功率［9］。

4結(jié)論

　　本文對基于TFTP協(xié)議的STM32軟件更新進行了研究，充分利用以太網(wǎng)的傳輸能力和便捷性，設計并實現(xiàn)了IAP升級系統(tǒng)。通過實驗測試，基于TFTP 協(xié)議的STM32軟件遠程升級系統(tǒng)能夠保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和存儲，大大降低了對嵌入式系統(tǒng)軟件的升級維護難度，應用廣泛。

參考文獻

　　［1］ 溫世堅,張偉波.基于STM32的遠程升級系統(tǒng)的設計［J］.科技廣場,2013,26(5):97100.

　?。?］ 李興鶴，蔡亮，宋吉波，等.STM32用戶基于IAP的程序更新技術［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2012,12(1):7475.

　?。?］ 王程,周安琳.基于Autofac對乳制品安全風險預警系統(tǒng)的擴展設計［J］. 河北省科學院學報,2013,30(1):14，14.

　?。?］ 李婉婉，李宏.單片機IAP升級方法在血液分析儀中的應用［J］. 微型機與應用,2014,33(21):1618.

　?。?］ 王娜,成彬,郝友帥.水流量遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］. 河北省科學院學報,2011,28(2):3439.

　?。?］ 武輝林.模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7791及其應用格式［J］.河北省科學院學報, 2011,28(2):2629.

　?。?］ 李俊，王金海.基于TFTP協(xié)議的ARM軟件遠程更新系統(tǒng)［J］.工礦自動化，2010，37(7):2225.

　?。?］ 游侃民.嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡化BOOTLOADER的設計與實現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學,2010.

　?。?］ 許青青.一種輕量級Bootloader(LWBL)的設計與實現(xiàn)［D］.上海:華東師范大學,2012.