STM32F4 IAP Bootloader

基于 UART 的 STM32F4 系列 bootloader，支持 EasyLogger 日志、CRC32 校验、Flash 编程、固件升级

English | 中文作者：古译汉书-CSDN博客

特性

核心功能

UART 升级 - 基于串口的 IAP (In-Application Programming) 引导程序
安全校验 - CRC16 数据包校验 + CRC32 固件完整性验证
Magic Header - 应用固件合法性验证机制
Flash 编程 - 支持 STM32F4xx 系列内部 Flash 擦除与写入
多种启动模式 - 按键启动 / 串口触发启动 / 自动启动

日志系统

EasyLogger - 高性能嵌入式日志库
多级别日志 - ASSERT / ERROR / WARN / INFO / DEBUG / VERBOSE
格式化输出 - 支持时间戳、标签、日志级别格式化

驱动支持

按键检测 - 按键长按进入 bootloader 模式
LED 指示 - 运行状态可视化指示
延时系统 - 定时器延时驱动
环形缓冲区 - 高效 UART 数据接收

快速开始

硬件要求

组件	规格
MCU	STM32F407VG / STM32F407xx
Flash	512KB (最大 1MB)
SRAM	192KB
通信	UART3 (115200 8N1)
按键	1个 (PA0)
LED	1个 (PB0)

引脚配置

UART3:
  - TX: PC10
  - RX: PC11

按键: PA0 (低电平按下)
LED:  PB0 (低电平点亮)

编译步骤

克隆项目

git clone https://github.com/xiao-wang-lll/stm32-iap-bootloader.git

使用 Keil MDK 打开项目

# 打开 mdk/stm32F407.uvprojx

配置工程选项

Target -> Xtal (MHz): 8
C/C++ -> Define: USE_STDPERIPH_DRIVER, STM32F40_41xxx

编译并下载

# Keil MDK: F7 编译, F8 下载

启动流程

上电/复位
    │
    ▼
┌─────────────────────┐
│   Bootloader 启动   │  (0x08000000, 48KB)
│   初始化外设         │
│   EasyLogger 启动   │
└──────────┬──────────┘
           │
           ▼
    ┌──────────────┐
    │ 按键检测 (3s) │
    └──────┬───────┘
           │
    ┌──────┴───────┐
    │   按下?      │
    └──────┬───────┘
      是   │   否
      ▼    │
 ┌─────────┐  │
 │ 进入BL  │  ▼
 │  模式   │  检查 Magic Header
 └─────────┘        │
                     ▼
              ┌──────────────┐
              │ Magic Header │
              │   有效?      │
              └──────┬───────┘
                否   │   是
                ▼    │
         ┌─────────┐  │
         │ 进入BL  │  ▼
         │  模式   │  检查 CRC32
         └─────────┘        │
                     ┌───────┴───────┐
                     │   CRC 校验    │
                     │    通过?      │
                     └───────┬───────┘
                       否   │   是
                       ▼    │
                  ┌──────── │ 进入BL ─┐  │
                  │  ▼
                  │  模式   │  跳转 App
                  └─────────┘    │
                                  ▼
                          ┌─────────────┐
                          │   启动 App  │  (0x08010000)
                          └─────────────┘

项目结构

stm32F4_tomain_usart_easylogger/
├── app/                          # 应用层代码
│   ├── main.c                    # 主程序入口
│   ├── bootloader.c              # Bootloader 核心逻辑
│   ├── board.c                   # 板级初始化
│   ├── board.h                   # 板级头文件
│   ├── jumpapp.s                 # 跳转汇编代码
│   ├── magic_header.c            # Magic Header 管理
│   └── magic_header.h            # Magic Header 头文件
│
├── driver/                       # 驱动层
│   ├── bl_usart/                 # UART 驱动
│   ├── console/                  # 控制台驱动
│   ├── key/                      # 按键驱动
│   ├── led/                      # LED 驱动
│   ├── stm32_flash/              # Flash 驱动
│   └── tim_delay/                # 定时器延时驱动
│
├── third_lib/                    # 第三方库
│   ├── EasyLogger-master/        # EasyLogger 日志库
│   ├── freertos/                 # FreeRTOS (预留)
│   ├── crc/                      # CRC 校验库
│   ├── ringbuffer/               # 环形缓冲区
│   └── utils/                    # 工具函数
│
├── firmware/                     # 固件相关
│   ├── cmsis/                    # CMSIS 头文件
│   └── driver/                   # STM32 HAL 驱动
│
├── mdk/                          # Keil 工程目录
│   └── stm32F407.uvprojx         # Keil 工程文件
│
└── README.md                     # 本文件

? 通信协议

数据包格式

字段	长度	说明
Header	1 字节	0xAA (固定)
Opcode	1 字节	操作码
Length	2 字节	负载长度 (小端)
Payload	N 字节	负载数据
CRC16	2 字节	CRC16 校验 (小端)

操作码定义

Opcode	名称	说明
0x01	INQUERY	查询 (版本/MTU)
0x81	ERASE	Flash 擦除
0x82	PROGRAM	Flash 编程
0x83	VERIFY	CRC32 校验
0x21	RESET	系统复位
0x22	BOOT	启动应用程序

响应格式

字段	长度	说明
Header	1 字节	0x55 (固定)
Opcode	1 字节	操作码
ErrCode	1 字节	错误码
Length	2 字节	负载长度 (小端)
Payload	N 字节	负载数据
CRC16	2 字节	CRC16 校验 (小端)

错误码

ErrCode	说明
0x00	成功
0x01	操作码错误
0x02	数据溢出
0x03	超时
0x04	格式错误
0x05	校验失败
0x06	参数错误
0xFF	未知错误

使用方法

1. 启动 Bootloader 模式

方式一: 按键触发

上电时按住按键超过 3 秒，将进入 bootloader 模式。

方式二: 串口触发

上电后 3 秒内通过串口发送任意数据，将进入 bootloader 模式。

方式三: Magic Header 无效

如果应用程序的 Magic Header 无效或 CRC32 校验失败，将自动进入 bootloader 模式。

2. 固件升级流程

┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐
│   主机 PC   │────?│  UART 通信  │────?│  STM32 BL   │
└─────────────┘     └─────────────┘     └─────────────┘
       │                                       │
       │  1. 查询版本/MTU                       │
       │?──────────────────────────────────────┤
       │                                        │
       │  2. 擦除 Flash                          │
       │───────────────────────────────────────?│
       │                                        │
       │  3. 写入固件数据                        │
       │───────────────────────────────────────?│
       │                                        │
       │  4. CRC32 校验                          │
       │───────────────────────────────────────?│
       │                                        │
       │  5. 启动应用                            │
       │───────────────────────────────────────?│

3. 串口命令示例

# Python 示例: 使用串口升级固件
import serial
import struct
import crcmod

class STM32Bootloader:
    def __init__(self, port, baudrate=115200):
        self.serial = serial.Serial(port, baudrate, timeout=1)
        
    def send_packet(self, opcode, payload=b''):
        # 构建数据包
        packet = struct.pack('BBH', 0xAA, opcode, len(payload)) + payload
        crc = crcmod.Crc16Ccitt().calc(packet)
        packet += struct.pack('<H', crc)
        self.serial.write(packet)
        
    def read_response(self):
        # 读取响应
        header = self.serial.read(1)
        if header != b'\x55':
            return None
        opcode = self.serial.read(1)
        errcode = self.serial.read(1)
        length = struct.unpack('<H', self.serial.read(2))[0]
        payload = self.serial.read(length)
        crc = struct.unpack('<H', self.serial.read(2))[0]
        return {'opcode': opcode, 'errcode': errcode, 'payload': payload}
    
    def get_version(self):
        self.send_packet(0x01, b'\x00')  # 查询版本
        return self.read_response()
    
    def erase_flash(self, address, size):
        self.send_packet(0x81, struct.pack('<II', address, size))
        return self.read_response()
    
    def program_flash(self, address, data):
        payload = struct.pack('<II', address, len(data)) + data
        self.send_packet(0x82, payload)
        return self.read_response()
    
    def verify_firmware(self, address, size, crc32):
        payload = struct.pack('<III', address, size, crc32)
        self.send_packet(0x83, payload)
        return self.read_response()
    
    def boot_app(self):
        self.send_packet(0x22, b'')
        return self.read_response()

API 参考

Bootloader 核心函数

// 启动 bootloader
int bootloader_main(void);

// 应用验证
bool application_validate(void);

// 启动应用程序
void boot_application(void);

Flash 操作

// 解锁 Flash
void stm32_flash_unlock(void);

// 锁定 Flash
void stm32_flash_lock(void);

// 擦除 Flash
void stm32_flash_erase(uint32_t address, uint32_t size);

// 编程 Flash
void stm32_flash_program(uint32_t address, uint8_t *data, uint32_t size);

Magic Header

typedef struct
{
    uint32_t magic;         // 魔数，用于标识这是一个有效的魔术头
    uint32_t bitmask;       // 位掩码，用于标识哪些字段有效
    uint32_t reserved1[6];  // 保留字段，供将来扩展使用

    uint32_t data_type;     // 类型，根据type类型选择固件下载位置,比如下载到eeprom或者w25Q64或者MCU的app区
    uint32_t data_offset;   // 固件文件相对于bin文件里面的magic_header的偏移
    uint32_t data_address;  // 固件写入的实际地址
    uint32_t data_length;   // 固件长度
    uint32_t data_crc32;    // 固件的CRC32校验值
    uint32_t reserved2[11]; // 保留字段，供将来扩展使用

    char version[128];      // 固件版本字符串

    uint32_t reserved3[6];  // 保留字段，供将来扩展使用
    uint32_t this_address;  // 该结构体在存储介质中的实际地址
    uint32_t this_crc32;    // 该结构体本身的CRC32校验值
} magic_header_t;

// 验证 Magic Header
bool magic_header_validate(void);

// 获取应用地址
uint32_t magic_header_get_address(void);

// 获取固件长度
uint32_t magic_header_get_length(void);

// 获取 CRC32
uint32_t magic_header_get_crc32(void);

技术细节

内存布局

Flash 分布 (512KB):
┌────────────────────┐ 0x08000000
│   Bootloader       │ 48KB
│   (0x08000000)     │
├────────────────────┤ 0x0800C000
│   Application      │ ~448KB
│   (0x08010000)     │
└────────────────────┘ 0x08080000

SRAM 分布 (192KB):
┌────────────────────┐ 0x20000000
│   Static Data      │
├────────────────────┤ 
│   Heap             │
├────────────────────┤ 
│   Stack            │
└────────────────────┘ 0x20030000

CRC 校验

CRC16: 用于数据包校验 (传输层)
CRC32: 用于固件完整性验证 (应用层)

状态机

Bootloader 使用有限状态机 (FSM) 解析串口数据包:

┌───────────────┐
│    HEADER     │ ?──────┐
└───────┬───────┘        │
        │ 0xAA           │
        ▼                │
┌───────────────┐        │
│    OPCODE     │        │
└───────┬───────┘        │
        │ Valid           │
        ▼                │
┌───────────────┐        │
│    LENGTH     │        │
└───────┬───────┘        │
        │ Valid           │
        ▼                │
┌───────────────┐        │
│    PAYLOAD    │        │
└───────┬───────┘        │
        │ Complete        │
        ▼                │
┌───────────────┐        │
│    CRC16      │────────┘
└───────────────┘

常见问题

Q1: 如何修改 Bootloader 大小?

修改 app/bootloader.c 中的配置:

#define BL_SIZE (48 * 1024)  // 修改为需要的大小

Q2: 如何修改应用程序起始地址?

修改 Bootloader 配置:

#define APP_VTOR_ADDR 0x08010000

修改应用程序的链接脚本，将起始地址改为 0x08010000

Q3: 如何关闭串口触发启动?

修改 app/bootloader.c:

// 注释掉此行
// #define third_wait_boot 1

Q4: 升级失败怎么办?

检查串口连接: 确认波特率为 115200
检查 CRC 校验: 确认固件 CRC32 正确
重新上电: 重新进入 bootloader 模式

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操作码定义

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1. 启动 Bootloader 模式

2. 固件升级流程

3. 串口命令示例

API 参考

Bootloader 核心函数

Flash 操作

Magic Header

技术细节

内存布局

CRC 校验

状态机

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Q3: 如何关闭串口触发启动?

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