在线升级：OTA升级的原理和实现方式

Posted 2022-11-08

在平常的项目开发和调试中，下载程序一般使用的是外部下载器或者串口的方式实现对单片机的程序下载和刷新，这种方法在项目的开发阶段是常用的方式。

但是当项目开发完成推向市场的时候，很多时候需要对产品进行升级，而这个时候产品又已经是加了外壳的或者被封装起来了，一般也不会在外面预留出来下载接口之类的。

如果这个时候我想要更新产品的程序的话，可能就得要重新打开产品的外壳，然后通过下载器更新程序，更新完成之后再把外壳装上，这种做法显然是不太现实的。但是我们又必须要给产品进行升级，那该怎么办呢？这个时候就可以考虑使用产品本身预留的一些外部通信接口（如：USB、RS232、ES485、以太网口等）或者内部无线（如：wifi、蓝牙、4/5G网络）等对产品进行升级。

上面介绍的这种通过外部有线接口或者无线通信的方式进行的更新其实是一种在线更新的方式，即OTA升级技术。

那问题来了，到底什么是OTA升级技术呢？待我慢慢道来！

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1、  OTA 在线升级

​OTA：Over-the-Air Technology，字面意思理解为：空中下载技术。​​

​​OTA 在线升级：通过OTA的方式实现产品软件更新的一种方式。​

所以，简单而言，通过外部的方式（有线 / 无线）对产品进行更新，而不是用传统的编程器刷入固件的方式就可以称之为 OTA 在线升级。

严格意义上来讲，OTA 指的是空中下载，即只有通过无线的方式进行更新的才称之为 OTA 升级；而那种通过外部的接口接线来实现的更新，应该称之为本地升级。这两者还是有点区别的，只是一般我们都没有那么严格去区分罢了！

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2、实现方式

那既然理解了升级的概念了，该怎么去实现呢？

我们一般的做法是会将这个升级功能进行划分，分为两部分：

1）  接收新的升级固件并完成新旧固件的替换，这部分代码为 BootLoader；

2）  产品功能的正常程序，用于执行各种应用功能，这部分程序称为 App。

那就是说，要实现在线升级，就需要准备两份程序，一份是BootLoader ，另一份是App。其中 bootloader 用于将外部传入的新固件（应用程序App）接收到内部并存储，接收完成以后，由 bootloader 用新接收到的固件去替换旧的固件，替换完成之后跳转到新的应用程序中进行执行。这样就完成了产品的固件更新。

注意：需要将 bootloader 和应用程序App的空间分开，两者是不能发生重叠的。

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3、操作方式

3.1、后台式升级

后台式升级的意思是：在进行升级的时候，接收新固件包的方式是在后台进行的，不会影响功能的正常执行。等到固件更新完成之后，再跳转到Bootloader中去用新的固件替换旧的固件，替换完成之后呢再跳转到App去执行。

比如，现在的智能手机的在线更新就是后台式升级的方式。在你升级系统的时候，接收升级包的过程中，你还是可以正常使用的手机的，打电话、看视频、玩游戏等都不耽误，直到下载完成，你点击了开始更新之后，手机才进入更新状态，不让你操作，等更新完毕之后重启就又可以继续操作了。

3.2、非后台式式更新

非后台式升级的意思是：在进行升级的时候，接收固件时需要跳转到Bootloader，这个时候你不能在使用这个产品的任何功能，只能一直等着它接收并完成更新，完成之后你才能继续操作其他的功能。

4、STM32 的在线升级

本文以STM32为例展开讲解怎么实现OTA升级和操作的方法。

4.1、划分 Flash 区域

按照前面讲述的有关在线升级的原理，我们知道是要准备两份代码的，一份是BootLoader，另外一份是App。由于这两份代码在STM32中都是要存放在Flash中的，而且它们的空间还不能重叠，要独立区分开。

所以，按照这个原则，我们可以考虑在Flash中分三个区域出来，如下图所示：

上图中的三块Flash分别用于：

（1）用于存放Bootloader程序；

（2）用于存放应用程序；

（3）用于存放接收到的新固件。（注：这部分可要可不要，根据你的设计选择）

注意：上图中（3）这个Flash区域是考虑用于保存在线升级的固件的，作为备份固件。方便用于以后系统出现异常时，可以从这个备份固件中重新加载到App中，防止固件丢失！

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4.2、实操1 - Flash空间地址的划分

首先，我们要知道，在stm32中，flash的地址空间是从0x08000000开始的，在keil中也是默认的从这个位置开始的。

一般而言，Bootloader 是在上电时默认开始执行，因此将Bootloader程序可以存放到STM32默认执行的位置（keil编译器默认从0x08000000地址开始存放）。

应用程序从 Bootloader 后开始存放即可，只要不和BootLoader发生冲突即可。

假设 Bootloader 的大小为10k，即0x2800字节，那么可以选取 0x08000000 ~ 0x08002800 地址范围作为BootLoader的存放区域。

应用程序从0x08005000开始存放（至于选多大的范围，要根据你的应用程序大小进行考虑，建议保留一些余量）。

划分如下图所示：

4.3、实操2 - 设置工程

（1）设置起始地址和大小

准备两个工程，一个是bootloader的程序，另外一个是应用程序的工程，并对工程进行设置。bootloader选择默认执行的位置，应用程序根据实际需要设置开始存放到flash指定的位置。

比如：App的起始地址设为0x08005000，大小设为0x1B000（RAM总大小0x20000-0x5000）。设置如下图：

BootLoader 也是一样的设置方式，只是地址不同而已。

（2）生成 bin 文件

另外需要注意的，应用程序需要转换为bin文件才可以写入Flash中，能发送到产品中的固件也是要先转为bin格式的文件的。

编译器可以选择生成hex文件，再把hex文件转换为bin文件。还可以使用简单方法，MDK-Keil中点开User选项卡，设置如下图：

即在编译后直接执行fromelf.exe命令将.axf文件转换为.bin文件。生成的bin文件在工程目录下的out文件夹下。

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4.4、实操3 - 接收固件更新包

接收固件更新包的话，就要根据你的实际产品进行选择了。

首先，如果你是后台式更新的话，那接收固件更新包的功能就要在App中实现；如果你是非后台式更新的话，那接收固件更新包的功能就要在BootLoader中实现。

其次，要考虑接收固件更新包的方式。无线的话用的是wifi、蓝牙、4/5G网络还是啥的；有线的话用的是串口UART、Spi、IIC、CAN、以太网还是啥的。

最后，最好的方式是能够对接收到的固件更新包做一个校验，防止数据接收过程中出现错误，导致升级后出现严重问题。

注意：BootLoader 需要提前刷入，不然无法完成在线升级！

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4.5、实操4 - 拷贝程序至Flash

接收成功固件包之后，需要将数据写入到 Flash 的指定位置（比如 0x08005000）完成固件的更新程序写入。

STM32对Flash的操作过程如下：

1） Flash解锁。（FlashUnclock）
2） 擦除App所在的Flash页。
3） 向App的Flash区域写入数据。
4） 写完后，Flash上锁。（FlashClock）

4.6、实操5 - 跳转至 App 应用程序

将接收到应用程序全部正确写入Flash的App指定位置后，Bootloader 需要完成跳转到应用程序App的开始位置的操作。

跳转过程如下：

1）关闭中断，防止在跳转过程中有中断发生。
2）获取栈指针。
3）获取复位向量，即为栈指针后的四字节内容（32bits）。
4）重定向中断向量表，以保证应用程序中中断的正常工作。应用程序从0x08005000存储，因此相对于Flash基地址0x08000000偏移了0x5000。
5）设置新的栈指针，上述中所获取的栈指针。
6）跳转至复位向量开始运行。

4.7、特别注意 - 设置向量中断表偏移

这个跳转到应用程序之后，有一个非常重要的事情要注意，就是要重新设置App的中断向量表，否则不能正常运行的。

首先要理解STM32的正常运行是怎么样的，如下图所示：

STM32的内部闪存（FLASH）的地址默认是从0x8000000开始的，默认也是从这个位置开始执行程序的。并且在STM32的内部有一张 “中断向量表” 用于响应中断，程序在启动以后首先会从中断向量表取出复位中断程序，执行完复位中断程序以后才会跳转到main( )函数开始执行。

中断向量表的位置从0x8000004开始，如果采用的是bootloader和应用程序的方式的话，bootloader一般放在默认开始的位置，所以它的中断向量表还是正确的。

而APP应用程序是放置在其他的位置，那么APP应用程序部分的中断向量表就要发生偏移，才能为应用程序找到并响应中断。

在应用程序中，与程序跳转需要注意的是，单片机从Bootloader程序跳转至应用程序的复位向量处开始执行，单片机在执行main函数之前会执行一些系统初始化程序。在系统初始化函数void SystemInit (void)；在该函数中有对中断向量表的设置，如下：

在上图中VECT_TAB_OFFSET默认为0x0，而应用程序的中断向量表需要定位到0x08005000，因此这里需要将VECT_TAB_OFFSET值修改为0x5000。（这里可能跟跳转程序中的设置中断向量表的过程重复，所以需要慎重考虑）。

如下：

/* Configure the Vector Table location add offset address -配置中断向量表的起始地址-*/
#ifdef VECT_TAB_SRAM    //默认没有定义
  SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM */
#else
  SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal FLASH */
#endif

修改这个偏移：

#define VECT_TAB_OFFSET  0x5000 /*向量表基本偏移量字段。 此值必须是0x200的倍数 */

注意：这个中断向量表的偏移一定要在初始化阶段去完成！

到此，在线升级的原理和STM32的操作已经讲完，如果有讲的不正确的地方，还请指正！

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