简介
本文主要讲解在线升级(OTA)的基础知识, 主要是针对IAP OTA从原理分析, 分区划分, 到代码编写和实验验证等过程阐述这一过程. 帮助大家加深对OTA的认识.
8 Q& ~1 d4 P! q+ k

* G1 U; c$ k# p9 f2 a9 e1. OTA基础知识
6 A6 L( a1 Z+ i1 G; v- l) b+ |什么是BootLoader?
0 `, V9 e2 N6 t3 LBootLoader可以理解成是引导程序, 它的作用是启动正式的App应用程序. 换言之, BootLoader是一个程序, App也是一个程序,  BootLoader程序是用于启动App程序的.
3 B$ {1 B- ]! p" b$ W! V
: ?* r5 U+ p. C: R) H$ hSTM32中的程序在哪儿?
0 d( `! w2 R6 n正常情况下, 我们写的程序都是放在STM32片内Flash中(暂不考虑外扩Flash). 我们写的代码最终会变成二进制文件, 放进Flash中 感兴趣的话可以在Keil>>>Debug>>>Memory中查看, 右边Memory窗口存储的就是代码
8 y; S& i/ ^' J
$ r: P! u5 N8 ]# j/ x) Y7 E

接下来就可以进入正题了.

$ ^8 q+ x  t, E" Z1 N6 Z, l进行分区
% M9 ~  G5 _0 F既然我们写的程序都会变成二进制文件存放到Flash中, 那么我们就可以进一步对我们程序进行分区. 我使用的是F103RB-NUCLEO开发板,他的Flash一共128页, 每页1K.见下图:
. Q+ S: h8 q. R" h
7 e2 r' ?) `* Y1 s5 }9 [

以它为例, 我将它分为三个区.BootLoader区、 App1区、 App2区(备份区)具体划分如下图:
) ^; |; d" K9 X" ]+ u0 Q- iBootLoader区存放启动代码
App1区存放应用代码
App2区存放暂存的升级代码

2 o* T' l. P2 [* {3 F. g, Q0 ]

+ P8 i. E' j! d. B4 c, K. s+ v. x
总体流程图
# b' S0 n5 f1 `* N- i先执行BootLoader程序, 先去检查APP2区有没有程序, 如果有就将App2区(备份区)的程序拷贝到App1区, 然后再跳转去执行App1的程序.
5 i7 r, d9 L- M( D9 Z/ i然后执行App1程序, 因为BootLoader和App1这两个程序的向量表不一样, 所以跳转到App1之后第一步是先去更改程序的向量表. 然后再去执行其他的应用程序.

5 P7 s0 e8 a0 _% i. [在应用程序里面会加入程序升级的部分, 这部分主要工作是拿到升级程序, 然后将他们放到App2区(备份区), 以便下次启动的时候通过BootLoader更新App1的程序. 流程图如下图所示:

' C# f* E1 w: n5 m4 v

) S5 b: s; v3 l1 n
0 {  m: O& j, x, m! x
2. BootLoader的编写
$ e# c! E2 N" \& I; j* R" D本节主要讲解在线升级(OTA)的BooLoader的编写，我将以我例程的BootLoader为例, 讲解BootLoader(文末会提供免费的代码下载链接)，其他的大体上原理都差不多。

1 o$ n; {- ~7 _2 `+ g3 D0 [* D/ T, Z流程图分析
以我例程的BootLoader为例：
7 ?4 A2 r% [( c% H( [我将App2区的最后一个字节(0x0801FFFC)用来表示App2区是否有升级程序, STM32在擦除之后Flash的数据存放的都是0xFFFFFFFF, 如果有, 我们将这个地址存放0xAAAAAAAA. 具体的流程图见下图所示

5 z- T8 @- ~) s# z7 F$ u
8 H! i5 ]# e5 O" ?, r# f程序编写和分析
所需STM32的资源有:
% G& E& {/ C' A3 W& v; a. F发送USART数据和printf重定向
Flash的读写
( H" i6 ~! o6 |4 i+ W9 b7 h程序跳转指令,可以参考如下代码:


, U0 e; C% E7 D6 {  ^& i# C! l

1. /* 采用汇编设置栈的值 */
   # z/ |" K+ a. S, {
2. __asm void MSR_MSP (uint32_t ulAddr)
   
3. {
   1 n  @; q3 j+ M' J" H( C
4.     MSR MSP, r0   //设置Main Stack的值
   0 ?, d/ c/ z5 f" Y# R
5.     BX r14
   
6. }
   / ~, D, c5 P  |7 w  X
7. 
   
8. 
   
9. /* 程序跳转函数 */
   
10. typedef void (*Jump_Fun)(void);
    
11. void IAP_ExecuteApp (uint32_t App_Addr)
    5 i1 B4 i9 H2 B: @0 A& `1 `) s
12. {
    ) p: D7 W# ]+ g& X$ |* ~7 m
13.   Jump_Fun JumpToApp;
    
14. 
    
15.   if ( ( ( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr ) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000 )  //检查栈顶地址是否合法.
    5 o$ {" J/ Z  `) `
16.   {
    
17.     JumpToApp = (Jump_Fun) * ( __IO uint32_t *)(App_Addr + 4);  //用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址)
    " a2 L) }: [+ @0 N  E
18.     MSR_MSP( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr );                  //初始化APP堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址)
    + Y: n( ]) Z8 a3 @1 D$ f  Y- `7 i% B
19.     JumpToApp();                                                //跳转到APP.
    - a0 V4 T# z6 f& {6 p9 Y8 U, ~
20.   }
    5 |3 r$ [4 A- {. w: ^2 I5 }
21. }

复制代码

3 D& e$ x* V5 ^4 `' w; I* m在需要跳转的地方执行这个函数就可以了IAP_ExecuteApp(Application_1_Addr);
其他的代码请参考BootLoader源代码
% }& S- n: v* ?1 a
6 f1 ?& {; C+ t% A; p3. APP的编写
本节主要讲解在线升级(OTA)的App1的编写以及整个流程的说明，我将以我例程的App为例, 采用Ymodem协议进行串口传输,讲解App的编写(后面会提供免费的代码下载链接), 其他的协议原理大体上都差不多, 都是通过某种协议拿到升级的代码。

" w1 B& ^6 X& ]8 z9 A; }$ b( Q
! A* a/ ]- U: R  w) [5 R流程图分析
9 Z# A# w2 I: ]5 ]以我例程的App1为例：
先修改向量表, 因为本程序是由BootLoader跳转过来的, 不修改向量表后面会出现问题；
打印版本信息, 方便查看不同的App版本；
8 b6 w& D1 t4 \8 |本例程的升级程序采用串口的Ymoderm协议进行传输bin文件. 具体的流程图见下图所示：

0 V+ ]& {$ g2 A3 \1 ]* s" ]& H

5 v# W* R; |7 F" O
程序编写和分析
所需STM32的资源有:
0 {* y7 o# E2 F$ q发送USART数据和printf重定向
  f& v* T3 R' j- w0 ?Flash的读写
  Y7 N6 k# u- @5 i串口的DMA收发
YModem协议相关
Ymodem协议
百度百科[Ymodem协议]
具体流程可自行查找相关文档, 这儿提供一个我找到的 XYmodem.pdf(文末和源码一起提供).
Ymodem协议相关介绍可参考我的这篇教程 YModem介绍

6 l" k; H: g& V( ^. ~. n5 w( Z代码分析
5 A& C& A2 Y& ^& i# K) v! k0 S1 f代码大多数都是通过串口实现Ymodem协议的接收, 这儿就不详细说明
后面放了我的源代码, 详情请参考我的源代码.
主函数添加修改向量表的指令
' \3 g( s9 F) ]' v% A# _0 V

  k) [7 Q9 _$ G0 k
: W* G, i9 h) D" E6 q打印版本信息以及跳转指令
) \' H- I" B! q  c  l4 {

8 V( k: Q  ^# f: K: B; AYModem相关的文件接收部分
! R2 t9 U* ]* l; @! u% {

1. 
   % x8 u1 \8 }: L7 E* \! a. W7 b
2. /**
   " A8 h1 S- ^. o/ q( {/ ^: g
3. * @bieaf YModem升级
   
4. *
   3 s3 E/ G$ @2 I3 u$ ^8 |
5. * @param none
   
6. * @return none
   
7. */
   2 ]# ~" s' s" d' M. I( |9 P
8. void ymodem_fun(void)
   
9. {
   # ]2 C$ U+ Q( e) }( y4 k9 J% o
10.         int i;
    
11.         if(Get_state()==TO_START)
    ( `8 x" A; ]" D7 U
12.         {
    ( x, L7 x- y* u; p. [
13.                 send_command(CCC);
    . Q3 r% S  i* U8 h
14.                 HAL_Delay(1000);
    : b: R- F' [4 G6 Z0 C) ~/ ^9 d
15.         }
    
16.         if(Rx_Flag)            // Receive flag
    
17.         {
    
18.                 Rx_Flag=0;        // clean flag
    . s+ D) r/ j0 N: \1 H
19.                                 
    ! l+ c$ P' ]2 ]' V, X; H7 S+ o
20.                 /* 拷贝 */
    
21.                 temp_len = Rx_Len;
    + m8 p0 K' m; J+ X: t& G
22.                 for(i = 0; i < temp_len; i++)
    
23.                 {
    
24.                         temp_buf[i] = Rx_Buf[i];
    ) X' G/ ~3 t) [
25.                 }
    
26.                
    
27.                 switch(temp_buf[0])
    
28.                 {
    " v, V& y( d; Q+ X# ]. E; P
29.                         case SOH:///<数据包开始
    
30.                         {
    4 o" K; l9 t8 q2 l
31.                                 static unsigned char data_state = 0;
    , v+ f+ P9 m9 }. R/ |9 v9 m
32.                                 static unsigned int app2_size = 0;
    
33.                                 if(Check_CRC(temp_buf, temp_len)==1)///< 通过CRC16校验
    ( I7 w8 v; q2 Z" b& K4 f7 i
34.                                 {                                       
    
35.                                         if((Get_state()==TO_START)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 开始
    
36.                                         {
    ! o- ?2 K, d$ T# e+ a  a7 V1 O
37.                                                 printf("> Receive start...\r\n");
    0 ~: Q  V" S# o) s: m  _
38. 
    
39.                                                 Set_state(TO_RECEIVE_DATA);
    
40.                                                 data_state = 0x01;                                                
    ) J+ @0 Z7 D4 M  g
41.                                                 send_command(ACK);
    # F. j4 k8 A6 x1 F
42.                                                 send_command(CCC);
    4 h$ M$ K, r2 r! i, q1 {
43. 
    % `' Y0 N% I* x% t; l* Q
44.                                                 /* 擦除App2 */                                                        
    
45.                                                 Erase_page(Application_2_Addr, 40);
    " l$ L! t# n6 v; }" b+ e
46.                                         }
    " a+ g  T% {2 o' }
47.                                         else if((Get_state()==TO_RECEIVE_END)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 结束
    
48.                                         {
    
49.                                                 printf("> Receive end...\r\n");
    
50. 
    
51.                                                 Set_Update_Down();                                                
    2 }1 t, f% I; A1 p$ O
52.                                                 Set_state(TO_START);
    
53.                                                 send_command(ACK);
    
54.                                                 HAL_NVIC_SystemReset();
    
55.                                         }                                       
    8 q: J1 [+ p6 d  H
56.                                         else if((Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)&&(temp_buf[1] == data_state)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 接收数据
    
57.                                         {
    
58.                                                 printf("> Receive data bag:%d byte\r\n",data_state * 128);
    0 Z" H' g3 y. ^6 B- J0 k
59.                                                 
    
60.                                                 /* 烧录程序 */
    
61.                                                 WriteFlash((Application_2_Addr + (data_state-1) * 128), (uint32_t *)(&temp_buf[3]), 32);
    / f. I" I4 ~1 S1 `2 _/ ~. j) X* a
62.                                                 data_state++;
    
63.                                                 
    
64.                                                 send_command(ACK);               
    
65.                                         }
    & J9 O& e% Y! |! k6 U
66.                                 }
    
67.                                 else
    
68.                                 {
    1 `2 _# F2 l9 F. W+ a# j1 R9 x' _' I9 ~
69.                                         printf("> Notpass crc\r\n");
    
70.                                 }
    5 \" I" c" f4 e, z
71.                                 
    , ^* X" `$ K) J" }  E# x
72.                         }break;
    + X% p( I$ V, \$ H$ M. J
73.                         case EOT://数据包开始
    
74.                         {
    
75.                                 if(Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)
    
76.                                 {
    
77.                                         printf("> Receive EOT1...\r\n");
    
78.                                        
    3 i# w8 x" |& V! o. R0 l7 x9 t
79.                                         Set_state(TO_RECEIVE_EOT2);                                       
    ' o) g8 k" `: n! O  W% k) F0 O
80.                                         send_command(NACK);
    " C) {) R  T  b0 p& ?
81.                                 }
    
82.                                 else if(Get_state()==TO_RECEIVE_EOT2)
      _, D2 f: h- }: Z7 c  t6 U5 b
83.                                 {
      Y: T; \' [5 U& o- A9 t
84.                                         printf("> Receive EOT2...\r\n");
    
85.                                        
    . j& E, P% v- }& Y8 A
86.                                         Set_state(TO_RECEIVE_END);                                       
    4 I2 f5 @$ s" Y' u; ~4 \  k, E+ b
87.                                         send_command(ACK);
    
88.                                         send_command(CCC);
    
89.                                 }
    ( k# S: l7 I7 B, N6 n+ U2 l
90.                                 else
    
91.                                 {
    
92.                                         printf("> Receive EOT, But error...\r\n");
    
93.                                 }
    3 P" E; G7 }& R
94.                         }break;        
    ) K, [4 w% p& H1 E
95.                 }
    
96.         }
    7 d4 L2 ~' N, X7 ^) g
97. }

复制代码

其中部分函数未在以上代码中展现, 详情请参看文末给出的源码链接.
& t) L- e/ r% ?% }
4 F! |6 |; h& ^) r
4. 整体测试
- t6 ?; l6 ]1 A" j; e) J- w; j. B' P本节主要对前三节的教程做测试验证 BootLoader + App的升级功能。

! [6 Z6 x& W1 b2 a; j* o2 b源代码
% N5 h5 a8 P; @5 R5 E% D% nBootLoader源代码和App1源代码可以在原作者的gitee获取
+ a! P) e$ S0 d3 V, _) [- Z
代码的下载
由下图可知两份代码的下载区域是不一样的，所以他们「下载的区域也不一样」。

1 o: O$ c) M& r0 c

, F# H3 ?2 U: q# N1 u( J/ a. z

/ t; v0 |! S! D/ d! x* [) y
( n% q, t$ j; U* R8 a& ~BootLoader的下载
5 [+ N! K8 F/ f3 Z: `9 c' R2 sBootLoader的代码默认是最开始的所以不需要特别设置代码的下载位置
按照下图, 修改擦除方式为Erase Sectors, 大小限制在0X5000(20K)
" ?0 B# s! y3 q

% _" F5 W* b) |% Q9 \
9 E) p/ L: V- F* @烧录代码
运行, 通过串口1打印输出, 会看到以下打印消息
说明BootLoader已经成功运行
  R( `2 ~5 w% @" k
& L' C/ {# z4 Z9 @+ _

) ?1 L$ r# o! S$ L! U# I& q
App1的下载
1 c" p1 A! H! e/ j& T  _$ F  KApp1稍微复杂一点, 需要将代码的起始位置设置为0x08005000
同时也要修改擦除方式为Erase Sectors, 见下图
2 v* T" j6 s7 c! L; u( O. ^
, B3 V1 j& k& t7 {9 j: X% w

, C  {: j9 @; R  v8 t- Y

$ P8 K' o  h2 f5 f. `. d8 n

) ^: R& b4 B6 z( f, ?! g% [
2 y% X2 [* u. p6 p) I7 ^+ ]烧录代码
* P9 a& B1 b9 t( e: p. ?1 x: o运行, 通过串口1打印输出, 会看到以下打印消息
, L" A4 W+ l9 S" \3 w4 o说明BootLoader已经成功跳转到版本号为0.0.1的App1

* h% B4 z7 Q% T; v, @! h- M

1 A2 L. @: a+ ]: \9 M
生成App2的.bin文件
Keil生成.bin文件
2 U% W# e& T; t* ?/ t
1 G/ i+ o4 b2 P) v- h2 v, i修改代码, 把版本号改为0.0.2, 并且编译并且生成.bin文件

' j, l/ j# E" a( R生成好之后你会得到一个.bin结尾的文件, 这就是我们待会儿YModem要传输的文件

+ T, ^' e9 Y1 g
. A+ F1 X% D" j  l
使用Xshell进行文件传输
打开Xshell
代码中, 串口1进行调试信息的打印, 串口2进行YModem升级的
8 B! m3 N$ E  Q) G4 q2 w' L# b所以使用Xshell打开串口2进行文件传输, 串口1则可以通过串口调试助手查看调试消息
& b7 O! u' [4 X- C, y你会看到App的版本成功升级到0.0.2了.
7 h1 ^9 F; w; L; ~如果你到了这一步.
. O4 P8 R" c6 q9 @% s那么恭喜你! 你已经能够使用在线升级了!
/ G0 e8 ^5 P* G$ n; ^
5. 总结
通过本几节的教程, 想必你已经会使用在线升级了, 只要原理知道了其他的问题都可以迎刃而解了, 除了使用YModem协议传输.bin文件, 你还可以通过蓝牙, WIFI,等其他协议传输, 只要能够将.bin文件传输过去, 那其他的部分原理都差不多.

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