AT32講堂031 | 如何使用AT32F407以太網(wǎng)通信接口實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用中編程(IAP)

IAP概述

工作原理

在應(yīng)用中編程(IAP)是一種在現(xiàn)場(chǎng)通過 MCU 通信接口（例如 USART、USB、CAN 和以太網(wǎng)）進(jìn)行固件升級(jí)的方式。

啟動(dòng)微控制器時(shí)，可以選擇讓其在以下任一模式運(yùn)行：

IAP模式，用于執(zhí)行IAP代碼

正常模式，用于執(zhí)行應(yīng)用程序代碼

無論是IAP代碼還是應(yīng)用程序代碼都位于微控制器的內(nèi)置FLASH中，IAP代碼通常存儲(chǔ)在MCU FLASH的第一頁，而用戶應(yīng)用程序代碼則占據(jù)剩余的FLASH區(qū)域。圖1介紹了IAP操作流程

圖1 IAP操作流程

使用MCU以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)IAP

如果有以太網(wǎng)可用，則它通常是嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)IAP功能的首選接口，其優(yōu)勢(shì)包含：

高速通信接口(10/100 Mbps)

通過網(wǎng)絡(luò)(LAN或WAN)進(jìn)行遠(yuǎn)程編程

可以使用FTP、TFTP、HTTP等基于TCP/IP棧的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用協(xié)議實(shí)現(xiàn)IAP

通過以太網(wǎng)在AT32F407上實(shí)現(xiàn)IAP

本應(yīng)用筆記將介紹兩種使用以太網(wǎng)通信外設(shè)在AT32F407上實(shí)現(xiàn)IAP的解決方案：

使用TFTP（簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議）的IAP

使用HTTP（超文本傳輸協(xié)議）的IAP

這兩種解決方案均基于LwIP棧(2.1.2), 它是輕量級(jí)的TCP/IP協(xié)議棧

使用TFTP實(shí)現(xiàn)IAP方法

使用TFTP實(shí)現(xiàn)IAP的方法廣泛應(yīng)用于需要具有固件升級(jí)功能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中（例如，嵌入式Linux bootloader中）。

TFTP是一種在UDP傳輸層上執(zhí)行的簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議。此協(xié)議非常適合在局域網(wǎng)環(huán)境中使用。它基于客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，客戶端會(huì)向服務(wù)器發(fā)出文件傳輸請(qǐng)求（讀取或?qū)懭氩僮鳎?。為?shí)現(xiàn)IAP，需要在LwIP協(xié)議棧上實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的TFTP服務(wù)器，服務(wù)器只須處理來自PC的TFTP客戶端的寫入請(qǐng)求即可。

使用HTTP實(shí)現(xiàn)IAP方法

使用HTTP協(xié)議進(jìn)行固件升級(jí)沒有使用TFTP常見，但是在需要通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程編程時(shí)，這種解決方案就顯得極為有用。這時(shí)，需要使用TCP傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)HTTP服務(wù)。

HTTP基于TCP協(xié)議運(yùn)行，它提供了一個(gè)一種以HTML表單形式從Web客戶端(Mozilla Firefox或Microsoft Internet Explorer)發(fā)送一個(gè)二進(jìn)制文件的方式。這稱為HTTP文件上傳(RFC1867)。

本文檔中的后續(xù)章節(jié)將詳細(xì)介紹這兩種IAP方法的實(shí)現(xiàn)，并會(huì)對(duì)如何使用軟件進(jìn)行說明。

使用TFTP實(shí)現(xiàn)IAP

TFTP概述

TFTP是一種基于UDP的簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議。文件傳輸由TFTP客戶端發(fā)起，會(huì)向TFTP服務(wù)器發(fā)送讀取或?qū)懭胝?qǐng)求。服務(wù)器確認(rèn)請(qǐng)求后，即開始進(jìn)行文件數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)將以固定大小的塊盡情發(fā)送（例如每塊含512個(gè)字節(jié)）。

必須在每個(gè)發(fā)出的數(shù)據(jù)塊都得到接收方確認(rèn)后，才可以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)塊。這種確認(rèn)機(jī)制通過隨各個(gè)數(shù)據(jù)塊一同發(fā)送的編塊號(hào)來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)塊小于固定塊大小表示文件傳輸?shù)慕Y(jié)束。

圖2描述了各種TFTP數(shù)據(jù)包的格式：

圖2 TFTP數(shù)據(jù)包

表1列出了TFTP操作碼。

表1 TFTP操作碼

使用TFTP為AT32F407實(shí)現(xiàn)IAP

此IAP實(shí)現(xiàn)由基于LwIP TCP/IP棧的TFTP服務(wù)器組成。

此服務(wù)器會(huì)對(duì)遠(yuǎn)程TFTP客戶端(PC)發(fā)來的寫請(qǐng)求做出響應(yīng)。

TFTP讀請(qǐng)求會(huì)被忽略。

TFTP通常會(huì)將接收到的文件寫入到文件系統(tǒng)，但是該服務(wù)器卻并非如此，它會(huì)將接受到的數(shù)據(jù)塊寫入到MCU FLASH（用戶FLASH區(qū)域中）。

注：在這個(gè)實(shí)現(xiàn)過程中，數(shù)據(jù)塊大小固定為512個(gè)字節(jié)。

圖3概述了使用TFTP實(shí)現(xiàn)IAP操作的過程。

圖3 使用TFTP實(shí)現(xiàn)IAP流程圖

使用軟件

要通過TFTP對(duì)IAP進(jìn)行測(cè)試，需執(zhí)行以下步驟：

1.在iap.h文件中，取消USE_IAP_TFTP選項(xiàng)的注釋。

2. 重新編譯軟件。使用生成的映射文件，確保IAP代碼區(qū)域之間沒有重疊（從地址0x0開始），而且用戶FLASH區(qū)域從以下地址開始：APP_START_SECTOR_ADDR（在iap.h中定義）。

3. 在AT32 FLASH中編寫并運(yùn)行軟件程序。

4. 要進(jìn)入IAP模式，需要在按住開發(fā)版上的USER Key。

5. 分配完IP后（可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地址），用戶即可啟動(dòng)IAP流程。

6. 在PC側(cè)，打開TFTP客戶端（例如Tftpd64），然后配置TFTP服務(wù)器地址（Tftpd64中的主機(jī)地址）

7. 單擊Tftpd64實(shí)用程序中的Put（寫入）按鈕，啟動(dòng)文件寫請(qǐng)求

8. 在IAP操作結(jié)束時(shí)，可以復(fù)位開發(fā)板并在AT32 FLASH中運(yùn)行剛剛編寫的應(yīng)用程序

圖4 TFTP64對(duì)話框

使用HTTP實(shí)現(xiàn)IAP

HTTP文件上傳概述

RFC1867中定義了使用HTTP進(jìn)行文件上傳。此文件上傳方法是基于HTTP表單。發(fā)送原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)，要使用HTTP POST方法而不是GET方法。

以下是一個(gè)HTML代碼示例，用于實(shí)現(xiàn)基于表單的文件上傳：

圖5 文件上傳HTML表單的瀏覽器畫面

注：在發(fā)送文件數(shù)據(jù)前，Web客戶端會(huì)首先發(fā)送HTTP頭文件數(shù)據(jù)，其中包含諸如文件名稱和內(nèi)容長(zhǎng)度等信息，Web 服務(wù)器必須對(duì)其中的一些信息進(jìn)行解析。

Web客戶端使用的HTTP頭文件格式并不總是相同。圖6顯示的是Internet Explorer在POST請(qǐng)求中的HTTP頭文件格式。圖7顯示的是Mozilla Firefox的HTTP頭文件格式。

HTTP Web服務(wù)器必須能夠處理這些不同的格式。

圖6 IE11 HTTP頭文件格式

圖7 Mozilla Firefox HTTP頭文件格式

使用HTTP在AT32F407上實(shí)現(xiàn)IAP

此IAP實(shí)現(xiàn)由基于LwIP棧的HTTP Web服務(wù)器組成。

在瀏覽器中輸入的AT32的IP地址后，將顯示登錄Web頁面（圖8）。此登錄Web頁面只有已獲授權(quán)的用戶才能使用IAP文件上傳功能。圖8 登錄web頁面

注：1. 默認(rèn)的User ID（用戶ID）為user, Password（密碼）為at32

2. 如果User ID（用戶ID）或Password（密碼）不正確，登錄Web頁面會(huì)重新加載。

登錄成功后，瀏覽并選擇要上傳到AT32 FLASH的二進(jìn)制文件

注：確保二進(jìn)制文件大小不超過AT32用戶FLASH區(qū)域的總?cè)萘俊?/i>

單擊Upload（上傳）按鈕后（參見圖x），將向服務(wù)器發(fā)出POST請(qǐng)求。這時(shí)，服務(wù)器開始擦除用戶FLASH區(qū)域的全部?jī)?nèi)容，等待接受二進(jìn)制文件原始數(shù)據(jù)。然后將街收到的數(shù)據(jù)寫入用戶FLASH區(qū)域。

注意，要接收的數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度信息將從傳輸開始時(shí)發(fā)出的HTTP頭文件數(shù)據(jù)中提取。

在IAP操作結(jié)束后，Web頁面將只是IAP操作成功，同時(shí)顯示一個(gè)可用于復(fù)位MCU的按鈕。

圖9 文件上傳完成web頁面

圖10對(duì)使用HTTP實(shí)現(xiàn)IAP方法進(jìn)行了總結(jié)

圖10 使用HTTP實(shí)現(xiàn)IAP的流程圖

使用軟體

要使用HTTP對(duì)IAP進(jìn)行測(cè)試，需執(zhí)行以下步驟：

1. 在iap.h文件中，取消選項(xiàng)USE_IAP_HTTP的注釋。

2. 重新編譯軟件，使用生成的映射文件，確保IAP區(qū)域代碼之間沒有重疊（從地址0x0開始），而且用戶FLASH區(qū)域從以下地址開始：APP_START_SECTOR_ADDR（在iap.h中定義）。

3. 在AT32 FLASH中編寫并運(yùn)行軟件程序。

4. 要進(jìn)入IAP模式，需要再按住開發(fā)版上的USER Key。

5. 分配完IP地址后（可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地址），用戶即可啟動(dòng)IAP流程

6. 打開Web客戶端（Mozilla Firefox或Internet Explorer），輸入AT32 IP地址

7. 會(huì)顯示登錄Web頁面。在User ID（用戶ID）字段中輸入”user”，在Password（密碼）字段中輸入”at32”，然后按下Login（登錄）按鈕。

8. IP操作結(jié)束后，將加載新的Web頁面，只是文件上傳操作已經(jīng)成功完成。

9. 可以按下Reset MCU（復(fù)位MCU）按鈕復(fù)位MCU，然后在AT32 FLASH中運(yùn)行剛剛編寫的應(yīng)用程序。

注：使用以下Web客戶端對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試：Microsoft Internet Explorer 11和Mozilla Firefox 80.0

已知限制

二進(jìn)制文件中添加的額外字節(jié)

Internet瀏覽器（Microsoft Internet Explorere或Mozilla Firefox）會(huì)在上傳的二進(jìn)制文件的末尾添加一個(gè)隨機(jī)邊界標(biāo)記（根據(jù)RFC1521規(guī)定，此標(biāo)記不得超過72個(gè)字節(jié)）。在最新的IAP軟件版本中，并沒有刪除此邊界標(biāo)記，而是在空間足夠的情況下將其存儲(chǔ)在FLASH中。如果沒有足夠空間，則不會(huì)在FLASH中寫入額外字節(jié)，也不會(huì)返回錯(cuò)誤。

環(huán)境

硬件配置

1. DM9162以太網(wǎng)模塊

2. AT-START-F407開發(fā)板

3. 以太網(wǎng)線

軟件源碼

utilities\at32f407_emac_iap_demo\source_code\bootloader, emac iap源程序，運(yùn)行iap升級(jí)程序

MAC地址和IP地址設(shè)置

在netconf.h文件中對(duì)MAC地址進(jìn)行了定義。

默認(rèn)的MAC地址固定為：004456:01。

在netconf.h文件中對(duì)IP地址進(jìn)行了定義。

IP地址可以設(shè)置為靜態(tài)地址，也可以設(shè)置為由DHCP服務(wù)器分配的動(dòng)態(tài)地址。默認(rèn)的靜態(tài)地址為：192.168.81.37。

可以通過在lwipopts.h文件中使能LWIP_DHCP來選擇DHCP模式。

軟件文件組成

表2 介紹了項(xiàng)目源文件

注：表格中沒有列出標(biāo)準(zhǔn)固件庫和LwIP棧中所使用的文件。

構(gòu)建IAP映像

為了構(gòu)建IAP映像（將會(huì)使用IAP軟件加載），應(yīng)確保以下幾點(diǎn)：

1. 編譯/鏈接的軟件必須從用戶FLASH區(qū)域的起始地址開始運(yùn)行（此地址應(yīng)與iap.h的

APP_START_SECTOR_ADDR 中所定義的地址相同）。

2. 將向量表的起始地址配置為用戶FLASH區(qū)域的起始地址：

A. 在應(yīng)用程序代碼中，使用misc.h/.c驅(qū)動(dòng)程序的NVIC_SetVectorTable函數(shù)來重新定位應(yīng)用程序加載地址的向量表。

例如，將向量表基本位置設(shè)置為0x08010000：

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x10000);

B. 通過修改system_at32f4xx.c文件中定義的VECT_TAB_OFFSET常量的值。

例如，將向量表基本位置設(shè)置為0x08010000：

#define VECT_TAB_OFFSET 0x10000

3. 編譯后的軟件大小不超過用戶FLASH區(qū)域的總?cè)萘俊?/p>

關(guān)于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推動(dòng)全球市場(chǎng)32位微控制器(MCU)創(chuàng)新趨勢(shì)的芯片設(shè)計(jì)公司，專注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研發(fā)與創(chuàng)新，全系列采用55nm先進(jìn)工藝及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗內(nèi)核，締造M4業(yè)界最高主頻288MHz運(yùn)算效能，并支持工業(yè)級(jí)別芯片工作溫度范圍（-40°~105°）。雅特力目前已累積相當(dāng)多元的終端產(chǎn)品成功案例：如微型打印機(jī)、掃地機(jī)、光流無人機(jī)、熱成像儀、激光雷達(dá)、工業(yè)縫紉機(jī)、伺服驅(qū)控、電競(jìng)周邊市場(chǎng)、斷路器、ADAS、T-BOX、數(shù)字電源、電動(dòng)工具等終端設(shè)備應(yīng)用，廣泛地覆蓋5G、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)、商務(wù)及工控等領(lǐng)域。