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学习STM32 OTA Bootloader部分demo流程

学习依据的源文链接：STM32 OTA应用开发——自制BootLoader

前言

什么是OTA？

OTA是“Over-the-Air”（空中升级）的缩写，指的是通过无线通信网络（如Wi-Fi、蓝牙、LoRa等）对嵌入式系统进行远程升级或更新。

在嵌入式系统中，OTA技术可以用于更新固件、软件或配置文件等。通过OTA技术，用户可以在不需要物理接触设备的情况下，对其进行升级和更新，从而提高系统的可靠性、安全性和灵活性。

———-我的理解：

所谓的OTA其实就是通过一些无线通信协议的方式，向嵌入式系统发送应用程序(以下简称APP)和升级指令，再由单片机设备上的BootLoader完成：接收新APP—擦除旧APP—写入新APP—跳转到新APP执行 的过程；

这个demo的实际上是通过USB的连接实现上述的APP升级过程，虽然有线连接不能严格称做OTA，但是二者的差异实际上只是不同（有线与无线）的通信传输过程，主要是学习程序升级的流程，故下文也将USB升级过程视为OTA升级；

什么是BootLoader？

BootLoader是一段程序，通常位于嵌入式系统的非易失性存储器（如Flash）中，用于在系统启动时加载和运行操作系统或其他应用程序。

在嵌入式系统中，BootLoader通常是一个小型的程序，主要负责以下几个方面的工作：

  1. 初始化硬件环境：BootLoader需要初始化硬件环境，包括CPU、存储器、外设、时钟等，以便系统能够正常运行。
  2. 加载操作系统或应用程序：BootLoader需要从存储器中加载操作系统或应用程序，并将控制权转交给操作系统或应用程序。
  3. 检查和修复系统错误：BootLoader需要检查系统的状态和完整性，以确保系统能够正常运行。如果发现系统错误，BootLoader需要尝试修复或恢复系统。
  4. 提供调试和测试功能：BootLoader可以提供调试和测试功能，例如单步执行、断点调试、查看寄存器状态等，以方便开发人员进行调试和测试。

而这个demo是通过自制bootloader，实现加载应用程序和OTA的功能；

BootLoader的OTA功能工作原理

MCU要实现OTA离不开Bootloader，它是一段引导程序，在OTA过程中，MCU启动时会先运行BootLoader，Bootloader会去判断是否需要升级，如果不需要升级就跳转到APP分区运行用户代码，如果需要升级则先通过一些硬件接口接收和搬运要升级的新固件，然后再跳转到APP分区运行新固件，从而实现OTA升级。

 

BootLoader的OTA功能常见分区介绍

在没有加入Bootloader之前，MCU内部的flash可以看作一整块分区，我们运行的整个裸机程序都在其中：

第一种分区方式——加入BootLoader，那么原本的Flash分区就可以划分为两个区域，Bootloader和Application，这种分区方式的好处在于既可以OTA升级，App又可以分到较大的空间，缺点是没有存放新固件的区域，需要从外部导入进来，而且一旦传输的过程被异常打断，那么原有的App代码也无法正常运行了：

第二种分区方式——在第一种分区方式的基础上，将原本独属于APP的Flash空间中再分出一块作为Download分区来存放新的APP(同下文的固件)，这种方式的优点是新固件是先存放到Download区的，哪怕搬运的过程中出现异常中断的情况，也不会“变砖”，缺点是需要单独划分一块内存跟APP区差不多的区域用来存放新固件，变相的减少了APP区的空间，对于内存较小的单片机来说内存压力会比较大：

 第三种分区方式——这种方式其实与第二种分区方式一样，只是它把原本存放新APP的空间用来存放OTA升级前的旧APP，相当于在升级之前先将旧APP备份到Application2区域，再通过外部导入新APP覆盖写入Application1区域，优点在于升级了新固件以后，还保留了原来的旧版固件，必要的时候还可以进行版本的回退：

 第四种分区方式——这种方式基本上与第二种分区方式一样，只不过增加了一个区域用来存放OTA相关的一下参数和用户配置：

BootLoader的制作

BootLoader的程序是从源文找到的参考的demo，下面的内容一方面整理Bootloader的编写过程，一方面也会去详细解析Bootloader的源代码执行流程

以上述的第四种分区方式去编写Bootloader，参考demo使用的设备是STM32F103，内存128K，其内存分区表如下：

name offset size
Bootloader 0x08000000 0x00003000
Setting 0x08003000 0x00001000
Application 0x08004000 0x0000E000
Download 0x08012000 0x0000E000

其中0x08000000是内存起始地址，那么128K大小的内存空间的结束地址为0x0801FFFF，最后Download分区为0x08012000+0x0000E000 – 0x1 =0x0801FFFF，这四个部分将128K的内存空间全部分配完成；

这里记录一下地址空间与大小的计算过程：0x0801FFFF – 0x08000000 + 0x1 = 0x00020000，即0x20000个byte的空间，转换成十进制就是131072 bytes，而 128 * 1024 = 131072，所以是128K内存空间；

BootLoader功能简述：
  1. Bootloader启动；
  2. 从Setting中读取参数，确定是否需要升级；
  • 需要升级——把Download分区固件搬运到Application分区；
  • 不需要升级——直接跳转到Application分区；

    • 新固件的下载传输过程，在App里面去处理，这里不做拓展；

    源码解析

    主要针对demo中的main.c、bootloader.c、bootloader.h中的内容进行流程解析，源码中涉及到的flash、uart等原本ST驱动中带有的外设控制接口只做简要说明；

    main.c

    #include "hardware.h"
#include "bootloader.h"
#include "flash.h"
#include "type.h"

void print_boot_message(void)
{
    printf("---------- Enter BootLoader ----------\r\n");
    printf("\r\n");
    printf("======== flash pration table =========\r\n");
    printf("| name     | offset     | size       |\r\n");
    printf("--------------------------------------\r\n");
    printf("| boot     | 0x08000000 | 0x00003000 |\r\n");
    printf("| setting  | 0x08003000 | 0x00001000 |\r\n");
    printf("| app      | 0x08004000 | 0x0000E000 |\r\n");
    printf("| download | 0x08012000 | 0x0000E000 |\r\n");
    printf("======================================\r\n");
}

int main() 
{
    process_status process;
    uint16_t i;
    uint8_t boot_state;
    uint8_t down_buf[128];
    uint32_t down_addr;
    uint32_t app_addr;

    uart1_init();
    print_boot_message();

    boot_parameter.process = read_setting_boot_state();
    boot_parameter.addr = APP_SECTOR_ADDR;

    while (1) 
    {
        process = get_boot_state();
        switch (process) 
        {
            case START_PROGRAM:
                printf("start app...\r\n");
                delay_ms(50);
                if (!jump_app(boot_parameter.addr)) 
                {
                    printf("no program\r\n");
                    delay_ms(1000);
                }
                printf("start app failed\r\n");
                break;
            case UPDATE_PROGRAM:
                printf("update app program...\r\n");
                app_addr = APP_SECTOR_ADDR;
                down_addr = DOWNLOAD_SECTOR_ADDR;

                printf("app addr: 0x%08X \r\n", app_addr);
                printf("down addr: 0x%08X \r\n", down_addr);

                printf("erase mcu flash...\r\n");
                mcu_flash_erase(app_addr, APP_ERASE_SECTORS);  
                printf("mcu flash erase success\r\n");
            
                printf("write mcu flash...\r\n");
                // memset(down_buf, 0, sizeof(down_buf));
                for (i = 0; i < APP_ERASE_SECTORS * 8; i++)
                {
                    mcu_flash_read(down_addr, &down_buf[0], 128);
                    delay_ms(5);
                    mcu_flash_write(app_addr, &down_buf[0], 128);
                    delay_ms(5);
                    down_addr += 128;
                    app_addr += 128;
                    // printf("mcu_flash_write: %d\r\n", i);
                }
                printf("mcu flash write success\r\n");

                set_boot_state(UPDATE_SUCCESS);
                break;
            case UPDATE_SUCCESS:
                printf("update success\r\n");
                boot_state = UPDATE_SUCCESS_STATE;
                write_setting_boot_state(boot_state);
                set_boot_state(START_PROGRAM);
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}
    1. 在bootloader的主函数中，首先初始化了uart串口方便输出log信息，再调用print_boot_message()输出分区信息表（main.c line29~30）；
    2. 之后调用read_setting_boot_state()（bootloader.c line32~48）将0x08003000也就是Setting地址空间中存放的状态值读取赋值给boot_parameter.process，再把APP首地址0x08004000赋值给boot_parameter.addr作为后面跳转到APP程序的准备（main.c line32~33），而boot_parameter是bootloader.c定义的全局变量（bootloader.c line3），用于存放bootloader的相关参数与状态；
    3. 进入到while(1)的流程当中，针对boot_parameter.process的三种状态：START_PROGRAM、UPDATE_PROGRAM、 UPDATE_SUCCESS执行对应逻辑，也就是启动APP、升级APP、升级成功；
    4. 启动APP的case（main.c line40~49）当中，除开log信息，主要是调用jump_app()接口（bootloader.c line5~16）跳转到APP程序，而传入的参数就是APP程序的起始地址0x08004000；如果APP起始地址无程序，才会继续执行下面的log输出，不然就直接跳转到APP的程序当中，bootloader执行就结束了；
    5. 升级APP的case（main.c line50~77）当中，先按页擦除flash中APP地址区块（main.c line59）将旧APP清除，然后再从Download地址区块开始每128byte读取数据再写到APP地址区块中（main.c line64~73），最后把bootloader的状态置为UPDATE_SUCCESS，下次循环进入UPDATE_SUCCESS的case执行；
    6. 升级成功的case（main.c line78~83）当中，调用write_setting_boot_state()接口（bootloader.c line 50~64）将升级成功的标志UPDATE_SUCCESS_STATE写入到地址0x08003000也就是Setting地址空间，下一次循环就会在步骤2中走到步骤4的流程，从而启动APP；

    至此，bootloader的OTA过程状态机形成闭环

    附

    bootloader.c

    #include "bootloader.h"

boot_t boot_parameter = {START_PROGRAM, 0, 0, 0};

uint8_t jump_app(uint32_t app_addr) 
{
    uint32_t jump_addr;
    jump_callback cb;
    if (((*(__IO uint32_t*)app_addr) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000) {  
        jump_addr = *(__IO uint32_t*) (app_addr + 4);  
        cb = (jump_callback)jump_addr;  
        __set_MSP(*(__IO uint32_t*)app_addr);  
        cb();
        return 1;
    } 
    return 0;
}

void set_boot_state(process_status process) 
{
    boot_parameter.process = process;
}

process_status get_boot_state(void) 
{
    process_status process;
    process = boot_parameter.process;

    return process;
}

process_status read_setting_boot_state(void)
{
	process_status process;
	uint8_t boot_state;
    mcu_flash_read(SETTING_BOOT_STATE, &boot_state, 1);
    // printf("boot_state: %d \r\n", boot_state);
 
    if(boot_state != UPDATE_PROGRAM_STATE)
    {
       process = START_PROGRAM;
    }
    else
    {
       process = UPDATE_PROGRAM;
    }
	return process;
}

uint8_t write_setting_boot_state(uint8_t boot_state)
{
	uint8_t result;
	result = mcu_flash_erase(SETTING_BOOT_STATE, 1);
	if(result)
	{
		result = mcu_flash_write(SETTING_BOOT_STATE, &boot_state, 1);
		if(result != 1)
		{
			return result;
		}
	}
    
	return result;
}

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