简介
% q3 u2 F9 W* `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.
- ]* I9 s2 w; |) i  a. k4 `

1. OTA基础知识
, o: J' ?1 }: j什么是BootLoader?
9 ~, n7 a( @" z8 Z8 Z0 ZBootLoader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.

STM32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

8 Y2 z6 H1 H+ A( N7 t3 b

9 O& E6 e, T: x; r0 ^5 i: [
接下来就可以进入正题了.

进行分区
9 U( z, S/ V% b! G; g; Y3 l% f5 b. 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/ L# \  z- O. ?( x

) z1 J/ M' N$ `( x9 Y  X
& s: `* q$ {- y+ c8 i
( G# |7 V7 j7 s6 t8 O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:
9 o0 q8 Y' Z8 u8 P( E7 m9 VBootLoader区存放启动代码
App1区存放应用代码
! l0 B4 b9 a. S2 j3 MApp2区存放暂存的升级代码

9 {& B8 z6 I, w6 D. G! v  \

' t# d6 s' q6 P$ d
' s% d2 W+ ]0 N' _. m5 o6 a总体流程图
7 M  U4 Z9 r) y) o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.
2 G7 b5 n6 F, ~5 k9 e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.
! k( J* T  H6 s
% e6 Z/ J  r9 F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:
+ t) ~7 X( q7 [* \$ b" D

3 g1 |: `" ]" [" m: ]

2. BootLoader的编写
2 B9 {' G$ v( @/ k- c* t$ b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。
, t8 f) e  j4 |
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

; R+ U9 H* u* x- F" i- z

- I: Y2 T0 L. j$ {! d! o* c
$ T- m8 N  w" S9 `/ E程序编写和分析
所需STM32的资源有:
9 `& D( w5 G0 ~0 V发送USART数据和printf重定向
Flash的读写
3 J6 R8 C$ `& Y程序跳转指令,可以参考如下代码:

& D# y- p" |8 J9 y0 C

1. /* 采用汇编设置栈的值 */
   : {6 V  k* F) i8 u. j3 O. y( U
2. __asm void MSR_MSP (uint32_t ulAddr)
   ; X+ F/ J4 \9 C
3. {
   2 b$ a3 \% d( v3 a1 E5 r5 J
4.     MSR MSP, r0   //设置Main Stack的值
   , P8 F- q5 Z: g# ]
5.     BX r14
   6 R# f. A; s1 s' t
6. }
   7 P3 }9 W3 c& ?! o- S" w9 ~& J5 i1 H
7. 
   
8. 
   9 `0 ^; X2 k, E
9. /* 程序跳转函数 */
   
10. typedef void (*Jump_Fun)(void);
      Y( A: _) s% r8 I1 V1 y
11. void IAP_ExecuteApp (uint32_t App_Addr)
    
12. {
    ! X) G7 X( ]$ a* c
13.   Jump_Fun JumpToApp;
    & l: C# E1 Q# ^4 h& _+ w) Z
14. 
    
15.   if ( ( ( * ( __IO uint32_t * ) App_Addr ) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000 )  //检查栈顶地址是否合法.
      p1 d3 A2 T: ]* W/ Q6 G
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)
    # B: j, u% ^- G( |/ t# L
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.
    " Q0 h, [8 s; s$ S: n2 X* c
20.   }
    : Y$ g) x" E7 d2 \
21. }

复制代码

在需要跳转的地方执行这个函数就可以了IAP_ExecuteApp(Application_1_Addr);
5 d6 m, i) P, V5 C3 u其他的代码请参考BootLoader源代码
  v. o% B1 p7 N, j* f
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。
7 a  p$ a4 \: k1 {

流程图分析
( x6 V: x. i3 d& T: K以我例程的App1为例：
4 L! F( i. u% v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；
6 E  J% M8 X3 U0 g! [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：
8 ?7 w7 w( B, O, n3 d
! S9 p- X2 ]  ]6 c. r; x4 V9 I  R+ r

" F0 _! E. ^2 A/ u
  j3 ?" B8 ^; `  j6 D7 f# }程序编写和分析
所需STM32的资源有:
发送USART数据和printf重定向
) b3 u" K; l5 Z# T. V4 d6 X+ QFlash的读写
& R  {+ M1 B3 y4 x) h8 Y( i串口的DMA收发
6 m- @; ^: g2 O1 uYModem协议相关
Ymodem协议
百度百科[Ymodem协议]
: w3 L8 Z# }/ q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).
2 `" j; M. V- O5 y. PYmodem协议相关介绍可参考我的这篇教程 YModem介绍

代码分析
$ q! E/ v. S+ j7 d, \7 M. e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
( o. F" q" }# w后面放了我的源代码, 详情请参考我的源代码.
" D2 h# V6 ~3 `4 A( ^主函数添加修改向量表的指令
0 [% [& {0 V) v5 A* X
+ T0 _2 `/ M* B% l9 r7 ^  n; w

' l, B" d0 x5 y% k) b6 ?2 w7 D) e打印版本信息以及跳转指令

0 T( C3 `' Y# \2 j, W/ N1 Q

YModem相关的文件接收部分

1. 
     k+ Q6 o0 k7 l! k& F- w
2. /**
   
3. * @bieaf YModem升级
   * I# O& C4 d5 @! y9 P9 C) a( k
4. *
   5 [; X6 W6 D* {" |! O: m( F
5. * @param none
   
6. * @return none
   
7. */
   
8. void ymodem_fun(void)
   ) Q4 y/ z0 j0 S. m$ u+ i7 I/ v
9. {
   
10.         int i;
    
11.         if(Get_state()==TO_START)
    
12.         {
    
13.                 send_command(CCC);
    
14.                 HAL_Delay(1000);
    : i/ p* u% d" _4 l8 W9 J: X
15.         }
    
16.         if(Rx_Flag)            // Receive flag
      \/ G' ~2 |# {3 _7 n
17.         {
    + V, ]5 B: \4 x* l; i2 ?
18.                 Rx_Flag=0;        // clean flag
    $ g( k  C2 g0 U/ i
19.                                 
    5 ^7 i9 r! h2 T' L6 f+ @, J
20.                 /* 拷贝 */
    ) M) X% u2 R- O) E2 E
21.                 temp_len = Rx_Len;
    
22.                 for(i = 0; i < temp_len; i++)
    
23.                 {
    : |) [* S+ B. j5 p$ q4 F7 q6 q  z
24.                         temp_buf[i] = Rx_Buf[i];
    + f5 G4 f7 U9 Q/ E, `/ j
25.                 }
    8 [) n( \# Y: d4 D0 A8 ?; g% p
26.                
    ) E2 z, w0 H5 a& H
27.                 switch(temp_buf[0])
    7 V3 g( B1 {, n6 K+ d6 a% K
28.                 {
    : M- ]) Q* b& s
29.                         case SOH:///<数据包开始
    0 V/ B, P2 L  t! B
30.                         {
    
31.                                 static unsigned char data_state = 0;
    $ J, S2 o+ i6 d' L$ R" Y  V! }4 {
32.                                 static unsigned int app2_size = 0;
    - k0 Y; }7 C# R( b" X' v
33.                                 if(Check_CRC(temp_buf, temp_len)==1)///< 通过CRC16校验
    
34.                                 {                                       
    4 w, I4 |: I* f8 T  ]6 x- M
35.                                         if((Get_state()==TO_START)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 开始
    8 C2 G6 V( d) U
36.                                         {
    " K6 e% k- {6 E) [. W1 l# _
37.                                                 printf("> Receive start...\r\n");
    & J5 e6 E. e" f2 z* U
38. 
    
39.                                                 Set_state(TO_RECEIVE_DATA);
    ( Y& k" c0 z- R9 I7 A6 U
40.                                                 data_state = 0x01;                                                
    9 T2 j4 P% i% K8 p
41.                                                 send_command(ACK);
    
42.                                                 send_command(CCC);
    
43. 
    
44.                                                 /* 擦除App2 */                                                        
    " \1 w3 n( U5 P1 a$ F7 Z& R
45.                                                 Erase_page(Application_2_Addr, 40);
    * L6 @7 |; D( a! v6 [0 C2 j
46.                                         }
    ; {2 r% ?! L1 Z- G; P
47.                                         else if((Get_state()==TO_RECEIVE_END)&&(temp_buf[1] == 0x00)&&(temp_buf[2] == (unsigned char)(~temp_buf[1])))///< 结束
    
48.                                         {
    % o; E6 n( I3 ^$ ^
49.                                                 printf("> Receive end...\r\n");
    3 x. b! K$ ^) T
50. 
    
51.                                                 Set_Update_Down();                                                
    
52.                                                 Set_state(TO_START);
    
53.                                                 send_command(ACK);
    4 @3 z+ L4 \6 F
54.                                                 HAL_NVIC_SystemReset();
    ! h1 R( o  o' |. F( B& @
55.                                         }                                       
    2 G+ Z( Y. O3 M/ c4 r/ l. o
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);
    
59.                                                 
    + x% B" V$ t$ v" s7 R6 y( K8 B
60.                                                 /* 烧录程序 */
    ) w- ~9 N( i% u; T$ W. L/ `0 Q
61.                                                 WriteFlash((Application_2_Addr + (data_state-1) * 128), (uint32_t *)(&temp_buf[3]), 32);
    
62.                                                 data_state++;
    $ ]$ U0 Z+ w: \+ C/ ~( E1 ]# ~
63.                                                 
    
64.                                                 send_command(ACK);               
    
65.                                         }
    
66.                                 }
    9 |. J: d) G3 |# q
67.                                 else
    4 u, S0 H' `6 `! }/ V1 |& i+ |- J
68.                                 {
    + B7 H7 Z5 f) i5 K; m( v+ g
69.                                         printf("> Notpass crc\r\n");
    - E  S6 D2 B7 F& E/ z
70.                                 }
    5 `5 f7 s7 n$ W2 X) s4 S6 u
71.                                 
    6 l! Z, D- x, B! l1 |
72.                         }break;
    
73.                         case EOT://数据包开始
    
74.                         {
    
75.                                 if(Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)
    
76.                                 {
    2 X% v$ X$ L0 U- Q) p+ \% ~
77.                                         printf("> Receive EOT1...\r\n");
    8 C: k. u! F- V( E% }% {0 H7 ~
78.                                        
    
79.                                         Set_state(TO_RECEIVE_EOT2);                                       
    / a7 ?3 N6 C* |/ H# I
80.                                         send_command(NACK);
    
81.                                 }
    
82.                                 else if(Get_state()==TO_RECEIVE_EOT2)
    # d- o- p# g' j# I$ Q/ T( b
83.                                 {
    
84.                                         printf("> Receive EOT2...\r\n");
    
85.                                        
    % u2 h7 `. V8 h- t7 A2 `
86.                                         Set_state(TO_RECEIVE_END);                                       
    
87.                                         send_command(ACK);
    
88.                                         send_command(CCC);
    
89.                                 }
    
90.                                 else
    ! F* z8 p8 C: v6 V; d& C
91.                                 {
    
92.                                         printf("> Receive EOT, But error...\r\n");
    . k  k9 O9 @" R5 z2 [
93.                                 }
    # L2 ]0 K% M5 T. l$ E1 _
94.                         }break;        
    # U2 R: L$ g0 f7 E
95.                 }
    0 M$ A8 v; f2 z& g' N
96.         }
    
97. }

复制代码

( h& d* P9 s/ V6 e; N) d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.


4. 整体测试
% M3 h  C! r' |; Q本节主要对前三节的教程做测试验证 BootLoader + App的升级功能。

# Q% G' g& u6 R0 H源代码
$ a) Z8 @; V- k8 k1 qBootLoader源代码和App1源代码可以在原作者的gitee获取
+ g2 e$ E% v( B
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 S1 K, h+ p7 ^3 |( q) o) _: I) k

: b( s  X4 a- |0 M! Q" v

7 m- q% [7 z1 l5 @
" ^* `" B8 |; B+ RBootLoader的下载
% J9 F% C% R4 u0 DBootLoader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
! ^6 n) z5 M( a- K8 ^3 S) R按照下图, 修改擦除方式为Erase Sectors, 大小限制在0X5000(20K)
* P$ |! A5 ?* }+ O

( C! M. N5 @' z' u9 S6 R7 p4 A

/ N# i! O2 W' b/ C, ^3 S& G
烧录代码
: E* ^. ~9 X6 X0 N+ h% `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
1 V4 w$ J% l9 Z, ^, G. e3 e+ x
0 Q& ?$ p8 w8 I) r& ]

7 S& @5 j4 u' h( N) h
App1的下载
App1稍微复杂一点, 需要将代码的起始位置设置为0x08005000
+ n$ f2 p3 H9 v+ g4 R同时也要修改擦除方式为Erase Sectors, 见下图

% h- W: D6 v7 Y1 K: h& R

% q/ _* d* r3 s, G. X4 n+ T3 U

' l) [% U2 O. m" f3 o( b

& M1 m3 C0 j, W8 I) q7 z- i7 m
烧录代码
" k5 m2 ]& H$ D0 p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

2 z, `; X# H( U9 g! M8 ~2 k
; N7 O( O  L. V+ H7 i生成App2的.bin文件
Keil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

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

! N% q9 C* m' l& o) z/ W# m' d7 B
0 D  }4 L$ L' `使用Xshell进行文件传输
# H/ \2 L  q1 I打开Xshell
0 c2 s( ^8 f- q3 ~) R; @# l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 w- d8 B( Z% V0 T3 V, Y1 F& S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
7 h1 _! L. `, G8 S1 y, K你会看到App的版本成功升级到0.0.2了.
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!

5. 总结
6 X: J# t7 _7 N8 ?3 j9 L( a- h: X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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