简介
- V2 n& J4 a2 R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.
  m  \8 U' W! U8 R4 N
7 B' e( ]" G& h1 X9 ~3 d: R3 V
1. OTA基础知识
% _3 C. D  u+ a9 J! M/ a什么是BootLoader?
, g* `) @8 j" y# B( M" i6 EBootLoader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.
2 T; X. t$ k, G$ D
- j: C0 @3 f/ J1 {" _: H2 j0 v7 QSTM32中的程序在哪儿?
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
5 j: y; k2 |# Y3 v: p9 D, [7 F9 h

2 u5 n% @/ d2 J
接下来就可以进入正题了.
' I9 G! S! h6 V+ C  _; S% Z* G
进行分区
/ @9 ^* E- S* e) n. J  ]( e4 j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:
1 W& {. b3 `+ A  q  C
0 g. E! I  O& O( a1 v  \

  w, _4 L1 l/ E7 [2 _
) H$ j# X; e/ L* V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:
+ z1 d) ?5 A6 X) X  c/ K2 QBootLoader区存放启动代码
  J5 V% [( z: x, V7 S+ p0 }App1区存放应用代码
App2区存放暂存的升级代码

' i: R5 {  j! q; t' H# M& H* r

总体流程图
8 y  ~5 H5 i4 d: 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.
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 S. g6 j: V0 x4 U6 J7 ]+ @( }
- ]3 l, O& ~9 Q% l# t% B& V- d* v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:

4 h; Q$ l9 U, `$ t

( ?" _- d$ ]9 @5 R  g9 }1 h6 ^

: ]& {6 ^4 O- N1 m" k8 C2. BootLoader的编写
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。

流程图分析
8 `& P5 S. g( {, ]1 v以我例程的BootLoader为例：
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

, Z7 P+ x: O2 I/ M8 z+ w' q% D2 q

  K$ N% y/ v# X8 ?6 k0 ^" [6 I0 T- H程序编写和分析
/ X$ M3 l' s6 S* _- b) f0 C所需STM32的资源有:
: q3 ]- y* c6 T+ }发送USART数据和printf重定向
Flash的读写
5 |1 |0 t) |' G1 R, t程序跳转指令,可以参考如下代码:
6 t( B0 t  O1 ?4 X; T9 |% E

! p7 f5 @# |7 U1 N, j+ h8 z$ }, V5 ]

1. /* 采用汇编设置栈的值 */
   
2. __asm void MSR_MSP (uint32_t ulAddr)
   / X! l9 z' q- [! }
3. {
   5 W5 {( P/ p; A  m$ k  L: Q2 [
4.     MSR MSP, r0   //设置Main Stack的值
   4 l& n. d( ~/ [
5.     BX r14
   8 {7 ?2 A1 G6 m
6. }
   8 |  J8 V3 [1 f; o
7. 
   3 W. ?! I% X' X) B2 S  @# B
8. 
   % A$ }. p' m  M1 b# M
9. /* 程序跳转函数 */
   ( ?" \4 _. }+ u) L& [! I7 Z4 g
10. typedef void (*Jump_Fun)(void);
    9 Q; s/ X! G4 s" R1 I* F7 S% u. }% ?0 K
11. void IAP_ExecuteApp (uint32_t App_Addr)
    
12. {
    7 a2 Z7 Y: d! R  g, k
13.   Jump_Fun JumpToApp;
    
14. 
    
15.   if ( ( ( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr ) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000 )  //检查栈顶地址是否合法.
    
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)
    . D; o0 s; k3 b# l+ p6 n
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)
    
19.     JumpToApp();                                                //跳转到APP.
    
20.   }
    
21. }

复制代码

; E0 a* x) ]* |7 @! 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
! Y) X, Y# {$ X$ f
0 n7 o4 a. S( |3. 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。
" @, _& G" E! z7 [$ [9 w

流程图分析
; y' s4 S; w) _以我例程的App1为例：
" j  F# `7 `) t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；
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：
6 ]; P' J5 O5 J8 T+ T

% J/ k$ `3 g* U! J5 c8 b3 ]' s. L8 i
# @) J- B/ ^6 n7 \2 d程序编写和分析
5 x# i, H6 W  h所需STM32的资源有:
: F- W* o9 P( I/ W9 Z! q发送USART数据和printf重定向
Flash的读写
串口的DMA收发
YModem协议相关
2 E2 N# S, r/ y& z# t+ C3 uYmodem协议
- p5 y! F/ @* _/ J9 B( \  L& ^百度百科[Ymodem协议]
. b' ?4 G5 N  r, P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).
9 ?: X. V2 Z' F+ K% x4 uYmodem协议相关介绍可参考我的这篇教程 YModem介绍

  k8 A  n- L6 Y' a0 {代码分析
9 H1 ]1 Y/ y6 w& O/ H$ B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
+ ?4 ~% V, n4 U0 f后面放了我的源代码, 详情请参考我的源代码.
6 ~" g4 x" k8 r4 f0 z8 U主函数添加修改向量表的指令
8 A$ C/ v/ C0 C; g% _

7 V9 D- K7 r) E$ D4 R
打印版本信息以及跳转指令

6 Z7 w$ m4 ]6 U  y7 [" N

YModem相关的文件接收部分
( R: Y6 |1 E) F" h3 n

1. 
   
2. /**
   
3. * @bieaf YModem升级
   
4. *
   
5. * @param none
   
6. * @return none
   . z) L! O: ]# q! P
7. */
   
8. void ymodem_fun(void)
   
9. {
   
10.         int i;
    
11.         if(Get_state()==TO_START)
    & s' W" w1 F3 F& f3 A) b) y
12.         {
    
13.                 send_command(CCC);
    
14.                 HAL_Delay(1000);
    % Q# [/ s1 v: I6 y, P2 v1 E
15.         }
    ( h3 B$ J0 }7 Y! u5 x
16.         if(Rx_Flag)            // Receive flag
    
17.         {
    
18.                 Rx_Flag=0;        // clean flag
    % j" @- |. X9 w: \/ R( Z
19.                                 
    
20.                 /* 拷贝 */
    ; i4 {! E* R; p- K; S
21.                 temp_len = Rx_Len;
    / Y; [% G3 g% {
22.                 for(i = 0; i < temp_len; i++)
    8 U' E" K1 Y' q( N3 e0 c
23.                 {
    ( v9 y/ O: P! R& `6 G6 o
24.                         temp_buf[i] = Rx_Buf[i];
    1 }* |9 }) l' A1 b$ [* r
25.                 }
    # H5 G* O$ ^1 I9 B0 r; }  M
26.                
    3 Y* U: O: @( z" m' m) z! Y9 y: x
27.                 switch(temp_buf[0])
    
28.                 {
    
29.                         case SOH:///<数据包开始
    
30.                         {
    
31.                                 static unsigned char data_state = 0;
    
32.                                 static unsigned int app2_size = 0;
    0 Q3 X9 w* I  Y# u# Z: D
33.                                 if(Check_CRC(temp_buf, temp_len)==1)///< 通过CRC16校验
    4 J/ H- l; \: [" p& p; m" P
34.                                 {                                       
    
35.                                         if((Get_state()==TO_START)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 开始
    
36.                                         {
    
37.                                                 printf("> Receive start...\r\n");
    
38. 
    5 L9 c: e2 ]+ l' K
39.                                                 Set_state(TO_RECEIVE_DATA);
    % {/ F" S7 i0 E- S
40.                                                 data_state = 0x01;                                                
    
41.                                                 send_command(ACK);
    
42.                                                 send_command(CCC);
    . Y4 m5 s. V0 ?8 M5 h+ e+ z
43. 
    
44.                                                 /* 擦除App2 */                                                        
    
45.                                                 Erase_page(Application_2_Addr, 40);
    8 i8 ]1 S: w* E
46.                                         }
    . ~) Q% X5 \( Y
47.                                         else if((Get_state()==TO_RECEIVE_END)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 结束
    ' t% _7 v: u. m9 f0 d
48.                                         {
    
49.                                                 printf("> Receive end...\r\n");
    
50. 
    
51.                                                 Set_Update_Down();                                                
    
52.                                                 Set_state(TO_START);
    
53.                                                 send_command(ACK);
    " ^- o1 W& A( w$ u; ^8 i4 P
54.                                                 HAL_NVIC_SystemReset();
    
55.                                         }                                       
    
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
    " N. t0 r3 @* ]+ X  o
57.                                         {
    5 ?* L# v6 u1 {% q
58.                                                 printf("> Receive data bag:%d byte\r\n",data_state * 128);
    
59.                                                 
    " i! B1 a5 J5 y0 R
60.                                                 /* 烧录程序 */
    
61.                                                 WriteFlash((Application_2_Addr + (data_state-1) * 128), (uint32_t *)(&temp_buf[3]), 32);
    
62.                                                 data_state++;
    " v7 c3 e8 C# z. p) g
63.                                                 
    
64.                                                 send_command(ACK);               
    
65.                                         }
    9 F/ s2 O0 E" u3 _
66.                                 }
    
67.                                 else
    
68.                                 {
    * R# P$ M3 N! m$ n# [
69.                                         printf("> Notpass crc\r\n");
    
70.                                 }
    
71.                                 
    ! r# P+ c; _! E6 e- T& B
72.                         }break;
    , p; K/ _) l& N0 V5 P) |# K/ n
73.                         case EOT://数据包开始
    + `5 ]0 P; `: q2 `/ B8 h+ ^! q
74.                         {
    
75.                                 if(Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)
    
76.                                 {
    & |. _9 r, }, `- Y6 z2 }
77.                                         printf("> Receive EOT1...\r\n");
    
78.                                        
    
79.                                         Set_state(TO_RECEIVE_EOT2);                                       
    
80.                                         send_command(NACK);
    
81.                                 }
    1 x0 j7 G, h3 w8 ^1 o* N+ c
82.                                 else if(Get_state()==TO_RECEIVE_EOT2)
    % z7 l/ d& Y3 C/ |' c
83.                                 {
    
84.                                         printf("> Receive EOT2...\r\n");
    
85.                                        
    
86.                                         Set_state(TO_RECEIVE_END);                                       
    4 \- @- Y0 S1 E1 N$ {5 h
87.                                         send_command(ACK);
    
88.                                         send_command(CCC);
    
89.                                 }
    * R/ y8 {0 v+ v% L
90.                                 else
    6 ~  T) d& L) W  v% i1 f% d: F! L
91.                                 {
    * F( @" M# n9 y9 c: ?
92.                                         printf("> Receive EOT, But error...\r\n");
    
93.                                 }
    
94.                         }break;        
    + q$ E, j6 q+ `8 q" m9 G# C+ L
95.                 }
    
96.         }
    
97. }

复制代码

: m8 A3 m! Q6 U# L4 Q( L# W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! e# I$ }2 l& F+ Q/ }; b
4. 整体测试
/ a! l% H" `/ [3 Q% Z8 q5 D, Z本节主要对前三节的教程做测试验证 BootLoader + App的升级功能。

源代码
2 G9 D  O, I; C- |$ {5 LBootLoader源代码和App1源代码可以在原作者的gitee获取
. p  x. H# A$ K" R$ N
! U2 L9 {) G- t+ x代码的下载
7 H$ |/ }9 R/ p( ?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」。
  W( K* v9 \% w& t
6 h' h- K. E1 A% R8 q: y

& V5 @% ~& L( g9 o1 h5 k) G

1 j4 F" t8 X" z6 T/ x* g# `$ \) H
! Y( V) m+ S3 j4 SBootLoader的下载
. X7 ?' b$ {; t0 I3 R( tBootLoader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
- w7 B& t; R# ], R* B/ O7 n按照下图, 修改擦除方式为Erase Sectors, 大小限制在0X5000(20K)

" M* x5 p7 }7 \9 U* l1 W

& U9 {% `! v3 _1 |8 j7 I4 k
烧录代码
运行, 通过串口1打印输出, 会看到以下打印消息
0 w9 U) m" J: v说明BootLoader已经成功运行
2 H7 [0 O3 V% ]1 b: C: S) F$ P; `

! n/ r! L2 m: \& ~

% m5 G  x3 F% s, ]" X: ~App1的下载
. j3 s1 X1 O+ k5 JApp1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
: J* v. }* V# T$ L* y: v
3 d$ i. c; ]' Y& T* K. F

: G3 u4 k2 \; P* E3 S6 H
5 f- S( l6 f& e/ @9 y- A( R

: r) d2 L6 _  u1 W' \6 t
! j2 e0 w7 _, E$ Q& o9 ?5 @! {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已经成功跳转到版本号为0.0.1的App1
& ^/ }. t  }% ?% h# R! A8 e: C1 a
6 p; C5 W- \, d. F2 b% M$ T. ^

1 k( i+ v  z/ v6 d- @生成App2的.bin文件
Keil生成.bin文件

/ t9 Z1 e7 i( e, ?6 x修改代码, 把版本号改为0.0.2, 并且编译并且生成.bin文件

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
4 c1 E+ Z  t% h- w$ C
) A& |( i( y3 W! J1 Z- H$ y

8 c2 I, N1 N$ \6 L6 u& P' g

$ x: s+ Y5 {& J% n0 z使用Xshell进行文件传输
+ [( L) w0 r, ^7 m6 ?# o打开Xshell
( u  o3 J; }' Z/ x8 A代码中, 串口1进行调试信息的打印, 串口2进行YModem升级的
2 o& T4 h* O$ a3 n1 c+ a8 W0 _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
5 s6 C. q/ H% s. ]0 y: n. r$ ~你会看到App的版本成功升级到0.0.2了.
* W! H' n1 x. O! r, ^1 m如果你到了这一步.
那么恭喜你! 你已经能够使用在线升级了!

" |! J' ^7 g/ g! s7 M8 E( S5. 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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