使用MCU以太网接口实现IAP

 

IAP概述 

工作原理

在应用中编程(IAP)是一种在现场通过 MCU 通信接口（例如 USART、USB、CAN 和以太网）进行固件升级的方式。

启动微控制器时，可以选择让其在以下任一模式运行：

IAP模式，用于执行IAP代码

正常模式，用于执行应用程序代码

无论是IAP代码还是应用程序代码都位于微控制器的内置FLASH中，IAP代码通常存储在MCU FLASH的第一页，而用户应用程序代码则占据剩余的FLASH区域。 图1介绍了IAP操作流程

图1 IAP操作流程

使用MCU以太网接口实现IAP

如果有以太网可用，则它通常是嵌入式系统中实现IAP功能的首选接口，其优势包含：

高速通信接口(10/100 Mbps)

通过网络(LAN或WAN)进行远程编程

可以使用FTP、TFTP、HTTP等基于TCP/IP栈的标准应用协议实现IAP

通过以太网在AT32F407上实现IAP

本应用笔记将介绍两种使用以太网通信外设在AT32F407上实现IAP的解决方案：

使用TFTP（简单文件传输协议）的IAP

使用HTTP（超文本传输协议）的IAP

这两种解决方案均基于LwIP栈(2.1.2), 它是轻量级的TCP/IP协议栈

使用TFTP实现IAP方法

使用TFTP实现IAP的方法广泛应用于需要具有固件升级功能的嵌入式系统应用中（例如，嵌入式Linux bootloader中）。

TFTP是一种在UDP传输层上执行的简单文件传输协议。此协议非常适合在局域网环境中使用。它基于客户端/服务器架构，在这种架构中，客户端会向服务器发出文件传输请求（读取或写入操作）。为实现IAP，需要在LwIP协议栈上实现一个简单的TFTP服务器，服务器只须处理来自PC的TFTP客户端的写入请求即可。

使用HTTP实现IAP方法

使用HTTP协议进行固件升级没有使用TFTP常见，但是在需要通过Internet进行远程编程时，这种解决方案就显得极为有用。这时，需要使用TCP传输协议来实现HTTP服务。

HTTP基于TCP协议运行，它提供了一个一种以HTML表单形式从Web客户端(Mozilla Firefox或Microsoft Internet Explorer)发送一个二进制文件的方式。这称为HTTP文件上传(RFC1867)。

本文档中的后续章节将详细介绍这两种IAP方法的实现，并会对如何使用软件进行说明。

使用TFTP实现IAP 

TFTP概述

TFTP是一种基于UDP的简单文件传输协议。文件传输由TFTP客户端发起，会向TFTP服务器发送读取或写入请求。服务器确认请求后，即开始进行文件数据传输。数据将以固定大小的块尽情发送（例如每块含512个字节）。

必须在每个发出的数据块都得到接收方确认后，才可以发送下一个数据块。这种确认机制通过随各个数据块一同发送的编块号来实现。数据块小于固定块大小表示文件传输的结束。

图2描述了各种TFTP数据包的格式：

图2 TFTP数据包

表1列出了TFTP操作码。

表1 TFTP操作码

使用TFTP为AT32F407实现IAP

此IAP实现由基于LwIP TCP/IP栈的TFTP服务器组成。

此服务器会对远程TFTP客户端(PC)发来的写请求做出响应。

TFTP读请求会被忽略。

TFTP通常会将接收到的文件写入到文件系统，但是该服务器却并非如此，它会将接受到的数据块写入到MCU FLASH（用户FLASH区域中）。

注：在这个实现过程中，数据块大小固定为512个字节。

图3概述了使用TFTP实现IAP操作的过程。

图3 使用TFTP实现IAP流程图

使用软件

要通过TFTP对IAP进行测试，需执行以下步骤：

1. 在iap.h文件中，取消USE_IAP_TFTP选项的注释。

2. 重新编译软件。使用生成的映射文件，确保IAP代码区域之间没有重叠（从地址0x0开始），而且用户FLASH区域从以下地址开始：APP_START_SECTOR_ADDR（在iap.h中定义）。

3. 在AT32 FLASH中编写并运行软件程序。

4. 要进入IAP模式，需要在按住开发版上的USER Key。

5. 分配完IP后（可以是静态或动态地址），用户即可启动IAP流程。

6. 在PC侧，打开TFTP客户端（例如Tftpd64），然后配置TFTP服务器地址（Tftpd64中的主机地址）

7. 单击Tftpd64实用程序中的Put（写入）按钮，启动文件写请求

8. 在IAP操作结束时，可以复位开发板并在AT32 FLASH中运行刚刚编写的应用程序

图4 TFTP64对话框

使用HTTP实现IAP 

HTTP文件上传概述

RFC1867中定义了使用HTTP进行文件上传。此文件上传方法是基于HTTP表单。发送原始二进制数据时，要使用HTTP POST方法而不是GET方法。

以下是一个HTML代码示例，用于实现基于表单的文件上传：

图5 文件上传HTML表单的浏览器画面

注：在发送文件数据前，Web客户端会首先发送HTTP头文件数据，其中包含诸如文件名称和内容长度等信息，Web 服务器必须对其中的一些信息进行解析。

Web客户端使用的HTTP头文件格式并不总是相同。图6显示的是Internet Explorer在POST请求中的HTTP头文件格式。图7显示的是Mozilla Firefox的HTTP头文件格式。

HTTP Web服务器必须能够处理这些不同的格式。

图6 IE11 HTTP头文件格式

图7 Mozilla Firefox HTTP头文件格式

使用HTTP在AT32F407上实现IAP

此IAP实现由基于LwIP栈的HTTP Web服务器组成。

在浏览器中输入的AT32的IP地址后，将显示登录Web页面（图8）。此登录Web页面只有已获授权的用户才能使用IAP文件上传功能。 图8 登录web页面

注：1. 默认的User ID（用户ID）为user, Password（密码）为at32

2. 如果User ID（用户ID）或Password（密码）不正确，登录Web页面会重新加载。

登录成功后，浏览并选择要上传到AT32 FLASH的二进制文件

注：确保二进制文件大小不超过AT32用户FLASH区域的总容量。

单击Upload（上传）按钮后（参见图x），将向服务器发出POST请求。这时，服务器开始擦除用户FLASH区域的全部内容，等待接受二进制文件原始数据。然后将街收到的数据写入用户FLASH区域。

注意，要接收的数据总长度信息将从传输开始时发出的HTTP头文件数据中提取。

在IAP操作结束后，Web页面将只是IAP操作成功，同时显示一个可用于复位MCU的按钮。

图9 文件上传完成web页面

图10对使用HTTP实现IAP方法进行了总结

图10 使用HTTP实现IAP的流程图

使用软体

要使用HTTP对IAP进行测试，需执行以下步骤：

1. 在iap.h文件中，取消选项USE_IAP_HTTP的注释。

2. 重新编译软件，使用生成的映射文件，确保IAP区域代码之间没有重叠（从地址0x0开始），而且用户FLASH区域从以下地址开始：APP_START_SECTOR_ADDR（在iap.h中定义）。

3. 在AT32 FLASH中编写并运行软件程序。

4. 要进入IAP模式，需要再按住开发版上的USER Key。

5. 分配完IP地址后（可以是静态或动态地址），用户即可启动IAP流程

6. 打开Web客户端（Mozilla Firefox或Internet Explorer），输入AT32 IP地址

7. 会显示登录Web页面。在User ID（用户ID）字段中输入”user”，在Password（密码）字段中输入”at32”，然后按下Login（登录）按钮。

8. IP操作结束后，将加载新的Web页面，只是文件上传操作已经成功完成。

9. 可以按下Reset MCU（复位MCU）按钮复位MCU，然后在AT32 FLASH中运行刚刚编写的应用程序。

注：使用以下Web客户端对软件进行测试：Microsoft Internet Explorer 11和Mozilla Firefox 80.0

已知限制

二进制文件中添加的额外字节

Internet浏览器（Microsoft Internet Explorere或Mozilla Firefox）会在上传的二进制文件的末尾添加一个随机边界标记（根据RFC1521规定，此标记不得超过72个字节）。在最新的IAP软件版本中，并没有删除此边界标记，而是在空间足够的情况下将其存储在FLASH中。如果没有足够空间，则不会在FLASH中写入额外字节，也不会返回错误。

环境 

硬件配置

1. DM9162以太网模块

2. AT-START-F407开发板

3. 以太网线

软件源码

utilitiesat32f407_emac_iap_demosource_codeootloader, emac iap源程序，运行iap升级程序

MAC地址和IP地址设置

在netconf.h文件中对MAC地址进行了定义。

默认的MAC地址固定为：004456:01。

在netconf.h文件中对IP地址进行了定义。

IP地址可以设置为静态地址，也可以设置为由DHCP服务器分配的动态地址。默认的静态地址为：192.168.81.37。

可以通过在lwipopts.h文件中使能LWIP_DHCP来选择DHCP模式。

软件文件组成

表2 介绍了项目源文件

注：表格中没有列出标准固件库和LwIP栈中所使用的文件。

构建IAP映像

为了构建IAP映像（将会使用IAP软件加载），应确保以下几点：

1. 编译/链接的软件必须从用户FLASH区域的起始地址开始运行（此地址应与iap.h的

APP_START_SECTOR_ADDR 中所定义的地址相同）。

2. 将向量表的起始地址配置为用户FLASH区域的起始地址：

A. 在应用程序代码中，使用misc.h/.c驱动程序的NVIC_SetVectorTable函数来重新定位应用程序加载地址的向量表。

例如，将向量表基本位置设置为0x08010000：

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x10000);

B. 通过修改system_at32f4xx.c文件中定义的VECT_TAB_OFFSET常量的值。

例如，将向量表基本位置设置为0x08010000：

#define VECT_TAB_OFFSET 0x10000

3. 编译后的软件大小不超过用户FLASH区域的总容量。

 　　审核编辑：汤梓红