STM32 OTA应用开发——自制BootLoader

前言

什么是OTA？

百度百科：空中下载技术（Over-the-Air Technology; OTA），是通过移动通信的空中接口实现对移动终端设备及SIM卡数据进行远程管理的技术。经过公网多年的应用与发展，已十分成熟，网络运营商通过OTA技术实现SIM卡远程管理，还能提供移动化的新业务下载功能。

实际上，现在我们所说的OTA比百度百科的定义还要更广泛，OTA的形式已经不再局限于手机和SIM卡，只要涉及到远程下载升级程序的方式我们都可以称之为OTA。例如通过4G，5G，WiFI，蓝牙等无线通讯进行下载升级的可以称为OTA，通过U盘，RS485等串行接口进行升级的也可以称之为OTA。

OTA的作用？
OTA的意义在于它在一定程度上突破了距离的限制，在不借助烧录器的情况下完成固件的下载升级，极大的方便了产品的升级和维护，降低售后成本。

什么是BootLoader？

百度百科：在嵌入式操作系统中，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。

实际上，BootLoader不仅仅在操作系统上使用，在一些内存小，功能应用较为简单的单片机设备上面也可以通过BootLoader来完成OTA升级。

我之前也有发过一些关于STM32远程OTA的文章，但用的是第三方BootLoader，而且是基于操作系统实现的。BootLoader占用的内存也比较大，而且不开源。
所以这一讲我就来介绍一下如何自己制作一个简单的BootLoader程序。

1 环境搭建

关于STM32以及Keil的环境这里就不具体介绍了，网上教程也很多，不懂的同学自行查阅资料。

2 BootLoader工作原理以及常见分区介绍

不管用的是什么MCU，要使用OTA都离不开BootLoader，BootLoader是一个统称，它其实只是一段引导程序，在MCU启动的时候会先运行这段代码，判断是否需要升级，如果不需要升级就跳转到APP分区运行用户代码，如果需要升级则先通过一些硬件接口接收和搬运要升级的新固件，然后再跳转到APP分区运行新固件，从而实现OTA升级。
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常见分区方式介绍：
1.Application
没有加入Bootloader之前，我们单片机内部的flash就是一整块的，所有的应用代码都放在这。
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2.Bootloader + Application
在原有的flash区域里面划分出两个区域，Bootloader和Application，这种分区方式的好处在于既可以OTA，Appd区又可以分到较大的空间，缺点是没有存放新固件的区域，需要从外部导入进来，而且一旦传输的过程被异常打断，那么原有的App代码也无法正常运行了，也就是传说中的“变砖”。
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3.Bootloader + Application + Download
这种分区方式是比较万能的一种，优点是新固件是先存放到Download区的，哪怕搬运的过程中出现异常中断的情况，也不会“变砖”，缺点是需要单独划分一块内存跟APP区差不多的区域用来存放新固件，变相的减少了APP区的空间，对于内存较小的单片机来说压力就比较大了。
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4.Bootloader + Application1 + Application2
这种方式可以同时存在两套App，优点在于升级了新固件以后，还保留了原来的旧版固件，必要的时候还可以进行版本的回退。
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5.Bootloader + Setting + Application + Download
这种方式跟第3种基本一样，只是增加了一个区域用来存放升级相关的一些参数以及用户的一些配置。
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3 BootLoader的制作

BootLoader的制作需要根据实际的需求来做，不同的运行方式或者升级方式在做法上都是有区别的，包括BootLoader所需要的内存空间也不尽相同。
不过不管是用什么方式，Bootloader都应该尽可能做的更小更简洁，这样的话内存的开销就更小，对于内存较小的MCU来说压力就没那么大了。

我下面要做的这个bootloader是上面讲的常见分区方式里面的第5种。
分区介绍：
我用的是STM32F103，内存是128K的（想用内存更小的MCU也是可以的，改下各个分区的内存分配就行了）。

分区表如下：

name	offset	size
boot	0x08000000	0x00003000
setting	0x08003000	0x00001000
app	0x08004000	0x0000E000
download	0x08012000	0x0000E000

功能描述：
运行bootloader的时候先从setting里面读一些参数，确定是否需要升级，如果需要，则把download分区的固件搬运到app分区，如果不需要升级则直接跳转到app分区.
至于新固件的下载传输过程，我放到App里面去处理了，这跟我的项目实际需求有关系，App部分这里就先不往下拓展了，后面我会专门写一篇博客来介绍。

各个功能模块的具体讲解：
1、分区定义
先把各个分区的内存地址以及大小定义好，方便后面使用。

#define FLASH_SECTOR_SIZE       1024
#define FLASH_SECTOR_NUM        128    // 128K
#define FLASH_START_ADDR        ((uint32_t)0x8000000)
#define FLASH_END_ADDR          ((uint32_t)(0x8000000 + FLASH_SECTOR_NUM * FLASH_SECTOR_SIZE))

#define BOOT_SECTOR_ADDR        0x08000000     // BOOT sector start address 
#define BOOT_SECTOR_SIZE        0x3000         // BOOT sector size
#define SETTING_SECTOR_ADDR     0x08003000     // SETTING sector start address 
#define SETTING_SECTOR_SIZE     0x1000         // SETTING sector size
#define APP_SECTOR_ADDR         0x08004000     // APP sector start address  
#define APP_SECTOR_SIZE         0xE000         // APP sector size
#define DOWNLOAD_SECTOR_ADDR    0x08012000     // Download sector start address
#define DOWNLOAD_SECTOR_SIZE    0xE000         // Download sector size

2、程序跳转
Bootloader作为引导程序，最重要的工作之一就是通过内存跳转进入用户程序，下面这段代码可以跳转到任何一个内存地址。

uint8_t jump_app(uint32_t app_addr) 
{
    uint32_t jump_addr;
    jump_callback cb;
    if (((*(__IO uint32_t*)app_addr) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000) 
    {  
        jump_addr = *(__IO uint32_t*) (app_addr + 4);  
        cb = (jump_callback)jump_addr;  
        __set_MSP(*(__IO uint32_t*)app_addr);  
        cb();
        return 1;
    } 
    return 0;
}

3、处理函数
从setting区里面读取process状态值，然后进行对应的处理，如果需要升级则把download区的固件搬运到app区，然后再运行新APP，如果不需要升级则直接跳转到APP。

process = get_boot_state();
switch (process) 
{
    case START_PROGRAM:
        printf("start app...\r\n");
        delay_ms(50);
        if (!jump_app(APP_SECTOR_ADDR)) 
        {
            printf("no program\r\n");
            delay_ms(1000);
        }
        printf("start app failed\r\n");
        break;
    case UPDATE_PROGRAM:
        printf("update app program...\r\n");
        app_addr = APP_SECTOR_ADDR;
        down_addr = DOWNLOAD_SECTOR_ADDR;

        printf("app addr: 0x%08X \r\n", app_addr);
        printf("down addr: 0x%08X \r\n", down_addr);

        printf("erase mcu flash...\r\n");
        mcu_flash_erase(app_addr, APP_ERASE_SECTORS);  
        printf("mcu flash erase success\r\n");
    
        printf("write mcu flash...\r\n");
        // memset(down_buf, 0, sizeof(down_buf));
        for (i = 0; i < APP_ERASE_SECTORS * 8; i++)
        {
            mcu_flash_read(down_addr, &down_buf[0], 128);
            delay_ms(5);
            mcu_flash_write(app_addr, &down_buf[0], 128);
            delay_ms(5);
            down_addr += 128;
            app_addr += 128;
        }
        printf("mcu flash write success\r\n");

        set_boot_state(UPDATE_SUCCESS);
        break;
    case UPDATE_SUCCESS:
        printf("update success\r\n");
        boot_state = UPDATE_SUCCESS_STATE;
        write_setting_boot_state(boot_state);
        set_boot_state(START_PROGRAM);
        break;
    default:
        break;
}

完整代码下载地址：https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87462312

4 烧录下载配置

我们的Bootloader做好以后需要烧录到MCU里面，可以直接用Keil uVison来下载，也可以用J-Flash或者其他，这个都没关系，但是要注意内存的分配，要把固件烧到对应的内存地址上。
我这里做出来的bootloader bin只有8K，不过为了方便后续在这部分增加新功能，我实际分配了12K的空间，地址区间是0x08000000-0x08003000。

如果是用keil下载的话，需要注意flash的配置，具体如下：
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如果是用J-Flash或者STlink的工具烧录的话注意烧录的起始地址是0x08000000就好了。

5 运行测试

注：这里我还没讲解App部分代码，你们只看Bootloader部分的log就好了，不影响的，也可以下载完整的代码实际去跑一下。
不需要升级时直接跳转到App区，如下图：
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需要升级时先从download区搬运新固件到app区，然后再跳转到App区，如下图：
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结束语

好了，关于自制BootLoader的介绍就讲到这里，本文只是提供一个思路，不是唯一的方法，关键还是看你自己实际的需求。
还有App那部分这里没详细讲，后续我会专门写一篇关于App部分的博客，到时候合并到一起就比较清晰了。或者你也可以下载完整的源码自己去跑一下，下面的源码我把BootLoader和APP都上传了。

完整代码下载地址：https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87462312

如果你有什么问题或者有更好的方法，欢迎在评论区留言。