bootloader固件升级开发原理

前言

在实际企业中，对产品进行软件上的更新迭代，不再会像你在学校里头用st-link或者j-link等烧录器对单片机进行直接擦写，而是会将一个产品编写两套代码（Bootloader和APP），APP是你对产品实际需要设计的代码，Bootloader则是用于给APP代码做引导写入到单片机的指定地址。

一、什么是固件升级

首先讲讲什么是固件，固件是固化在集成电路内部的程序代码，负责控制和协调集成电路的功能，通俗易懂来说固件就是你用项目编译器（keil、iar、ccs等）生成的bin文件，然而你需要将这个bin文件写入到mcu内部flash指定地址，即该代码数据固化在该mcu中。
其次什么是固件升级呢？在知道什么是固件之后，固件升级就顾名思义了，所以固件升级就是对原固件进行更新迭代，将新的固件数据重新写入到指定地址处。

二、固件升级流程

这里我会以一套完整的产品固件升级流程来讲。
首先，开局你手里会发一块开发板、烧录器、usb线和俩套代码，并且也会有相应的升级上位机给到你。

• 第一步，用烧录器给开发板烧录bootloader代码，用于引导app代码升级
• 第二步，打开指定上位机，通过usb连接开发板串口，导入app工程编译生成的bin文件，开始升级，等待升级完成

即固件升级如上两步，则以后更新只需要导入新的bin文件即可。

三、固件开发流程

知道固件升级流程之后，那么开发流程就好理解了。

1. UART升级

（1）bootloader开发

在bootloader这套代码中最主要的工作就是引导升级。在固件升级整个结构上来讲，bootloader扮演的是上位机和app之间的中间件，负责数据写入存储，接收上位机发过来的升级信息写入到APP。

在bootloader中主要任务就是接收上位机的升级信息，然后写入到app运行地址，那么在实际软件上该如何设计呢，如下（这里不示例代码，只讲原理）：

系统初始化：
1. 初始化看门狗        ----     系统异常重置
2. 初始化定时器        ----      中断喂狗
3. 初始化链路串口      ----     与上位机交互
4. 初始化内部flash     ----     写固件信息固件升级过程：上位机                             boot
5. 扫描设备                     <--->      ack
6. 开始升级信号（文件大小）       <--->      ack
7. 升级（包索引+包大小）         <--->      ack，写入flash（固件数据）
8. 升级结束信号                 <--->      ack，写入flash（升级完成标志）
9. 重启设备信号                            ack，系统复位
10.重启后会先进入boot开始地址，对flash自检，若升级完成标志置位+app地址数据不为空，则跳转地址（app开始地址）                 

（2）app开发

接着上节写，这时app固件已被成功写入，即mcu上电会直接跳转到app地址运行，那么此时如果你还想继续迭代软件又该怎么固件升级呢？所以在app段也需要一条链路与上位机交互，并且在接收到app发过来的开始升级信号时，则启动系统复位并更改升级标志，这时程序被跳转到了boot地址，这样就可以重新升级了，具体设计原理如下：

系统初始化：
1. 初始化看门狗        ----     系统异常重置
2. 初始化定时器        ----      中断喂狗
3. 初始化链路串口      ----     与上位机交互
4. 初始化内部flash     ----     写固件信息
固件升级过程：上位机                             app
5.  扫描设备                     <--->      ack
6. 开始升级信号（文件大小）       <--->      ack，升级标志置位，系统复位（跳转到boot开始地址）上位机                              boot
7. 升级（包索引+包大小）         <--->      ack，写入flash（固件数据）
8. 升级结束信号                 <--->      ack，写入flash（升级完成标志）
9. 重启设备信号                            ack，系统复位
10.重启后会先进入boot开始地址，对flash自检，若升级完成标志置位+app地址数据不为空，则跳转地址（app开始地址） 

以上是常见的固件升级原理，但有些产品串口资源受限，也考虑成本，无法腾出一个串口用于升级，并且用串口升级速率较慢且为点对点升级还需要考虑到丢掉等因素，所以还有一个很为常见的固件升级方式，速率快并且可以一对多，那就是CAN升级方式。

2. CAN升级

首先我先来介绍一下CAN升级又是怎样的升级架构，为“上位机+中间件+主控板”，有了上面的基础，即可知道该中间件负责接收上位机发过来的升级信息，然后再将其转发给主控板，主控板收到信息，回应给中间件，最后由中间件上传到上位机。因为是CAN方式升级，所以我们通过把该中间件称作“CAN盒”，因为在实际产品上它也就是被封装成一个小黑盒，那么具体设计原理如下可见：

（1）CAN盒

系统初始化：
1. 初始化看门狗        ----     系统异常重置
2. 初始化定时器        ----      中断喂狗
3. 初始化链路串口      ----     与上位机交互
4. 初始化CAN          ----     与主控板交互工作过程：上位机                CAN盒                      主控板
5. 发送扫描设备信号      接收上位机信号转发给主控板     回应扫描信号给CAN盒接收主控板信号转发给上位机。。。。。                                         。。。。。。。

可见，CAN盒在升级过程总完全是作为一个数据转发的作用

（2）主控板

系统初始化：
1. 初始化看门狗        ----     系统异常重置
2. 初始化定时器        ----      中断喂狗
3. 初始化CAN          ----     与主控板交互
4. 初始化内部flash     ----     写固件信息工作过程：上位机                   主控板
5. 发送扫描设备信号        		 回应
6. 发送开始升级信号			     回应，置位升级标志，系统复位，跳转到boot执行					    
7. 升级信号						 回应，写入flash
8. 结束信号						 回应，置位升级标志
9. 重启设备信号                   回应，系统复位
10.重启后会先进入boot开始地址，对flash自检，若升级完成标志置位+app地址数据不为空，则跳转地址（app开始地址） 

3. 无线升级

在以上两种升级方式上都是通过有线的方式对主控板进行固件升级，那么如何通过无线的方式进行升级呢，这里我不做详细介绍，有兴趣的朋友可以后台联系交流。