STM32-OTA升级

一、OTA（Over-The-Air）

OTA（Over-The-Air）是一种通过无线通信方式，为设备分发新软件、配置甚至更新加密密钥的技术。它允许中心位置向所有用户发送更新，确保每个接收者都无法拒绝、破坏或改变这些更新，并且能够即时将更新应用到所有设备上。OTA升级适用于通过网络或蓝牙等无线通信方式进行，使得设备管理更加便捷和灵活，同时提升了系统的安全性和可维护性

在OTA固件升级中，单区模式和双区模式是两种常见的策略，各自有着特定的优缺点。

1）单区模式

单区模式，整个升级过程仅使用一个存储区（通常是Bank0）。升级流程包括先擦除当前运行的老固件，然后直接将新固件下载到同一存储区，并对其进行有效性校验。这种模式优点在于节省Flash空间，实现简单直接，适用于资源有限的设备。然而，其缺点是风险较高，一旦升级失败或新固件不可用，设备可能会无法正常运行，需要外部干预才能恢复。

2）双区模式

双区模式，老固件和新固件分别存储在不同的存储区（通常是Bank0和Bank1）。升级过程先将新固件下载到预留的下载区（Bank1），然后进行校验。校验通过后，系统进入Bootloader模式，将新固件从下载区复制到主运行区（Bank0），替换老固件。这种模式的优势在于安全可靠，即使升级失败，系统仍能回滚到之前的稳定版本，避免系统故障。它也提供了更高的灵活性，允许设备在升级过程中同时运行两个固件版本，确保平稳过渡。不过，双区模式需要额外的Flash空间来支持两个固件版本的存储，因此对资源的需求较高。

二、IAP（In Application Programming）

IAP（In Application Programming，即在应用中编程），旨在实现用户应用程序的动态更新，而无需使用专门的编程工具或硬件。一般情况下，STM32芯片的代码区域只存放一个用户程序。通过使用IAP方案，可以将代码区域划分为两部分：一个是固定的引导加载程序（bootloader），另一个是用户应用程序（user application）。如图所示

在单片机上电时，系统首先进入引导加载程序（bootloader）。引导加载程序会检测预设的条件，例如检测按键是否按下、是否接收到特定的串口数据、或者U盘是否插入等。如果条件未被触发，引导加载程序将直接跳转到用户应用程序（user application）执行用户的应用逻辑。如果条件被触发，引导加载程序将执行以下步骤：

擦除用户应用程序：引导加载程序会擦除当前存储的用户应用程序代码区域，确保该区域是空的，以便接受新的用户代码。
重新写入用户代码：引导加载程序从外部源（如串口通信、USB设备等）接收新的用户应用程序数据，并将其写入到之前擦除的用户代码区域中。

三、FLASH地址分配

1）普通程序的内部FLASH分配

此时普通的应用程序占据内部Flash的大部分空间，包括主要的应用逻辑和功能代码。整个应用程序共享一个中断向量表，用于存储每个中断的入口地址，供所有的中断服务例程使用。

2）IAP方案的内部FLASH分配

IAP方案在内置Flash的特定地址范围内增加了一个Bootloader程序。Bootloader的主要功能是通过串口或其他通信接口来更新或烧录用户应用程序。Bootloader程序有自己独立的中断向量表，专门处理引导过程中的中断和异常情况。用户应用程序仍然占据内部Flash的一部分空间，但更新和烧录可以通过Bootloader完成，而非传统的编程器。用户应用程序也有自己的中断向量表，确保在运行时正确处理中断事件。

3）示例

设置两个工程：Bootloader程序、UserApplication程序。以下是详细的设置说明：

1）BootLoader程序

Bootloader程序被安排在内部FLASH的第一页，起始地址为 0x0800 0000，占用20KB空间，地址范围从0x0800 0000到0x0800 4C00（页号0至19）。在执行跳转到UserApplication之前，需确保Bootloader关闭所有打开的中断或外设，以避免影响UserApplication的运行。

2）UserApplication程序

UserApplication程序从内部FLASH的第二页开始，起始地址为0x0800 5000，占用43KB空间，地址范围从0x0800 5000到0x0800 F800（页号20至62）。

3）UserData

内部FLASH的最后一页被保留用于UserData，占用1KB空间，起始地址为0x0800 FC00，页号为63。

如图所示：

		第一页		最后一页
分区	容量	地址	页号	地址	页号
BootLoader	20KB	0800 0000	0	0800 4C00	19
UserApplication	43KB	0800 5000	20	0800 F800	62
UserData	1KB	0800 FC00	63

4）生成UserApplication的bin文件

D:\Keill_v5\ARM\ARMCLANG\bin\fromelf.exe --bin Objects\Project.axf -o Project.bin

"D:\Keill_v5\ARM\ARMCLANG\bin\fromelf.exe" 是 fromelf.exe 工具的完整路径，根据实际情况需要修改成本地的路径。
Objects\Project.axf 是工程生成的 .axf 文件的路径和文件名，确保路径是正确的，可以根据实际情况进行调整。
-o Project.bin 指定生成的输出文件名为 Project.bin，可以根据需要修改输出文件名和路径

四、STM32启动流程概述

1）普通程序启动流程：

1. 内核初始化

1）内核复位和NVIC寄存器部分清零

在复位时，内核和NVIC相关寄存器被清零，确保系统处于可控状态。

2）设置堆栈

内核从向量表的起始地址读取堆栈指针（SP_main），设置主堆栈指针（SP）。

3）设置PC和LR寄存器

PC寄存器被设置为复位中断向量的地址，LR寄存器通常设置为0xFFFFFFFF（复位值）。

2. 执行复位中断处理函数（Reset_Handler）

1）强制PC指针指向中断向量表的复位中断向量

单片机的硬件会将PC指针自动定位到复位中断向量表的复位中断向量处，开始执行Reset_Handler函数。

2）Reset_Handler中的初始化步骤

在Reset_Handler函数中，会调用SystemInit函数进行系统的初始化，包括时钟设置和中断向量表配置等。

3. 初始化全局/静态变量和重定位

1）调用 __main 函数

__main 函数由编译器生成，负责初始化全局/静态变量、执行重定位工作，并最终跳转到用户定义的main函数。

4. 跳转到main函数执行用户代码

在所有初始化工作完成后，控制权被传递给用户编写的main函数，开始执行用户程序的主体逻辑。

2）引导加载程序启动流程:

1)内核初始化

复位时，内核和NVIC寄存器被清零。
设置堆栈和初始化PC、LR寄存器。

2)执行引导加载程序的复位中断处理函数（Bootloader Reset_Handler）

硬件将PC指针定位到引导加载程序的复位中断向量处，开始执行引导加载程序的Reset_Handler函数。
引导加载程序的初始化步骤，可能包括初始化引导加载程序自身的硬件资源和配置。

3)初始化全局/静态变量和重定位

引导加载程序调用 __main 函数进行全局变量的初始化和重定位工作。

4）等待指令或判断是否需要进行IAP

引导加载程序可能等待外部触发条件，如特定按键组合、串口指令等，来决定是否启动IAP流程。

5）启动固件更新（IAP过程）

如果需要进行固件更新，引导加载程序会初始化相关硬件接口（如串口、USB等）以及存储器（如Flash）接口。
下载新固件数据，对数据进行校验（CRC校验等）确保完整性。

6）擦除原有固件区域

引导加载程序可能需要先擦除原有固件存储区域，以便存储新的固件数据。

7）写入新固件

将通过IAP方式下载的新固件数据写入到目标Flash存储器中的指定位置。

8）校验和完成

写入完成后，引导加载程序进行最终的校验，确保固件写入的正确性和完整性。

9）系统重启

如果固件更新成功，引导加载程序可能会进行系统的最后配置和清理工作。
然后重启系统，跳转到新固件的起始地址执行。

10）跳转到新固件执行

控制权转移给新固件的Reset_Handler函数，开始执行新固件的初始化和主逻辑。

五、注意事项

在下载bin文件的过程中，确保数据帧的完整性至关重要。一般情况下，串口使用空闲中断来判断数据帧是否传输结束。但在大量数据传输时，可能会出现空闲中断误判的情况。为了解决这个问题，可以考虑使用类似RS485通信的方式，通过定时器定时触发来确定数据传输的结束标志，例如设定一个100ms的空闲周期作为传输结束的标志。