STM32F103_Bootloader程序开发11 - 实现 App 安全跳转至 Bootloader

导言

想象一下，我们的单片机 App 正在稳定地运行着，突然我们想给它升级一下，添加个新功能。我们该如何安全地通知它：“嘿，准备好接收新固件了” ? 这就需要 App 和 Bootloader 之间建立一个可靠的"秘密握手"机制。

整个流程就像一次精心策划的"交接仪式"：

1. 外部通知：上位机（比如我们的电脑）通过串口向正在运行的 App 发送一个预设好的"升级"指令。
2. 设置信物：App 收到指令后，并不会立刻停止工作，而是在一块共享的 RAM 内存中写入一个"暗号"（我们称之为"升级标志位"）。这块内存就像是 App 留给 Bootloader 的一个"秘密信箱"。
3. 主动重启：留下"暗号"后，App 主动触发一次软件复位，开始"交接"。
4. 验证信物：系统重启后，控制权首先交给 Bootloader。Bootloader 会立刻检查那个"秘密信箱"。
   • 如果发现了预设的"暗号"，它就知道：“哦，App 需要我来执行升级任务”，随即进入 IAP（In-Application Programming）模式，准备接收新固件。
   • 如果信箱是空的，它就认为一切正常，直接跳转到 App，让 App 像往常一样运行。

为了简化演示，我们约定，当 App 的串口收到字符串 A5A5A5A5 时，就触发这次跳转。

友情提示：在真实的商业项目中，简单的字符串匹配是远远不够的。为了保证通信的绝对可靠，防止数据干扰导致意外的固件升级，我们必须引入 CRC 校验 等错误检测机制。这里的 A5A5A5A5 只是一个为了教学目的而简化的触发信号。

项目地址：

• Gitee (国内推荐): https://gitee.com/wallace89/MCU_Develop/tree/main/bootloader11_stm32f103_app_jump_boot
• GitHub: https://github.com/q164129345/MCU_Develop/tree/main/bootloader11_stm32f103_app_jump_boot

一、App 端代码

现在，我们来看看 App 程序需要增加哪些代码来实现这个"交接仪式"。

1.1、 jump_boot.c

这个文件负责处理从 App 跳转到 Bootloader 的所有核心逻辑。

#include "bootloader_define.h"
#include "flash_map.h"
#include "jump_boot.h"


#if defined(__IS_COMPILER_ARM_COMPILER_5__)
volatile uint64_t update_flag __attribute__((at(FIRMWARE_UPDATE_VAR_ADDR), zero_init));

#elif defined(__IS_COMPILER_ARM_COMPILER_6__)
    #define __INT_TO_STR(x)     #x
    #define INT_TO_STR(x)       __INT_TO_STR(x)
    volatile uint64_t update_flag __attribute__((section(".bss.ARM.__at_" INT_TO_STR(FIRMWARE_UPDATE_VAR_ADDR))));

#else
    #error "variable placement not supported for this compiler."
#endif

/**
  * @brief  获取固件升级标志位
  * @note   读取保存于指定RAM地址的升级标志变量（通常用于判断bootloader的运行状态）
  * @retval uint64_t 固件升级标志的当前值
  */
static uint64_t IAP_GetUpdateFlag(void)
{
    return update_flag;
}

/**
  * @brief  设置固件升级标志位
  * @param  flag 需要设置的标志值
  * @note   修改指定RAM地址的升级标志变量
  * @retval 无
  */
static void IAP_SetUpdateFlag(uint64_t flag)
{
    update_flag = flag;
}

/**
  * @brief  解析串口接收到的数据
  * @note   根据接收到的数据，判断是否需要跳转到Bootloader
  *         目标字符串: "A5A5A5A5" (8字节)
  *         ASCII: 0x41,0x35,0x41,0x35,0x41,0x35,0x41,0x35
  * @param  data 接收到的数据
  * @retval 无
  */
void IAP_Parse_Command(uint8_t data)
{
    // 目标字符串"A5A5A5A5"的ASCII码序列
    static const uint8_t target_sequence[8] = {
        0x41, 0x35, 0x41, 0x35,  // "A5A5"
        0x41, 0x35, 0x41, 0x35   // "A5A5"
    };
    
    // 静态变量：记录当前匹配的字节位置
    static uint8_t match_index = 0;
    
    // 检查当前字节是否与目标序列匹配
    if (data == target_sequence[match_index]) {
        match_index++;  // 匹配成功，移动到下一个位置
        
        // 检查是否接收完整的8字节序列
        if (match_index >= sizeof(target_sequence)) {
            // 完整匹配成功，跳转到Bootloader
            match_index = 0;  // 重置状态，为下次做准备
            //! 设置固件升级标志位
            IAP_SetUpdateFlag(FIRMWARE_UPDATE_MAGIC_WORD);
            //! 等待10ms，确保标志位设置成功
            LL_mDelay(10);
            //！此函数不会返回，MCU将复位
            NVIC_SystemReset();
        }
    } else {
        // 不匹配，重置状态机
        match_index = 0;
        
        // 特殊处理：如果当前字节恰好是序列的第一个字节，则开始新的匹配
        if (data == target_sequence[0]) {
            match_index = 1;
        }
    }
}

代码亮点解析:

1. update_flag 变量的定义：

   • __attribute__((at(...))): 这是告诉编译器：“请务必把 update_flag 这个变量放在 FIRMWARE_UPDATE_VAR_ADDR 这个内存地址上”。这就像给 App 和 Bootloader 一个共同的、固定的"信箱"地址，确保双方都能找到对方。
   • volatile: 这个关键字至关重要。它告诉编译器：“这个变量的值随时可能被意想不到的方式改变（比如被硬件或其他程序），所以你不要自作聪明地去优化它。每次使用它的时候，都必须老老实实地从内存里重新读取”。这可以防止 App 重启后，Bootloader 读到一个被缓存的、不正确的值。

2. IAP_Parse_Command 函数：

   • 这个函数就像一个"哨兵"，时刻监听着串口发来的每一个字节。
   • 它内部的 match_index 就像一个进度条，记录着"秘密口令"的匹配进度。每收到一个正确的字符，进度条就加一；一旦收到错误的字符，进度条就清零重来，非常严谨。
   • 当8个字符全部匹配成功，就意味着"口令正确"，哨兵就会立刻执行预设的三个步骤：写标志、延时、复位。

1.2、jump_boot.h

头文件很简单，主要是声明 IAP_Parse_Command 函数，以便在其他文件中（比如串口中断服务程序中）调用它。

/**
 * @file    jump_boot.h
 * @brief   应用程序与Bootloader跳转功能的头文件声明
 * @author  Wallace.zhang
 * @date    2025-05-25
 * @version 1.0.0
 */

#ifndef __JUMP_BOOT_H
#define __JUMP_BOOT_H

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

#include <stdint.h>
#include "main.h"
#include <stdbool.h>

/**
  * @brief  解析串口接收到的数据，判断是否需要跳转到Bootloader
  * @param  data 接收到的单个字节
  */
void IAP_Parse_Command(uint8_t data);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif /* __JUMP_BOOT_H */

1.3、myUsartDrive_reg.c

如上图所示，在USART1的接收ringbuffer里，一个一个字节拿出去解析。

二、功能测试

现在，让我们来验证一下"交接仪式"是否能顺利进行。

2.1、测试 App 跳转到 Bootloader

我们使用一个 Python 脚本来模拟上位机，向单片机发送"秘密口令"。

操作步骤：

1. 将 App 程序下载到 STM32 开发板并运行。
2. 在项目 iap_py 文件夹下打开终端，运行以下指令（请根据你的实际情况修改 COM 口）：

   python3 jump_command.py --port COM8 --baud 115200
   

3. 观察 RTT Viewer 的日志。Bootloader 的日志出现，这表明 App 成功复位并跳转到了 Bootloader！
   

jump_command.py 脚本是做什么的？
它其实很简单，就是通过指定的串口（--port）和波特率（--baud），向上位机发送了一串文本 A5A5A5A5。

脚本参数说明:

• --port: 你的设备所连接的串口号 (必填)，例如 COM8 (Windows) 或 /dev/ttyUSB0 (Linux)。
• --baud: 波特率 (可选)，默认为 115200。