STM32固件升级设计——SPIFLASH模拟U盘升级固件
摘要： 本文介绍了基于STM32的USB模拟U盘升级固件实现方案。系统将Flash划分为BootLoader(32K)、Setting(4K)和APP(476K)三个区域，通过修改MSP和PC实现多程序切换。BootLoader程序包含USB Mass Storage、W25Q64存储和FATFS文件系统驱动，支持通过U盘拖拽bin文件实现固件升级。
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概述
IAP（In Application Programming）即在应用中编程，允许在应用程序运行时更新或切换固件。STM32通过修改MSP（主堆栈指针）和PC（程序计数器）实现从不同地址启动，包括Flash或RAM地址。默认情况下，嵌入式程序以连续二进制形式烧录到STM32的可寻址Flash区域。若Flash容量足够存储多个完整程序，每个程序独立且完整，上电后可通过修改MSP值选择不同程序入口，从而实现多固件切换或升级。
BootLoader（引导加载程序）是嵌入式系统或计算机启动时运行的一段小型程序，负责初始化硬件、加载操作系统内核并将其控制权移交。它是系统从关机状态到操作系统完全运行之间的桥梁。
所以，固件升级的基本思路是将stm32的flash划分为若干个区域，其中包括BootLoader区域和APP区等，将各自的程序写到对应的flash区域里。
一、功能描述
使用STM32的USB总线及外置W25Q64实现USB模拟U盘升级程序功能。
分区介绍：
本文使用stm32f103vet6，flash是512k，sector是1k，BootLoader整个代码编译下来有23K左右，所以使用0x08000000~0x00007FFF（如果想更大化地利用flash，可以不要setting区域，具体看自己如何写了），APP整个代码使用剩下的0x08009000~0x0807FFFF 区域。
| 区域 | 起始地址 | 区域大小 | 功能 |
|---|---|---|---|
| BOOT | 0x08000000 | 0x00008000(32k) | 存放BootLoader程序 |
| SETTING | 0x08008000 | 0x00001000(4k) | 存放升级标志位/其它掉电不丢失标志位 |
| APP | 0x08009000 | 0x00077000(476k) | 存放产品主程序 |
1、BootLoader部分：
运行程序时首先从SETTING区域读取升级标志位，如果需要升级就进入识别U盘程序，否则就直接跳转到APP。上电长按KEY1并复位，电脑上即可模拟出U盘，识别到U盘后拖拽固件bin文件到U盘，然后将W25Q64里的fatfs文件系统的升级文件拷贝到APP起始地址，即可实现升级程序，具体请查看本文源码。
2、APP部分：
该部分只需要设置中断向量跳转指针就行，如果通过串口等下发升级标志位也可以设置SETTING区域后复位进入BootLoader升级。
二、BootLoader程序制作
需要包含USB Device中的Mass_Strorage和w25q64以及fatfs文件系统的驱动代码。（这部分是需要仔细研究做好的，我是根据正点原子和野火的教程移植的，具体流程不做了）
1、分区定义
#define FLASH_SECTOR_SIZE 1024 //MCU sector size
#define FLASH_SECTOR_NUM 512 // 512K
#define FLASH_START_ADDR ((uint32_t)0x8000000)
#define FLASH_END_ADDR ((uint32_t)(0x8000000 + FLASH_SECTOR_NUM * FLASH_SECTOR_SIZE))
#define BOOT_SECTOR_ADDR 0x08000000 // BOOT sector start address
#define BOOT_SECTOR_SIZE 0x8000
#define SETTING_SECTOR_ADDR 0x08008000 //APP设置的boot升级标志位
#define SETTING_SECTOR_SIZE 0x1000
#define APP_SECTOR_ADDR 0x08009000 // APP sector start address
#define APP_SECTOR_SIZE 0x77000
#define APP_ERASE_SECTORS (APP_SECTOR_SIZE / FLASH_SECTOR_SIZE)
typedef enum {
NONE = 0,
START_PROGRAM, //进入APP主程序或者有更新就执行更新
UPDATE_PROGRAM, //进入更新
UPDATE_SUCCESS //更新成功写标志位
}Update_Process; //更新状态2、 主函数
这部分包含了升级的所有状态，主要思路是判断到U盘里有firmware.bin文件就执行升级，具体看代码。
Update_Process bootupdate_process;
void spiflash_update()
{
u8 file_buffer[512]={0};
uint32_t flash_addr = APP_SECTOR_ADDR;
unsigned long total_bytes_read = 0;
UINT bytes_read;
fres=f_mount(&fs,"1:",1); //挂载FLASH.
if(fres==FR_OK)//FLASH磁盘,FAT文件系统正常
{
printf("Flash disk OK!\r\n");
}
// 判断flash根目录下是否有firmware.bin文件
fres = f_stat("1:/firmware.bin", &fno);
if(fres == FR_OK)
{
printf("1:/firmware.bin”文件信息：\n");
printf("》文件大小: %ld(字节)\n", fno.fsize);
iap_flash_erase(flash_addr, (fno.fsize/FLASH_SECTOR_SIZE)+1);
}
else{
printf("firmware.bin not found!\r\n");
}
if(fres == FR_OK)
{
// 文件存在
printf("firmware.bin found, size: %lu bytes\r\n", fno.fsize);
printf("开始更新固件...\r\n");
// 打开固件文件
fres = f_open(&firmware_file, "1:/firmware.bin", FA_READ);
if(fres == FR_OK)
{
// 循环读取文件内容
while (total_bytes_read < fno.fsize)
{
// 读取数据块到缓冲区
fres = f_read(&firmware_file, file_buffer, 512, &bytes_read);
if (fres != FR_OK || bytes_read == 0)
{
// 读取出错或到达文件末尾
printf("读取文件失败或文件已结束，错误码: %d\r\n", fres);
break;
}
// 写入到FLASH
printf("正在写入地址 0x%08X，大小: %u 字节\r\n", flash_addr, bytes_read);
iap_write_appbin(flash_addr, file_buffer, bytes_read);
// 更新计数器和地址
total_bytes_read += bytes_read;
flash_addr += bytes_read;
// 显示进度
printf("更新进度: %lu/%lu bytes\r\n",
total_bytes_read, fno.fsize);
}
// 关闭文件
f_close(&firmware_file);
if (total_bytes_read == fno.fsize)
{
printf("固件更新完成! 共写入 %lu 字节\r\n", total_bytes_read);
//固件更新完成后删除firmware.bin文件
fres = f_unlink("1:/firmware.bin");
if (fres == FR_OK) {
printf("firmware.bin文件删除成功\r\n");
} else {
printf("删除firmware.bin文件失败，错误码: %d\r\n", fres);
}
} else {
printf("固件更新未完成! 已写入 %lu/%lu 字节\r\n", total_bytes_read, fno.fsize);
}
}
}
else
{
// 文件不存在
printf("firmware.bin not found!\r\n");
}
}
static void iap_process(void)
{
uint8_t offline_cnt=0;
uint8_t tct=0;
uint8_t USB_STA;
uint8_t Device_STA;
// 定义最大重试次数和每次等待间隔
const uint8_t max_retries = 5;
const uint8_t wait_interval_ms = 100;
uint8_t retry_count = 0;
switch (bootupdate_process)
{
case NONE:
break;
case START_PROGRAM:
spiflash_update();
printf("start app...\r\n");
delay_ms(50);
if ((((*(vu32*)(APP_SECTOR_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)&&(!iap_load_app(APP_SECTOR_ADDR)))
{
printf("no program\r\n");
delay_ms(1000);
}
printf("start app failed\r\n");
break;
case UPDATE_PROGRAM:
MAL_Init(0);
Max_Lun=0;
USB_Interrupts_Config();
/*设置USB时钟为48M*/
Set_USBClock();
USB_Init();
// while (bDeviceState != CONFIGURED); //等待配置完成
// 等待配置完成，最多重试 5 次
while (bDeviceState != CONFIGURED && retry_count < max_retries) {
delay_ms(wait_interval_ms);
retry_count++;
}
// 若 5 次后仍未配置完成，进入 START_PROGRAM 状态
if (bDeviceState != CONFIGURED) {
printf("USB 配置失败，尝试 5 次后退出，进入 START_PROGRAM 状态。\r\n");
bootupdate_process = START_PROGRAM;
return;
}
while(1)
{
delay_ms(1);
if(USB_STA!=USB_STATUS_REG)//状态改变了
{
if(USB_STATUS_REG&0x01)//正在写
{
printf("USB Writing...\r\n");//提示USB正在写入数据
}
if(USB_STATUS_REG&0x02)//正在读
{
printf("USB Reading...\r\n");//提示USB正在读出数据
}
if(USBD_User_App() == FR_OK) //检测到有对应的bin文件
{
bootupdate_process=UPDATE_SUCCESS;
delay_ms(500);
break;
}
if(USB_STATUS_REG&0x04)printf("USB Write Err\r\n");//提示写入错误
if(USB_STATUS_REG&0x08)printf("USB Read Err\r\n");//提示读出错误
USB_STA=USB_STATUS_REG;//记录最后的状态
}
if(Device_STA!=bDeviceState)
{
if(bDeviceState==CONFIGURED)
{
LED1_ON;//提示USB连接已经建立
}
else
{
LED1_OFF;//提示USB被拔出了
}
Device_STA=bDeviceState;
}
tct++;
if(tct==200)
{
tct=0;
LED1_TOGGLE;//提示系统在运行
if(USB_STATUS_REG&0x10)
{
LED1_ON;
offline_cnt=0;//USB连接了,则清除offline计数器
bDeviceState=CONFIGURED;
}else//没有得到轮询
{
LED1_OFF;
offline_cnt++;
if(offline_cnt>10)bDeviceState=UNCONNECTED;//2s内没收到在线标记,代表USB被拔出了
}
USB_STATUS_REG=0;
}
}
break;
case UPDATE_SUCCESS:
bootupdate_process=START_PROGRAM;
write_setting_boot_state(bootupdate_process);
NVIC_SystemReset();
break;
default:
break;
}
}
int main(void)
{
USART_Config();
LED_GPIO_Config();
printf("\r\n 使用指南者底板时 左上角排针位置 不要将PC0盖有跳帽 防止影响PC0做SPIFLASH片选脚 \r\n");
bootupdate_process=(Update_Process)read_setting_boot_state();
if(Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == 1)
{
bootupdate_process=UPDATE_PROGRAM;
}
while (1)
{
iap_process();
}
}3、配置USB
这部分根据野火代码移植而来，usb硬件配置自己看代码理解就好，一般没什么问题，w25q64最高有8Mbyte，前面2M用作其它用途，后面6M用做U盘，所以需要偏移2M，w25q64的底层读写函数需要特别注意，如果U盘出bug，大概率是以下几个函数有误。
uint16_t MAL_Init(uint8_t lun)
{
u16 Status=MAL_OK;
switch (lun)
{
case 0:
W25QXX_Init(); //初始化W25Q64
break;
case 1:
break;
default:
return MAL_FAIL;
}
return Status;
}
uint16_t MAL_Write(uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Writebuff, uint16_t Transfer_Length)
{
switch (lun) //这里,根据lun的值确定所要操作的磁盘
{
case 0: //磁盘0为 SPI FLASH盘
Memory_Offset+=(512*4096);//扇区偏移，外部Flash文件系统空间放在外部Flash后面6M空间
W25QXX_Write((u8*)Writebuff, Memory_Offset, Transfer_Length);
printf("Memory_Offset=%llu\r\n",Memory_Offset);
break;
case 1: //磁盘1为SD卡
break;
default:
return MAL_FAIL;
}
return MAL_OK;
}
uint16_t MAL_Read(uint8_t lun, uint64_t Memory_Offset, uint32_t *Readbuff, uint16_t Transfer_Length)
{
switch (lun) //这里,根据lun的值确定所要操作的磁盘
{
case 0: //磁盘0为 SPI FLASH盘
Memory_Offset+=(512*4096);//扇区偏移，外部Flash文件系统空间放在外部Flash后面6M空间
W25QXX_Read((u8*)Readbuff, Memory_Offset, Transfer_Length);
break;
case 1: //磁盘1为SD卡
break;
default:
return MAL_FAIL;
}
return MAL_OK;
}
uint16_t MAL_GetStatus (uint8_t lun)
{
switch(lun)
{
case 0:
if(W25QXX_TYPE!=W25Q64) //最高只能到8Mbyte
printf("W25Q64 Error!\r\n");//检测spiflash错误
else //SPI FLASH 正常
{
Mass_Block_Size[0] =4096; //设置SPI FLASH的操作扇区大小为4096
Mass_Block_Count[0]=1536;
Mass_Memory_Size[0]=Mass_Block_Size[0]*Mass_Block_Count[0]; //总字节
// printf("SPI FLASH Size:%dMB\r\n",(uint8_t)(Mass_Memory_Size[0]/1024/1024));
}
return MAL_OK;
case 1:
return MAL_OK;
default:
return MAL_FAIL;
}
}4、配置fatfs文件系统
这部分也是根据野火代码移植而来，需要特别注意扇区大小和数量需要和USB配置的一样。
//初始化磁盘
DSTATUS disk_initialize (
BYTE pdrv /* Physical drive nmuber to identify the drive */
)
{
DSTATUS status = STA_NOINIT;
uint16_t i;
switch(pdrv)
{
case SD_CARD://SD卡
break;
case EX_FLASH://外部flash
/* 初始化SPI Flash */
W25QXX_Init();
/* 延时一小段时间 */
i=500;
while(--i);
/* 唤醒SPI Flash */
W25QXX_WAKEUP();
/* 获取SPI Flash芯片状态 */
status=disk_status(EX_FLASH);
break;
default:
status=STA_NOINIT;
}
return status;
}
//读扇区
DRESULT disk_read (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */
BYTE *buff, /* Data buffer to store read data */
DWORD sector, /* Sector address in LBA */
UINT count /* Number of sectors to read */
)
{
DRESULT status = RES_PARERR;
switch(pdrv)
{
case SD_CARD://SD卡
break;
case EX_FLASH://外部flash
/* 扇区偏移2MB，外部Flash文件系统空间放在SPI Flash后面6MB空间 */
sector+=512;
W25QXX_Read(buff, sector <<12, count<<12);
status = RES_OK;
break;
default:
status = RES_PARERR;
}
return status;
}
//写扇区
DRESULT disk_write (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */
const BYTE *buff, /* Data to be written */
DWORD sector, /* Sector address in LBA */
UINT count /* Number of sectors to write */
)
{
uint32_t write_addr;
DRESULT status = RES_PARERR;
if (!count) {
return RES_PARERR; /* Check parameter */
}
switch(pdrv)
{
case SD_CARD://SD卡
break;
case EX_FLASH://外部flash
sector+=512;
write_addr = sector<<12;
W25QXX_Write((u8 *)buff,write_addr,count<<12);
status = RES_OK;
break;
default:
status = RES_PARERR;
}
return status;
}
//其他表参数的获得
DRESULT disk_ioctl (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */
BYTE cmd, /* Control code */
void *buff /* Buffer to send/receive control data */
)
{
DRESULT status = RES_PARERR;
switch (pdrv)
{
case SD_CARD: /* SD CARD */
status = RES_OK;
break;
case EX_FLASH:
switch (cmd)
{
/* 扇区数量：1536*4096/1024/1024=6(MB) */
case GET_SECTOR_COUNT:
*(DWORD * )buff = 1536;
break;
/* 扇区大小 */
case GET_SECTOR_SIZE :
*(WORD * )buff = 4096;
break;
/* 同时擦除扇区个数 */
case GET_BLOCK_SIZE :
*(DWORD * )buff = 1;
break;
}
status = RES_OK;
break;
default:
status = RES_PARERR;
}
return status;
}5、程序跳转
跳转这部分网上也很多，基本没什么区别，关于中断可能要注意一下，可能跳转之前，某些外设中断是开启的，跳转之后，中断产生了，但是APP代码中没有处理对应该中断的中断处理函数，所以就可能会直接死机。
uint8_t iap_load_app(u32 appxaddr)
{
uint8_t i;
uint32_t jump_addr;
if (((*(__IO uint32_t*)appxaddr) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
{
jump_addr = *(__IO uint32_t*) (appxaddr + 4);
jump2app = (iapfun)jump_addr;
/* 关闭所有中断，清除所有中断挂起标志 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
NVIC->ICER[i]=0xFFFFFFFF;
NVIC->ICPR[i]=0xFFFFFFFF;
}
__set_MSP(*(__IO uint32_t*)appxaddr);
jump2app();
return 1;
}
return 0;
} 三、APP程序制作
这部分设置一下flash的偏移量就行。
NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x9000);四、工程配置（默认KEIL5）
BootLoader部分：0x08000000~0x00007FFF
APP部分：0x08009000~0x800FFFFF
五、运行测试
长按KEY1点击复位（断电重启）可以看到识别到U盘(H:)，大小也正常，然后往里面复制一个固件firmware.bin（注意这里的固件名一定要是唯一的，不然程序识别不到），复制进去就会执行升级程序，可以看到打印信息显示固件更新成功。
结束语
以上SPIFLASH模拟U盘升级固件功能已实现，这只是其中的一种升级方式，后面大家看到的也希望可以得到大家的指点。主要的USB库和fatfs库移植教程就不给出来了，网上很多，基本都能实现。
完整代码下载地址：SPIFLASH模拟U盘升级固件资源-CSDN下载
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