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基于STM32的BlueNRG-LP 和-LPS 的代码空间优化经验分享

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攻城狮Melo 发布时间:2023-11-16 19:19
01引言
客户在使用 BlueNRG-LP/LPS 芯片时,增加 OTA 服务后常常反馈说,编译代码区域超空间了,需要帮忙优化一下。后文主要通过下列步骤进行分析和优化 BlueNRG-LP/LPS 的代码空间:
a. 通过分析 BlueNRG-LP/LPS 的 OTA 方式,让客户可以选择合适的方式;
b. 通过整体分析 BlueNRG-LP/LPS 的链接文件(*.icf/*.sct/*.ld)了解默认工程的存储分布;
c. 通过裁剪协议栈,选择合适的协议栈功能,优化 BlueNRG-LP/LPS 的代码空间;
d. 通过使用静态协议栈,进一步优化 BlueNRG-LP/LPS 的代码空间;
e. 其他方案;

微信图片_20231116191908.jpg

总的来说通过两个维度来节省空间:一个是协议栈的裁剪维度:主要是通过修改宏配置实现编译对应应用需要的协议栈。另一个是 OTA 和静态协议栈的维度:OTA 和静态协议栈的选择流程图如下图所示

02BlueNRG-LP/BlueNRG-LPS的OTA
2.1 OTA 的框架
手机或者电脑做 GATT Client,给带 OTA 服务的设备升级。

微信图片_20231116191905.jpg

2.2 官方提供的 OTA 方式
默认提供的 OTA 应用和协议栈编译在一个固件上。
a. 不带备份的(右图中的右半部分)
升级服务程序在 Boot 端(OTA Service manager)。
省空间(存放了 2 份协议栈,1 份应用)
管理简单(只需管理一份应用)
b. 带备份的(右图中的左半部分)
升级服务程序在应用端
更消耗空间(存放了 2 份协议栈,2 份应用)
管理稍微麻烦(需要管理两份应用,Lower 区域应用不能放置 Higher 区域运行)
更安全

微信图片_20231116191901.jpg

a. 不带备份的方式由以下组件构成:
BLE_OTA_ServiceManager+ application
b. 带备份的由以下组件构成:
BLE_OTA_ResetManager +Lower Application (with BLE OTA service) orBLE_OTA_ResetManager + Higher Application (with BLE OTA service)

对应在 SDK 中工程和配置如下图所示:
a.BLE_OTA_ServiceManager 配合 BLE_SerialPort 中的 Sever_Use_OTA_serviceManager
b.BLE_OTA_ResetManger 配合 BLE_SerialPort 中的 Service_LowerApp_OTA 或者Service_LowerApp_OTA 使用

微信图片_20231116191859.jpg

2.3 使用带备份类型 OTA 升级错误变砖头问题
编译器编译的 Higher Application 如果放置在 Lower Application 的位置,程序无法运行。APP 程序可以知晓当前运行的固件是 Lower 还是 Higher APP。可以在编译固件 Higher Application 和 Lower Application 中加入一些标记,用于给升级工具识别,当前需要下载的是Higher Application 还是 Lower Application 或者是否混用。建议每次发布时两个应用程序都编译生成,不要人为来管理固件,否则容易造成混乱,应该让升级 app 自动选择对应的来升级。


微信图片_20231116191855.jpg


03BlueNRG-LP/LPS的存储分析
3.1 linker 中宏定义作用范围
Linker 中可定义一些宏、用于指定链接脚本文件所需的配置。这些宏定义不作用于.c文件或者.h文件,只作用于链接文件(.icf 或者.sct 或者 *.ld)。


3.2 链接脚本文件分析(代码区域)
不同的 IDE 所使用的链接脚本文件的格式不同。比如,Keil 使用“*.sct”文件,IAR 使用“*.icf”文件,而 TrueStudio 使用 “*.ld”文件。

下面分析BlueNRG-LP最新SDK中BLE_SerialPort项目IAR工程目录下的BlueNRG_LP.icf文件, 其他IDE一样,可以进行类比。由于Flash的擦除必须是整页操作的,写Flash之前必须将对应的页擦除,所以Flash的划分需要2KB对齐。就算只使用到0.9KB,也需要划分2KB区域。

默认SDK中提供了4种程序的链接配置:
1.CONFIG_OTA_HIGHER
2.CONFIG_OTA_LOWER
3.CONFIG_OTA_USE_SERVICE_MANAGER
4.其他

微信图片_20231116191852.jpg

对于这四种链接配置编译后,代码区域放置在如下地址。BLE_OTA_ServiceManager 工程使用的是非 OTA 程序,而 BLE_SerialPort 中的 Sever_Use_OTA_serviceManager 工程使用的是CONFIG_OTA_USE_SERVICE_MANAGER。

微信图片_20231116191849.jpg

上述4种程序的链接配置由以下宏定义来指定:MEMORY_FLASH_APP_SIZE: 定义程序使用Flash的大小。以工程BLE_OTA_ServiceManager为例子,在linker中定义了MEMORY_FLASH_APP_SIZE = 0x3000, 则表明BLE_OTA_ServiceManager的大小不能超过0x3000(12*1024) 字节。BLE_OTA_ServiceManager是一个带OTA服务的启动程序,宏定义MEMORY_FLASH_APP_SIZE限制这个工程编译的程序空间大小不能超过这个范围。

如果在linker中没有定义MEMORY_FLASH_APP_SIZE,则对应的4种配置分别是:

微信图片_20231116191846.jpg

MEMORY_FLASH_APP_OFFSET: 定义程序编译链接地址的偏移(非OTA程序)。如果在linker中没有定义MEMORY_FLASH_APP_OFFSET,则对应的4种配置分别是:

微信图片_20231116191843.jpg

前面提到默认SDK中提供了4种程序的链接配置,本质上只是计算MEMORY_FLASH_APP_OFFSET和MEMORY_FLASH_APP_SIZE的方式不同而已,如果应用需要,也可以改动这个链接脚本文件。


04通过协议栈的初步裁剪与自定义优化空间
SDK 中默认提供了 4 种默认配置的协议栈加一种自定义的协议栈配置(BLE_STACK_CUSTOM_CONF),如下图所示。

微信图片_20231116191839.jpg

上述 5 种不同协议栈的配置,本质上就是通过使用宏控制不同的特性功能是否打开。只是前面 4种提供了默认便捷的设置,而最后一种可以进行细粒度更细的自定义的协议栈。

可以在 Preprocesor Symbols 中定义相关的宏来配置使用哪种协议栈配置。

微信图片_20231116191836.jpg

如果选用细粒度更细的 BLE_STACK_CUSTOM_CONF 协议栈配置,则在 其中在头文件“custom_ble_stack_config.h”中开关不同功能特性,大致占用的代码如下图所示。

微信图片_20231116191833.jpg


05协议栈的进一步裁剪:使用静态协议栈
5.1 静态协议栈工程的 4 种默认的配置
ST 官方 SDK 中已经提供了静态协议栈的 Demo,分为协议栈工程和应用工程两部分,路径为:C:\Users\user name\ST\BlueNRG-LP DK 1.x.x\Projects\BLE_Examples\BLE_StaticStack 静态协议栈工程默认提供了 4 种配置:
• Release
• Basic
• OTA_BTL_ResetManager
• OTA_BTL_ResetManager_Basic

C:\Users\user name\ST\BlueNRG-LP DK 1.x.0\Projects\BLE_Examples\BLE_SensorDemo_StaticStack
• Release
• LowerApp_OTA
• HigherApp_OTA

微信图片_20231116191830.jpg

那它们有什么区别呢?它们可以分为两组。

Release 和 Basic 是一组:它们运行时都是由协议栈程序直接跳转到一个固定的应用上;

Release 和 Basic 的区别:Basic 的协议栈配置是 BLE_STACK_BASIC_CONF, 而 Release的协议栈配置是 BLE_STACK_FULL_CONF。

不同的协议栈配置,包含的功能和占用的 Flash 空间也不一致。
• 不同的协议栈配置包含的功能请查看 stack_user_cfg.h
• 占用的 Flash 空间可以通过编译的 Map 文件查看• 宏 RESET_MANAGER_SIZE 用于协议栈程序的跳转偏移,即预留多少空间给协议栈,因此这个宏的大小也会因为协议栈占用的空间不同而不同。
• Linker 中宏 MEMORY_FLASH_APP_SIZE 用于定义程序可用的大小。即预留多少空间给协议栈,因此这个宏的大小也会因为协议栈占用的空间不同而不同。

OTA_BTL_ResetManager 和 OTA_BTL_ResetManager_Basic 是另外一组:它们都是由协议栈程序跳转到 Lower 应用程序或者 Higher 应用程序;

• OTA_BTL_ResetManager 和 OTA_BTL_ResetManager_Basic 的区别:OTA_BTL_ResetManager_Basic 的协议栈配置是 BLE_STACK_BASIC_CONF, 而OTA_BTL_ResetManager 的协议栈配置是 BLE_STACK_FULL_CONF

• 不同的协议栈配置,包含的功能和占用的 Flash 空间也不一致。
o 不同的协议栈配置包含的功能请查看 stack_user_cfg.h
o 占用的 Flash 空间可以通过编译的 Map 文件查看
o 宏 RESET_MANAGER_SIZE 用于协议栈程序的跳转偏移,即预留多少空间给协议栈,因此这个宏的大小也会因为协议栈占用的空间不同而不同。
o Linker 中宏 MEMORY_FLASH_APP_SIZE 用于定义程序可用的大小。即预留多少空间给协议栈,因此这个宏的大小也会因为协议栈占用的空间不同而不同。

其中,一个工程负责生成协议栈,另一个工程负责应用,那么这里 BLE_StaticStack 中的Release or Basic 与 OTA_BTL_ResetManager or OTA_BTL_ResetManager_Basic 怎么和Release,LowerApp_OTA 和 HigherApp_OTA 组合呢?
• BLE_StaticStack 中的 Release or Basic + BLE_SensorDemo_StaticStack 中的Release //不带备份 OTA 的使用固定协议栈的方法
• BLE_StaticStack 中的 OTA_BTL_ResetManager or OTA_BTL_ResetManager_Basic + BLE_SensorDemo_StaticStack 中的 LowerApp_OTA or HigherApp_OTA //带备份OTA 的使用固定协议栈的方法

5.2 将工程实例化为静态协议栈工程编程基础
将工程实例化为静态协议栈涉及比较多的步骤,可以参考官方的文档 :BlueNRG-LP_LPS DK 1.2.0\Projects\BLE_Examples\BLE_SensorDemo_StaticStack\README.txt

以及 SDK 安装目录的 index.html 中的静态协议栈的介绍如下图所示。

微信图片_20231116191827.jpg

如果在实例化 OTA 程序时,可能需要修改链接脚本和 Preprocesor Symbols 中下面几个宏(具体不同应用,不同 OTA 类型,具体需要定义的宏和宏的数值也不同):

RESET_MANAGER_SIZESERVICE_MANAGER_OFFSETSERVICE_MANAGER_SIZEMEMORY_FLASH_APP_SIZEMEMORY_RAM_APP_OFFSET

5.3 使用默认配置的协议栈
如果使用了 OTA,发现空间不够,可以考虑将应用协议栈和 OTA 协议栈合并使用如下图所示。

微信图片_20231116191823.jpg

上图列举的是基于 BlueNRG-LP 的默认提供的工程的大致数值(BlueNRG-LPS 类似,这里不再举例)。如果遇到不同的应用,可以实际裁剪协议栈适配不同的应用需求。

5.4 使用自定义配置的协议栈
使用静态协议栈可以实现更为精确的函数级别的裁剪:通过注释协议栈工程中的 bluenrg_lp_cmd_if.c 中的 cmd_call_table 中对应的函数,编译时可以将不使用的协议栈函数裁减出协议栈。

微信图片_20231116191820.jpg

5.5 使用静态协议栈这种模式如何支持升级协议栈
当使用静态协议栈,默认协议栈就无法升级。为了能够支持协议栈也升级。需要增加一段 boot代码,当升级协议栈时,先放置在 APP 区域,当升级完协议栈后,将 APP 区域的协议栈拷贝到协议栈区域。接着继续升级被擦除的应用程序。Boot 代码决定搬运协议栈和跳转到下一级。

微信图片_20231116191817.jpg

06优化后空间仍不足的其他方法
如果使用静态协议栈和空间仍然不足,可以考虑将一些常用而不需修改的通用模块编译进协议栈的工程。如果空间仍然差距比较远则考虑用片外 Falsh 或者选用 STM32WB 系列,再或者使用 STM32+协处理器模式。


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