IAP功能设计的基本原理和实现方法

‌IAP(In Application Programming)功能设计‌是指在应用程序运行过程中，通过预留的通信接口对存储器中的程序进行更新和升级的设计。具体来说，IAP功能设计允许用户在自己的程序运行过程中，对User Flash的部分区域进行烧写，从而实现固件的更新和升级。这种设计的主要目的是为了在产品发布后，能够通过预留的通信口(如串口、USB、网络等)方便地对产品中的固件程序进行更新升级‌12。

IAP功能设计的基本原理和实现方法

IAP功能设计通常涉及以下步骤：

‌程序分两部分编写‌：通常将程序分为BOOT和APP两部分。BOOT部分负责检查是否需要对APP部分进行更新，如果需要则进行更新操作;如果不需更新则直接跳转到APP部分执行‌23。

‌Flash空间划分‌：根据需要，可以将Flash空间划分为多个区域，例如APP1和APP2，用于备份和升级‌2。

‌通信接口‌：通过串口、USB、网络等方式进行数据传输，实现固件的更新和升级‌2。

IAP功能设计的应用场景和优势

IAP功能设计广泛应用于各种嵌入式系统中，特别是在需要频繁更新固件的设备中。其优势包括：

‌灵活性高‌：可以在应用程序运行时进行更新，无需停止设备运行。

‌维护方便‌：通过预留的通信口进行固件更新，减少了维护成本和时间。

‌适用性强‌：适用于各种需要远程升级的设备，如智能家居设备、工业控制设备等。

通过以上内容，可以全面了解IAP功能设计的定义、原理、实现方法以及应用场景和优势。

要实现IAP功能，通常需要在设计固件程序时编写两个项目代码：第一个项目程序不执行正常的功能操作，而只是通过某种通信管道(如USB、USART、一些无线设备)接收程序或数据(可执行HEX文件)，执行对第二部分代码的更新;第二个项目代码才是真正的功能代码。这两部分项目代码同时烧录在用户Flash中，当芯片上电后，首先是第一个项目代码开始运行，再去更新第二段代码。相比传统ISP(在系统编程)需要专用烧录器的模式，IAP显著降低了维护成本和时间延迟。但需注意存储空间划分的安全冗余设计，避免因断电导致系统崩溃。部分高端方案会采用双Bank存储结构，确保升级失败时能回滚至旧版本。当前IAP技术正与安全启动(Secure Boot)机制深度结合，防范恶意代码注入风险。

根据IAP的特性，以及MSP430系列没有自带IAP功能的特点，必须自行编写IAP程序来进行片内Flash的烧写，这样才能达到升级的目的。以下将详细介绍如何进行IAP升级设计。

系统设计的总体构想是，通过无线的方式，将需要升级的二进制文件直接下载到相应的地址空间，然后让单片机系统自动执行IAP升级。

这里的重点是要编写一个“蚂蚁搬家”代码，因为它不是在MSP4 30F149片内Flahs区里运行的，而是在设定的RAM区运行。RAM空间有限，所以用汇编代码编写(推荐，也可以用C语言写，然后再精简为汇编语言)，不能有堆栈的操作，代码不能超过2 KB。

1 硬件设计

(1)系统主芯片的内部结构

首先简单介绍一下MSP430F149的内部存储地址结构图，如图1所示，这样有助于对它进行IAP的升级设计。

由图1可以看出，ROM和RAM同一个地址空间，寻址空间为64 KB，采用冯·诺依曼结构，使用一组地址数据总线，地址为0000H～FFFFH，RAM地址区域为0200H～09FFH，代码区ROM为1000H～FFFF。

(2)外扩的Flash芯片结构

为了能够将要升级的文件(一般是IAR编译出来后，要经过第三方软件换为二进制文件)先保存在一个地方，系统必须外扩1片Flash(当然也可是其他介质)。由于MSP430F149系列单片机的SPI接口有2个，因此选择了具有SPI接口的Flash芯片，如SST25VF016(16 Mb)等系列。该芯片电压为2.7～3.6 V，刚好符合MSP系列单片机低功耗电压的要求，操作指令非常简单。外扩Flash硬件框图如图2所示。根据保存数据的要求，可以设计为多片，使保存的空间更多。在软件设计时，设计好存放升级文件的首地址和该文件的大小。在MSP430F149系列中，该文件一般大小为64 KB。

(3)存储空间地址划分

为了能详细清晰的说明，可以把HEX文件保存在SST25VF016的开头地址上，即地址从0x000000～0x010000即可。当然也可以根据项目要求，自定义空间地址。

2 通信传输

对于如何将编译好的可执行文件(BIN文件)从第三方下载到相应的外扩存储空间里，这里主要推荐几款无线远程升级方案：

①无线GPRS方案，优点是可以远程控制下载;缺点是GPRS需要收费，而且是一卡对应一设备(在即将解决费用问题的同时，这也许是未来发展的趋势)。

②红外线方案，现在很多的PDA都带有该功能，在该单片机的系统加接一个红外模块，并且在PDA上写个小软件，就可以轻松地将升级文件下载到外扩的Flash指定的位置;缺点是需要人员到现场作业。

③蓝牙技术方案，这个技术和红外线技术类似，优点是数据传输没有方向性，速度较红外线快得多。

其他不一一介绍，希望读者能有更多的升级方案。为了简要说明，这里用红外线方案作为下载升级软件的媒体介质，其他无线或者有线的媒体介质，其原理都一样，读者可以根据自己的项目自行选择。

3 软件设计

首先假设已经将要升级的文件下载到相应的外扩Flash中了，对于整个IAP程序的设计，分为两个部分：第一，先编写“蚂蚁搬家”程序，即一字节一字节地从相应的外扩Flash地址(事先已经定义好了)中搬移到片内Flash中(从0x1100开始至0xFFFF);第二，编写引导程序(COPY程序)，将“蚂蚁搬家”程序拷贝到相应的RAM空间(0x0200)中，并将PC指向0x0200。系统升级程序流程如图3所示。

注意：从片外的Flash拷贝到片内Flash中时，一定要将60 KB全部拷贝完毕，否则系统将为不正常。最后要开启看门狗，复位，即PC从0x0000开始。“蚂蚁搬家”程序流程如图4所示。

图4中必须注意：

①必须先固定该程序的入口地址，这样引导程序才能将之拷贝到RAM中，大小要控制在2 KB之内。该程序比较小，一般不会

超过2 KB 。

②必须将Flash状态锁住，这样在写的时候不容易出错。

③在读取60 KB数据后，打开看门狗。IAP升级系统是根据看门狗不喂狗来自动复位重启系统的。

用户只要根据上面的流程进行编程，就很容易实现IAP升级(这里是重点，也是一个难点)。引导程序流程如图5所示。

图5说明：声明一个入口函数，便于外部程序升级时调用。这个引导程序比较简单。由于在片内执行，所以使用汇编语言(mov指令)很容易就可以把蚂蚁搬家程序导入到RAM中。

由于IAR编译出来的最终文件为*.a43文件，建议使用类似(HexToBin.exe)软件将*.a43文件转化成二进制文件，就可直接下载了。

4 注意事项

这段代码必须在RAM里运行，所以暂时不使用SP来“RET”。也就是说，不可以使用CALL指令，也不可以使用压栈处理(如PUSH或者POP等指令)，所以这里将不可以开设堆栈区。通过某种无线手段执行代码(BIN文件)，然后根据自定义无线协议，将该可执行代码下载并保存到片外的Flash相应地址空间，最后启动升级程序。最后通过启动看门狗并复位来启动系统。