STM32 程序升级学习笔记：Bootloader、IAP 与串口升级流程

1. 前言

简单说明为什么要学习 STM32 程序升级。

可以写：

平时开发 STM32 时，通常使用 ST-LINK 通过 SWD 接口下载程序，这种方式在开发调试阶段很方便。但是如果设备已经安装到现场，后期需要更新功能或者修复 Bug，每次都拆机接下载器就不现实。因此，需要一种可以通过通信接口升级程序的方法，例如串口升级、CAN 升级、USB 升级等。

本文主要记录 STM32 程序升级的基础知识，重点梳理 Bootloader、IAP、Flash 分区、串口接收程序、Flash 写入以及 Bootloader 跳转 App 的基本流程。

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2. 学习 STM32 程序升级前需要先搞清楚的问题

在真正理解 STM32 程序升级之前，需要先搞明白下面几个问题：

1. Bootloader 是什么？
2. ISP 和 IAP 有什么区别？
3. STM32 Flash 地址为什么从 0x08000000 开始？
4. Bootloader 和 App 为什么要分区？
5. App 为什么要改起始地址？
6. Bootloader 怎么跳转到 App？
7. bin 文件怎么通过串口写进 Flash？

这几个问题是理解 STM32 串口升级的基础。后面的内容基本就是围绕这些问题展开。

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3. Bootloader 是什么？

Bootloader 可以理解为 STM32 上电后最先运行的一段程序。

它一般放在 STM32 用户 Flash 的起始位置，也就是：

0x08000000

Bootloader 本身不是业务程序，它主要负责启动管理和程序升级。

Bootloader 的主要作用包括：

1. 判断是否需要升级；

2. 通过串口接收新的 App 程序；

3. 擦除 App 所在的 Flash 区域；

4. 将新程序写入 App 区；

5. 升级完成后跳转到 App 运行。

可以简单理解为：

Bootloader = 程序更新器
App        = 真正的业务程序

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4. ICP,ISP,IAP 有什么区别？

STM32 程序升级里经常会看到 ISP 和 IAP，这两个概念很容易混。

4.1 ISP：使用芯片内部 Bootloader 升级

ISP 的意思是系统内编程。

STM32 芯片内部本身就带有一段系统 Bootloader。通过 BOOT0、BOOT1 启动配置，可以让芯片进入系统 Bootloader，然后通过串口、USB 等方式下载程序。

常见理解：

BOOT0 = 0：从用户 Flash 启动
BOOT0 = 1：进入系统 Bootloader

ISP 的特点：

• 不需要自己写 Bootloader；

• 可以通过串口等接口下载程序；

• 需要控制 BOOT0 引脚；

• 升级流程受 STM32 内部 Bootloader 限制。

4.2 IAP：自己写 Bootloader 升级

IAP 的意思是应用内编程。

它的核心是：

用户自己写 Bootloader
Bootloader 自己接收程序
Bootloader 自己擦写 Flash
Bootloader 自己跳转 App

IAP 的特点：

• 灵活性高；

• 可以自己定义升级协议；

• 可以通过串口、CAN、USB 等接口升级；

• 适合实际产品中的程序升级功能。

4.3 ICP：通过下载器烧录程序

ICP（In-Circuit Programming）可以理解为 在线电路编程 ，也就是通过外部下载器，直接把程序烧录到 STM32 芯片内部 Flash 中。

在 STM32 开发中，最常见的方式就是使用 ST-LINK 或 J-LINK ，通过 SWD 或 JTAG 接口下载程序。

这种方式一般用于开发调试阶段。

例如我们平时在 Keil、STM32CubeIDE 中点击下载，本质上就是通过下载器把编译好的程序写入到 STM32 的 Flash 中。

4.4 简单对比

ICP、ISP、IAP 都可以实现 STM32 程序下载或升级，但它们的使用场景不一样。

对比项	ICP	ISP	IAP
全称	In-Circuit Programming	In-System Programming	In-Application Programming
中文理解	在线电路编程	系统内编程	应用内编程
是否需要下载器	需要 ST-LINK / J-LINK	不需要专用下载器	不需要专用下载器
是否需要自己写 Bootloader	不需要	不需要，使用芯片内部 Bootloader	需要，用户自己写 Bootloader
常用接口	SWD / JTAG	串口 / USB 等	串口 / CAN / USB 等
是否需要控制 BOOT 引脚	不需要	通常需要控制 BOOT0	一般不需要
灵活性	一般	一般	高
适合场景	开发调试、量产烧录	简单程序下载	产品后期升级、自定义升级

简单理解：

ICP：用下载器直接烧程序
ISP：用芯片内部 Bootloader 烧程序
IAP：自己写 Bootloader，让程序自己升级程序

实际开发中可以这样区分：

• 开发调试阶段：一般用 ICP，也就是 ST-LINK 下载；
• 简单下载程序：可以用 ISP，进入 STM32 内部 Bootloader；
• 产品升级功能：更适合用 IAP，自己写 Bootloader，通过串口等接口升级 App。

5. STM32 Flash 地址为什么从 0x08000000 开始？

STM32 的用户程序一般存放在内部 Flash 中，而 STM32 用户 Flash 的映射地址通常从：

0x08000000

开始。

也就是说，普通情况下，我们写的程序会被下载到这个地址开始的位置。

如果没有 Bootloader，App 程序一般就是这样存放的：

0x08000000  → App 程序

STM32 上电后，会从启动地址读取中断向量表，然后执行复位中断入口，最终进入 main 函数。

所以 0x08000000 是理解 STM32 程序启动过程的关键地址。

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6. Bootloader 和 App 为什么要分区？

加入 Bootloader 后，Flash 里面就不能只放一个 App 程序了。

因为 Bootloader 要先运行，App 也要存在，所以必须把 Flash 分成两个区域：

0x08000000  → Bootloader 区
0x08004000  → App 区

这里假设 Bootloader 占用 16KB 空间，所以 App 从 0x08004000 开始。

这样分区的原因是：

1. STM32 上电后先执行 Bootloader；

2. Bootloader 不能被 App 覆盖；

3. App 放在 Bootloader 后面的独立区域；

4. Bootloader 需要升级时，只擦除和写入 App 区；

5. 不需要升级时，Bootloader 直接跳转 App。

简单来说：

Bootloader 管升级
App 管业务功能

两者分开放，程序结构才清楚。

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7. App 为什么要改起始地址？

默认情况下，App 工程一般是按照：

0x08000000

作为起始地址编译的。

但是加入 Bootloader 后，0x08000000 已经被 Bootloader 占用了，App 实际要放到：

0x08004000

所以 App 工程也必须修改 Flash 起始地址。

例如 Keil 中需要修改：

IROM1 Start：0x08004000
IROM1 Size ：根据实际剩余 Flash 设置

如果 App 工程不改起始地址，可能会出现这些问题：

• App 写入位置和编译地址不一致；

• Bootloader 跳转后程序跑飞；

• 中断向量表位置错误；

• 串口、定时器等中断不能正常工作。

所以做 Bootloader 时，App 起始地址修改是非常关键的一步。

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8. bin 文件和 hex 文件有什么区别？

STM32 编译后常见的固件文件有 .hex 和 .bin。

8.1 hex 文件

hex 文件是文本格式，文件里面带有地址信息。

它常用于下载器烧录，比如 ST-LINK 下载程序。

8.2 bin 文件

bin 文件是纯二进制文件，不带地址信息。

它里面保存的就是要写入 Flash 的原始程序数据。

做串口 Bootloader 升级时，通常使用 bin 文件。

因为 Bootloader 已经知道 App 要写到哪里，比如：

0x08004000

所以串口只需要发送 bin 文件内容，Bootloader 按固定地址写入 Flash 即可。

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9. bin 文件怎么通过串口写进 Flash？

这是串口升级的核心流程。

整体流程可以理解为：

上位机发送升级命令
    ↓
Bootloader 进入升级模式
    ↓
上位机发送 App 的 bin 文件
    ↓
Bootloader 通过串口接收数据
    ↓
Bootloader 擦除 App 区 Flash
    ↓
Bootloader 将接收到的数据写入 Flash
    ↓
接收完成后跳转到 App

9.1 发送升级命令

可以先通过串口发送一个升级命令，例如：

start:len

其中：

• start 表示开始升级；

• len 表示后面要发送的 bin 文件长度。

9.2 分包接收 bin 文件

因为 bin 文件可能比较大，不能一次性全部放进 RAM，所以一般采用分包接收。

例如：

每次接收 256 字节
接收一包，写入一包
直到接收长度达到 len

9.3 写入 Flash

Bootloader 接收到数据后，将数据写入 App 区域：

0x08004000

写入时要注意：

1. 写 Flash 前要先擦除；

2. 只能擦除 App 区，不能擦除 Bootloader 区；

3. 写入地址必须在 App 区范围内；

4. 写入地址要注意对齐；

5. 写完后可以校验接收长度。

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10. STM32 Flash 擦除与写入流程

STM32 内部 Flash 不能像 RAM 一样直接随便覆盖写入。

写 Flash 前一般需要先擦除，擦除后的 Flash 内容通常为：

0xFF

基本操作流程是：

解锁 Flash
    ↓
擦除 App 区对应 Flash 页
    ↓
写入接收到的 bin 数据
    ↓
写入完成后锁定 Flash

这部分是 Bootloader 实现升级功能的核心之一。

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11. Bootloader 怎么跳转到 App？

Bootloader 写完 App 后，不能直接跳到 0x08004000 就结束。

因为 App 起始地址处存放的是中断向量表，不是普通函数代码。

App 起始地址处有两个重要内容：

0x08004000      → App 初始栈顶地址
0x08004000 + 4  → App 复位中断入口地址

所以 Bootloader 跳转 App 的流程应该是：

1. 判断 App 起始地址是否合法；
2. 关闭中断；
3. 读取 App 初始栈顶地址；
4. 读取 App 复位中断入口地址；
5. 设置 MSP 主堆栈指针；
6. 跳转到 App 复位入口；
7. App 开始运行。

伪代码可以这样写：

#define APP_START_ADDR  0x08004000

typedef void (*pFunction)(void);

void Jump_To_App(void)
{
    uint32_t app_stack;
    uint32_t app_reset;
    pFunction jump_to_app;

    app_stack = *(__IO uint32_t*)APP_START_ADDR;
    app_reset = *(__IO uint32_t*)(APP_START_ADDR + 4);

    __disable_irq();

    __set_MSP(app_stack);

    jump_to_app = (pFunction)app_reset;
    jump_to_app();
}

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12. App 为什么要重定位中断向量表？

App 原来默认是从：

0x08000000

开始运行的。

但是加入 Bootloader 后，App 实际从：

0x08004000

开始运行。

所以 App 的中断向量表也要跟着偏移到新的地址。

在 App 初始化时可以设置：

SCB->VTOR = 0x08004000;

如果不设置中断向量表偏移，可能会出现：

• main 函数可以运行；

• 串口中断进不去；

• 定时器中断异常；

• 外部中断异常；

• 程序运行不稳定。

所以，只要 App 不在默认地址 0x08000000 运行，就一定要注意中断向量表重定位问题。

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13. 串口升级的完整流程总结

最后把整个串口升级流程串起来：

1. STM32 上电；
2. Bootloader 从 0x08000000 开始运行；
3. Bootloader 初始化串口；
4. Bootloader 等待升级命令；
5. 如果收到升级命令，开始接收 bin 文件；
6. Bootloader 擦除 App 区 Flash；
7. Bootloader 将 bin 数据写入 0x08004000；
8. 接收完成后检查数据长度；
9. Bootloader 设置 MSP；
10. Bootloader 跳转到 App 复位入口；
11. App 设置中断向量表偏移；
12. App 正常运行。

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14. 总结

STM32 程序升级的核心可以总结为一句话：

Bootloader 先运行，通过串口接收新 App，写入 App 区 Flash，然后跳转到 App 执行。

理解这套流程，重点要搞清楚：

1. Bootloader 是什么；

2. ISP 和 IAP 有什么区别；

3. STM32 Flash 地址为什么从 0x08000000 开始；

4. Bootloader 和 App 为什么要分区；

5. App 为什么要改起始地址；

6. Bootloader 怎么跳转到 App；

7. bin 文件怎么通过串口写进 Flash。

这几个问题弄明白后，就基本理解了 STM32 Bootloader 串口升级的基础流程。