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 i  T( m8 M; `

# J0 h( G- i3 G. n1. OTA基础知识
什么是BootLoader?
BootLoader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.
; i  G8 R+ h) n% Y7 g* T
STM32中的程序在哪儿?
& Z* Z; R: R8 Y! t" }8 z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

" P: P. R! U# b$ F

/ ~6 n! x: `8 q" i# [$ z1 v7 O: j3 I
接下来就可以进入正题了.

进行分区
. `& O) M8 p) R0 c$ i. s$ [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:

; }, O( [) q& I" @7 ]: f& P

1 N3 t, H+ q% p7 ^* m
6 p  p- C$ G' @. x# K, R$ P
( H% D1 {. T2 ^/ T/ \. I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:
6 K0 A6 T  [# G- t; j2 r" OBootLoader区存放启动代码
9 x8 \/ e' t$ a+ OApp1区存放应用代码
7 }% _( @7 f0 {3 M. T* RApp2区存放暂存的升级代码

总体流程图
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.
# x1 V5 P: W* [' t6 G: h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.
" N# U. r2 H+ l/ [
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:
- Q! {) f9 U3 f) w* [0 r, g) s

% h7 L) l- E+ d# T, {0 B) M2 o

( [* I! l% r! j. b
2. BootLoader的编写
$ l3 h+ T; z. N+ a6 q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。
- N$ k: c2 U. j' G; F1 B
流程图分析
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
: }3 A( ]/ z1 j& p( g

0 u" r9 ]3 N2 H" p) d0 j8 ?; L0 T
. d- k1 K/ P( t0 \* _. I程序编写和分析
所需STM32的资源有:
发送USART数据和printf重定向
5 r" `3 L# o3 m2 r4 }Flash的读写
6 {* c. y, V, j" h2 A程序跳转指令,可以参考如下代码:
! |/ v7 ^% b+ @! Q  g

1. /* 采用汇编设置栈的值 */
   
2. __asm void MSR_MSP (uint32_t ulAddr)
   
3. {
   7 ~( X" o% ^+ }! Z
4.     MSR MSP, r0   //设置Main Stack的值
     T7 t1 ~4 Q% d0 J0 K- \! h7 r
5.     BX r14
   5 Z: R- J& c' y
6. }
   + @2 W# Z! q* V) n5 r* B
7. 
   0 s" D- d& a7 B
8. 
   
9. /* 程序跳转函数 */
   
10. typedef void (*Jump_Fun)(void);
    
11. void IAP_ExecuteApp (uint32_t App_Addr)
    
12. {
    
13.   Jump_Fun JumpToApp;
    
14. 
    
15.   if ( ( ( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr ) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000 )  //检查栈顶地址是否合法.
    ; Y& M; M0 S" i) N1 L8 w2 E
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)
    
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.   }
    7 q& r) B- z& G- c7 b
21. }

复制代码

5 i- Z# [2 H, j( u3 H在需要跳转的地方执行这个函数就可以了IAP_ExecuteApp(Application_1_Addr);
! `9 j, g1 |8 ~4 Q  L1 K1 U# P8 D其他的代码请参考BootLoader源代码

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。
  t% w" D$ C( @+ f5 ~5 e7 u4 x+ d) ]
9 ?* n1 v, _  Q
流程图分析
" c% s  B$ c7 O, e( \2 a以我例程的App1为例：
! F' K: d4 V+ \$ z' r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；
& U9 b) G0 K* U: {1 L打印版本信息, 方便查看不同的App版本；
+ X$ ^9 F3 p0 k# T% _' Q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 J8 e( [, l7 T! u& d

6 Z" k3 ~; }) y: o1 |, k
3 k+ h8 E% E9 z5 ~) l程序编写和分析
0 v, |9 K: J# S# r# P2 [所需STM32的资源有:
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
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
* q' f+ o+ L7 A+ f9 v7 P
0 |$ J& w+ c, y6 k* E+ K; ]" J代码分析
9 ?! r1 H6 }9 L$ c2 m5 p6 h! T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
2 t9 O( m* ]  t  U+ t0 p+ N1 j后面放了我的源代码, 详情请参考我的源代码.
  L$ v. Z/ n( ?# L, `% e主函数添加修改向量表的指令
% c( T" t- S' p1 t- M* J* J

5 h0 P; _( A3 b3 J& b
1 H0 b8 D, I, A- {打印版本信息以及跳转指令

% A& @% o& ]8 L4 n

9 K/ [' u: c0 |1 {
- K  s7 l, `% Q/ ?. aYModem相关的文件接收部分

1. 
   ) Z& M% R% f2 n  ~8 |
2. /**
   
3. * @bieaf YModem升级
   9 A2 @$ ~% n! N$ N+ X& z
4. *
   
5. * @param none
   
6. * @return none
   + g  e4 L6 M, a2 Q
7. */
   
8. void ymodem_fun(void)
   * }3 r2 B! ]7 `. b! J4 s& t
9. {
   + h( G1 f1 [; m1 H; h
10.         int i;
    0 f. }$ i2 m" ]# |! |7 y
11.         if(Get_state()==TO_START)
    
12.         {
    
13.                 send_command(CCC);
    
14.                 HAL_Delay(1000);
    
15.         }
    - o  m& n- }2 E( r1 r! \
16.         if(Rx_Flag)            // Receive flag
    
17.         {
    : O, D8 }. n3 M8 O+ _6 [7 Q$ t
18.                 Rx_Flag=0;        // clean flag
    
19.                                 
    
20.                 /* 拷贝 */
    1 C7 q- I; m. g
21.                 temp_len = Rx_Len;
    + w. h9 z; C( n+ \" }
22.                 for(i = 0; i < temp_len; i++)
      H! ?7 D' A5 O& g
23.                 {
    
24.                         temp_buf[i] = Rx_Buf[i];
    * M" i/ U7 s( v. r2 `9 i7 S4 `
25.                 }
    
26.                
    ; g' d; C& z$ W; \
27.                 switch(temp_buf[0])
    
28.                 {
    7 P* M. K. z: ?" j. P8 a
29.                         case SOH:///<数据包开始
    
30.                         {
    
31.                                 static unsigned char data_state = 0;
    4 v3 `0 W5 x' Y; t$ `
32.                                 static unsigned int app2_size = 0;
    4 x) l& g! C. c9 x3 H# r
33.                                 if(Check_CRC(temp_buf, temp_len)==1)///< 通过CRC16校验
    % t1 `1 u: g- m5 K; P! d! ?) m2 d
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. 
    
39.                                                 Set_state(TO_RECEIVE_DATA);
    
40.                                                 data_state = 0x01;                                                
    
41.                                                 send_command(ACK);
    
42.                                                 send_command(CCC);
    
43. 
    8 W; n3 z- D7 D8 f
44.                                                 /* 擦除App2 */                                                        
    
45.                                                 Erase_page(Application_2_Addr, 40);
    * p" D& b5 T4 T) M5 R
46.                                         }
    
47.                                         else if((Get_state()==TO_RECEIVE_END)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 结束
    
48.                                         {
    6 w& Z  H$ j: B0 T- p3 v6 J# x
49.                                                 printf("> Receive end...\r\n");
    & z$ K5 N8 n# x/ a
50. 
    ( x2 c: y7 m" X5 o3 R8 {
51.                                                 Set_Update_Down();                                                
    
52.                                                 Set_state(TO_START);
    
53.                                                 send_command(ACK);
    
54.                                                 HAL_NVIC_SystemReset();
    
55.                                         }                                       
    ! R/ p* J% u( C- g. m
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+ y5 y6 E' {/ ~2 i
57.                                         {
    
58.                                                 printf("> Receive data bag:%d byte\r\n",data_state * 128);
    
59.                                                 
    
60.                                                 /* 烧录程序 */
    
61.                                                 WriteFlash((Application_2_Addr + (data_state-1) * 128), (uint32_t *)(&temp_buf[3]), 32);
    
62.                                                 data_state++;
    
63.                                                 
    & r4 P+ g# _# |# k/ X. g6 R
64.                                                 send_command(ACK);               
    
65.                                         }
    
66.                                 }
    + @3 Y! P" i7 B1 o, o& |
67.                                 else
    8 x' n; ]9 l) U8 c) ^/ h* F
68.                                 {
    
69.                                         printf("> Notpass crc\r\n");
    
70.                                 }
    0 U; u/ W: @' ~1 W# A
71.                                 
    " A# ~! ^) p$ u
72.                         }break;
    0 L' i4 V5 P7 i* p  H' b5 [
73.                         case EOT://数据包开始
    # s0 o! @2 H1 u8 [4 Y# N" }
74.                         {
    
75.                                 if(Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)
    
76.                                 {
    
77.                                         printf("> Receive EOT1...\r\n");
    3 S& H' K3 p) W2 B
78.                                        
    
79.                                         Set_state(TO_RECEIVE_EOT2);                                       
    ) @$ n8 q, i  A3 M+ A
80.                                         send_command(NACK);
    7 Q: B8 _5 h! K' I
81.                                 }
    
82.                                 else if(Get_state()==TO_RECEIVE_EOT2)
    
83.                                 {
    , m# F/ H: W/ ]% j
84.                                         printf("> Receive EOT2...\r\n");
    * a' s$ S; k# U' s! B
85.                                        
    
86.                                         Set_state(TO_RECEIVE_END);                                       
    
87.                                         send_command(ACK);
    
88.                                         send_command(CCC);
    
89.                                 }
    % \, f3 @) r9 X3 \
90.                                 else
    
91.                                 {
    
92.                                         printf("> Receive EOT, But error...\r\n");
    $ ]: K6 U, g# `* J* J$ ?
93.                                 }
    
94.                         }break;        
    
95.                 }
    % @; j3 o$ L. R' W3 [! e
96.         }
    . o2 K9 _- l! i  j8 s2 p0 J2 S  m- [
97. }

复制代码

: m( p, S2 m8 b" D# p3 \( T5 O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.

% x# M% W) B* z
4. 整体测试
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
$ P, w9 z% |8 U- N, j9 Z$ ^BootLoader源代码和App1源代码可以在原作者的gitee获取

3 I. |" N# r* u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」。
0 g9 \4 V4 f7 C! j( C4 O

) x. W3 j9 }" M5 t  S

# j% h  ]5 p; h+ c( I8 _. |BootLoader的下载
9 e1 K: g! B- M) r3 I6 B1 NBootLoader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
1 j/ ^7 y  k5 o按照下图, 修改擦除方式为Erase Sectors, 大小限制在0X5000(20K)

; X! D  G1 x2 p, ^6 O5 {$ ]
烧录代码
运行, 通过串口1打印输出, 会看到以下打印消息
( e9 Q5 t: \$ V! P/ g' {, z说明BootLoader已经成功运行

/ F! W( h, [. C9 _" g9 K

0 J) G# C9 b: P* v' }( m  c9 Z# wApp1的下载
2 b; q* E3 g1 f% o, E6 b  vApp1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

" Q) R; p4 {; i+ j

1 d" g; T/ ]1 u6 S" v

烧录代码
. i8 I9 n# m( @% _) K* D运行, 通过串口1打印输出, 会看到以下打印消息
, q, b% s9 h  G5 i/ h说明BootLoader已经成功跳转到版本号为0.0.1的App1

7 w6 w% T4 M* r7 T3 L% T

* B/ D4 L, Y1 h$ q4 j3 W* T# U+ d生成App2的.bin文件
4 H1 X; H8 q; d0 o; c& u" g/ K( JKeil生成.bin文件

修改代码, 把版本号改为0.0.2, 并且编译并且生成.bin文件

! J0 E5 b8 m& H+ J: M" O  N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

  h1 i8 F, `% |  B4 m

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
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
你会看到App的版本成功升级到0.0.2了.
- [$ O9 f% r7 J% 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!

$ B" g4 j' M, S* {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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) G2 l7 N% l: n" @6 [