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STM32 OTA应用开发——通过USB实现OTA升级

STM32 OTA应用开发——通过USB实现OTA升级

目录

  • STM32 OTA应用开发——通过USB实现OTA升级
    • 前言
    • 1 环境搭建
    • 2 功能描述
    • 3 BootLoader的制作
    • 4 APP的制作
    • 5 烧录下载配置
    • 6 运行测试
    • 结束语

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。
那么这一期我就来介绍一下如何自己制作一个BootLoader程序,并且通过USB实现OTA升级。

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 功能描述

在做bootloader之前一定要先想好升级的途径和方式,这样才好规划分区以及制作bootloader。

方案介绍:
1)bootloader部分:
运行时从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。
2)APP部分:
运行时先连接USB(以USB CDC的方式),然后等待上位机发送升级命令,如果收到命令,则进入下载模式。
我这里图方便,USB传输固件的方式我采用的是Ymodem协议,因为这个协议很多tool都可以用,就不用专门做一个上位机了。如果你想用其他的协议或者自定义协议其实都是可以的,稍做修改就行。

在这里插入图片描述

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:

nameoffsetsize
boot0x080000000x00003000
setting0x080030000x00001000
app0x080040000x0000E000
download0x080120000x0000E000

请添加图片描述

3 BootLoader的制作

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。
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。

示例代码如下:
分区定义:

#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   

程序跳转:

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;
}

主函数:

void print_boot_message(void)
{printf("---------- Enter BootLoader ----------\r\n");printf("\r\n");printf("======== flash pration table =========\r\n");printf("| name     | offset     | size       |\r\n");printf("--------------------------------------\r\n");printf("| boot     | 0x08000000 | 0x00003000 |\r\n");printf("| setting  | 0x08003000 | 0x00001000 |\r\n");printf("| app      | 0x08004000 | 0x0000E000 |\r\n");printf("| download | 0x08012000 | 0x0000E000 |\r\n");printf("======================================\r\n");
}int main() 
{process_status process;uint16_t i;uint8_t boot_state;uint8_t down_buf[128];uint32_t down_addr;uint32_t app_addr;uart1_init();print_boot_message();boot_parameter.process = read_setting_boot_state();boot_parameter.addr = APP_SECTOR_ADDR;while (1) {process = get_boot_state();switch (process) {case START_PROGRAM:printf("start app...\r\n");delay_ms(50);if (!jump_app(boot_parameter.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: %d\r\n", i);}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;}}
}

关于bootloader详细的讲解,可以看下我之前发的博客:
STM32 OTA应用开发——自制BootLoader
完整代码下载地址:https://download.csdn.net/download/ShenZhen_zixian/87462312

4 APP的制作

APP部分根据自己实际的功能来做,我这里用的是USB CDC连接PC端,然后传输固件的协议用的是Ymodem。
实际上USB也可以用HID或者其他的,协议也是可以自定义,只要能正确的把固件从PC端搬运到MCU的flash就行了。

示例代码如下:
Ymodem协议部分:
注:详细的协议解析这里就不讲解了,不懂的同学自行查阅资料。

void ymodem_ack(void) 
{usb_printf("%c\r", YMODEM_ACK);
}void ymodem_nack(void) 
{usb_printf("%c\r", YMODEM_NAK);}void ymodem_c(void) 
{usb_printf("%c\r", YMODEM_C);
}void set_ymodem_status(process_status process) 
{ymodem.process = process;
}process_status get_ymodem_status(void) 
{process_status process = ymodem.process;return process;
}void ymodem_start(ymodem_callback cb) 
{if (ymodem.status == 0) {ymodem.cb = cb;}
}void ymodem_recv(download_buf_t *p) 
{uint8_t type = p->data[0];switch (ymodem.status) {case 0:if (type == YMODEM_SOH) {ymodem.process = BUSY;ymodem.addr = APP_SECTOR_ADDR;mcu_flash_erase(ymodem.addr, ERASE_SECTORS);ymodem_ack();ymodem_c();ymodem.status++;}else if (type == '1') {// 为了方便调试,简单发一个字符"1"就可以进入升级模式了printf("enter update mode\r\n");ymodem.process = UPDATE_PROGRAM;}break;case 1:if (type == YMODEM_SOH || type == YMODEM_STX) {if (type == YMODEM_SOH) {mcu_flash_write(ymodem.addr, &p->data[3], 128);ymodem.addr += 128;}else {mcu_flash_write(ymodem.addr, &p->data[3], 1024);ymodem.addr += 1024;}ymodem_ack();}else if (type == YMODEM_EOT) {ymodem_nack();ymodem.status++;}else {ymodem.status = 0;}break;case 2:if (type == YMODEM_EOT) {ymodem_ack();ymodem_c();ymodem.status++;}break;case 3:if (type == YMODEM_SOH) {ymodem_ack();ymodem.status = 0;ymodem.process = UPDATE_SUCCESS;}}p->len = 0;
}void ymodem_handle(void)
{uint8_t boot_state;process_status process;process = get_ymodem_status();switch (process) {case START_PROGRAM:break;case UPDATE_PROGRAM:usb_printf("C\r\n");delay_ms(1000);break;case UPDATE_SUCCESS:boot_state = UPDATE_PROGRAM_STATE;mcu_flash_erase(SETTING_BOOT_STATE, 1);mcu_flash_write(SETTING_BOOT_STATE, &boot_state, 1);printf("firmware download success\r\n");printf("system reboot...\r\n");delay_ms(2000);system_reboot();break;default:break;}
}

主函数:

#define APP_VERSION   "V100"
void print_boot_message(void)
{printf("======================================\r\n");printf("-------------- Enter APP -------------\r\n");printf ("app version is: %s\r\n", APP_VERSION);printf("======================================\r\n");
}void user_usb_init(void)
{USB_Port_Set(0); 	delay_ms(700);USB_Port_Set(1);	Set_USBClock();   USB_Interrupts_Config();    USB_Init();	
}int main(void)
{SysTick_Init_Config();USART1_Init_Config(115200);print_boot_message();ymodem_init();user_usb_init();printf ("app init success\r\n");while (1){ymodem_handle();}
}

修改中断向量:
bootloader的运行地址是在起始地址上的,所以中断向量是0,不用改。
但是app的运行地址是在起始地址上做了偏移的,所以中断向量也要改,不然会运行会出问题。

#define VECT_TAB_OFFSET  0x4000

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

5 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。

1)BootLoader部分:
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:
请添加图片描述
请添加图片描述
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。

2)APP部分:
跟BootLoader一样,我们按照前面分配好的空间配置APP的参数。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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0x08004000就好了。

6 运行测试

用串口助手查看运行log(我这里用的是XShell,用其他的也是可以的)。

不需要升级时直接跳转到App区,如下图:
在这里插入图片描述

进入APP之后,往USB发送一个字符"1",进入升级模式,然后通过调试工具发送新固件的bin文件。
注:为了方便调试才用了一个字符"1",实际使用的话最好改一下,太简单的话容易出现误操作。调试工具我用的是XShell,实际上用其他工具也行,只要支持Ymodem方式传输文件即可。
串口调试窗口log如下图:
在这里插入图片描述

USB调试窗口log如下:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

结束语

好了,关于自制BootLoader并实现USB OTA升级的介绍就讲到这里,本文列举的例子其实只是升级的其中一种方式,只是提供一个思路,不是唯一的方法,实际上最好还是根据自己实际的需求来做。
需要源码的同学可以在下面的链接下载,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

本文如果你有什么问题或者有更好的方法,欢迎在评论区留言。

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