# stm32f4_dfu_iap

**Repository Path**: qianqi_gitee/stm32f4_dfu_iap

## Basic Information

- **Project Name**: stm32f4_dfu_iap
- **Description**: 基于 STM32F4 的 DFU 升级设计与实现
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 4
- **Forks**: 1
- **Created**: 2025-06-26
- **Last Updated**: 2025-08-18

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 基于 STM32F4 的 DFU 升级设计与实现  

## 引言  
随着嵌入式设备的广泛应用，固件升级功能变得尤为重要。本文介绍一种基于 **STM32F4** 系列微控制器的 **DFU（Device Firmware Upgrade）** 升级方案，利用 **Bootloader + 用户App** 双程序架构，结合 **Flash 操作** 和 **USB 通信**，实现安全、高效的固件更新机制。  

本系统通过 **按键控制** 来决定是否进入 DFU 升级模式，提供直观的人机交互体验，并确保在意外情况下能够灵活切换运行模式。

---

## 一、整体架构设计  

整个系统采用 **双程序结构**：  

- **Bootloader**：位于 Flash 起始地址，负责判断是否进入 DFU 升级模式或跳转至用户应用程序。
- **User Application (App)**：主程序，执行正常业务逻辑。
- **DFU Mode**：当检测到特定按键输入时，保持在 Bootloader 阶段，等待 USB 连接并接收新固件进行升级。

### 主要模块：
1. **GPIO 检测模块**：用于检测按键状态。
2. **Flash 操作模块**：包括擦除和写入 Flash 扇区。
3. **USB DFU 接口模块**：通过 USB 接口接收固件数据。
4. **任务调度机制**：使用协程（Protothread）实现非阻塞倒计时逻辑。

---

## 二、核心代码分析  

### 2.1 启动选择逻辑（`printf_task` 函数）

```c
int printf_task(struct pt *pt)
{
    static uint32_t sec = 0;
    static uint8_t key_pressed_once = 0; // 是否已按下过按键

    PT_BEGIN(pt);

    if (key_pressed_once) goto wait_key_release;

    sec = HAL_GetTick();
    usart_send_str("倒计时3秒。。。", &cmd);
    while (HAL_GetTick() < sec + 1000) {
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_9) == GPIO_PIN_RESET) {
            usart_send_str("按键按下，取消倒计时。\r\n", &cmd);
            key_pressed_once = 1;
            goto wait_key_release;
        }
        PT_YIELD(pt);
    }

    // 类似地处理倒计时2秒、1秒...

    jump_to_app(); // 倒计时结束，跳转至用户App

wait_key_release:
    // 按键释放后保持在此模式
    while (1) {
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_9) == GPIO_PIN_RESET) {
            PT_WAIT_UNTIL(pt, HAL_GetTick() > sec + 1000);
            sec = HAL_GetTick();
            usart_send_str("等待按键释放...\r\n", &cmd);
        } else {
            PT_WAIT_UNTIL(pt, HAL_GetTick() > sec + 1000);
            sec = HAL_GetTick();
            usart_send_str("按键已释放，保持在当前模式。\r\n", &cmd);
            break;
        }
    }

    PT_END(pt);
}
```

#### 功能说明：
- 使用 **Protothread（协程）** 实现非阻塞倒计时。
- 利用 **PT_YIELD** 让出 CPU 时间，避免阻塞主线程。
- 若检测到 PA9 按键按下，则标记 `key_pressed_once` 并跳过后续倒计时，直接进入 DFU 模式。
- 若未按下按键，则倒计时结束后调用 `jump_to_app()` 跳转至用户 App。

---

### 2.2 Flash 操作函数  

#### 2.2.1 扇区擦除函数 `flash_erase_sector`

```c
HAL_StatusTypeDef flash_erase_sector(uint32_t sector)
{
    FLASH_EraseInitTypeDef eraseInitStruct;
    uint32_t PageError = 0;

    HAL_FLASH_Unlock();

    eraseInitStruct.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;
    eraseInitStruct.Sector = sector;
    eraseInitStruct.NbSectors = 1;
    eraseInitStruct.VoltageRange = FLASH_VOLTAGE_RANGE_3;

#if defined(FLASH_BANK_1)
    eraseInitStruct.Banks = FLASH_BANK_1;
#else
    eraseInitStruct.Banks = 0;
#endif

    HAL_StatusTypeDef status = HAL_FLASHEx_Erase(&eraseInitStruct, &PageError);

    HAL_FLASH_Lock();

    return status;
}
```

#### 功能说明：
- 使用 STM32 HAL 库提供的 API 擦除指定扇区。
- 支持单 Bank 和双 Bank 架构芯片（如 STM32F4/F7/H7）。
- 必须先解锁 Flash 控制器才能操作。
- 擦除前需确认目标扇区不在当前运行代码区域内。

---

#### 2.2.2 Flash 写入函数 `flash_write_only`

```c
void flash_write_only(uint8_t *add, const uint8_t *data, uint32_t len)
{
    HAL_FLASH_Unlock();

    for (uint32_t i = 0; i < len / 4; i++) {
        HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, (uint32_t)add + i * 4, *(uint32_t *)(data + i * 4));
    }

    HAL_FLASH_Lock();
}
```

#### 功能说明：
- 以 32 位字为单位写入 Flash。
- 目标地址必须是 4 字节对齐。
- 写入前应确保该扇区已被擦除。
- 操作完成后重新锁定 Flash。

---

### 2.3 USB DFU 接口函数  

#### 2.3.1 擦除 Flash 扇区接口 `MEM_If_Erase_FS`

```c
uint16_t MEM_If_Erase_FS(uint32_t Add)
{
    UNUSED(Add);

    if(flash_erase_sector(5) == 0)
        return USBD_OK;
    else
        return USBD_FAIL;
}
```

#### 功能说明：
- 在 DFU 升级开始前擦除目标 Flash 扇区（此处为扇区 5）。
- 将底层 Flash 操作封装为 USB DFU 标准接口函数。

---

#### 2.3.2 数据写入接口 `MEM_If_Write_FS`

```c
uint16_t MEM_If_Write_FS(uint8_t *src, uint8_t *dest, uint32_t Len)
{
    UNUSED(src);
    UNUSED(dest);
    UNUSED(Len);

    flash_write_only(dest, src, Len);

    return USBD_OK;
}
```

#### 功能说明：
- 将 USB 接收的数据写入指定 Flash 地址。
- 调用 `flash_write_only` 完成实际写入操作。
- 符合 USB DFU 接口规范，便于集成进标准协议栈。

---

## 三、关键技术点总结  

| 技术点 | 描述 |
|--------|------|
| **Bootloader 设计** | 实现启动阶段判断是否进入 DFU 模式，支持按键控制跳转逻辑。 |
| **Protothread 协程** | 非阻塞倒计时机制，提升系统响应性，避免阻塞主线程。 |
| **Flash 操作** | 包括扇区擦除和数据写入，需注意地址对齐、解锁/上锁流程。 |
| **USB DFU 协议** | 通过标准接口函数对接 USB DFU Class，实现固件传输与烧录。 |
| **按键检测与状态管理** | 利用 GPIO 输入检测按键状态，配合标志位实现模式切换。 |
| **双 Bank 支持** | 兼容不同型号 STM32F4 芯片的 Flash 架构差异（单 Bank / 双 Bank）。 |

---

## 四、注意事项与优化建议  

### 注意事项：
1. **Flash 操作不可逆**：务必在操作前确认目标地址不包含当前运行代码。
2. **电压范围设置正确**：影响最小擦除单位，错误配置可能导致失败。
3. **地址对齐要求**：Flash 写入必须为 4 字节对齐，否则会触发异常。
4. **按键去抖动处理**：建议加入软件延时或硬件滤波，防止误判。

### 优化建议：
1. **添加 CRC 校验**：在升级过程中增加数据完整性校验，提高可靠性。
2. **支持多扇区擦写**：扩展接口支持多个连续扇区操作，提高效率。
3. **OTA 支持**：可将 DFU 升级机制扩展为无线 OTA 更新。
4. **日志记录**：升级过程输出详细日志，便于调试与问题追踪。

---

## 五、结语  

本文基于 STM32F4 平台，构建了一个完整的 DFU 升级系统。通过合理的 Bootloader 设计、Flash 操作封装和 USB DFU 接口集成，实现了可靠的固件更新机制。同时，结合 Protothread 实现了优雅的倒计时与按键交互逻辑，提升了用户体验。该方案适用于各类需要远程升级的嵌入式产品，具有良好的扩展性和稳定性。


## 功能验证
#### 正常app跳转：
![正常跳转](image.png)
#### 启动时按键维持boot模式：
![输入图片说明](image2.png)
#### 设备管理器下的dfu设备：
![输入图片说明](image3.png)
#### 选择并连接usb设备：
![输入图片说明](image4.png)
#### 链接成功后的输出信息：
![输入图片说明](image5.png)
#### 选择bin文件并填写地址：
![输入图片说明](image6.png)
#### 成功提示信息：
![输入图片说明](image7.png)
#### 下载信息：
![输入图片说明](image8.png)
#### 串口打印：
![输入图片说明](image9.png)
##  至此完成了一个app的更新，且耗时非常短1.2秒，比常规串口方式要高效很多。或许可以用一个比较大的固件来尝试说明。
#### 例如下面这个固件，125kb
![输入图片说明](image10.png)
#### 125kb的文件更新耗时2秒，stm32一般的flash大小512k比较常见，相当于10秒左右可以完成：
![输入图片说明](image11.png)

##  boot程序在优化后只占用约20kbflash，使用usb外设不需要ch340类芯片，简单快速，节约硬件，省时高效，boot阶段的倒计时方式让app即使会崩溃也有升级的机会，拯救变砖的情形。或许这才是iap升级的最优解。
##  相信一定对你有所帮助。