固件升級的設計
1 固件升級
在一些項目交期比較急的情況下，可以先把基本功能做出來，加入固件升級的功能，后續即使發現重大BUG，也不用返廠更新固件，只需要把加密固件發給客戶自行更新，也可以使用物聯網的方式進行遠程固件升級。
2 FLASH劃分
2.1 內部FLASH
以STM32F103ZET6為例，內部FLASH的扇區大小是2KB
2.2 外部FLASH
整個FLASH作為FAT32使用，以W25Q128為例，有16MB的空間
3 生成加密文件
3.1 加密算法
用的是tinycrypt中的aes加密算法修改IV和KEY的定義
#define TEST_TINY_AES_IV
"0123456789ABCDEF"
#define TEST_TINY_AES_KEY
"0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF"
在使用前選擇是作為加密還是解密
tinycrypt_enc_init();
tinycrypt_dec_init();
3.2 壓縮算法
用的是quicklz壓縮算法，壓縮率比較低，154KB的固件壓縮之后是118KB
3.3 app再加工
在keil編譯出app固件后，使用外部應用程序來對app進行壓縮，再進行加密，再為整個固件增加CRC32校驗，外部程序在linux平臺下同樣適用，只需要在目標主機上編譯生成目標文件即可。
3.3.1 參數檢查
主要有FLASH總大小、FLASH扇區大小、bootloader大小、bootloader輸入文件名、app輸入文件名、輸出app+crc文件名、輸出app加密壓縮后的文件名等
if (argc == 13)
{
combine_file.size_total = atoi(argv[1]);
combine_file.size_sector = atoi(argv[2]);
combine_file.size_bootloader = atoi(argv[3]);
combine_file.check_type = atoi(argv[4]);
sprintf(combine_file.fn_bootloader,"%s",argv[5]);
sprintf(combine_file.fn_app_in,"%s",argv[6]);
sprintf(combine_file.fn_app_out,"%s",argv[7]);
sprintf(combine_file.fn_app_mask,"_upfw_app.bin",argv[7]);
sprintf(combine_file.fn_product,"%s",argv[8]);
get_debug_switch = atoi(argv[9]);
combine_file.size_app_max = atoi(argv[10]);
combine_file.flash_base = atoi(argv[11]);
sprintf(combine_file.fn_user,"%s",argv[12]);
}
3.3.2 文件讀取和加工
FILE *p_bootloader_file_source=NULL;
FILE *p_app_file_source=NULL;
FILE *p_app_file_out=NULL;
FILE *p_app_file_out_mask=NULL;
FILE *p_product_file_out=NULL;
FILE *p_user_file_out=NULL;
p_bootloader_file_source = fopen(combine_file.fn_bootloader,"rb+");
if (!p_bootloader_file_source)
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("read bootloader file error=%s\\r\\n",combine_file.fn_bootloader);
}
goto error;
}
p_app_file_source = fopen(combine_file.fn_app_in,"rb+");
if (!p_app_file_source)
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("p_app_file_source error=%d\\r\\n",p_app_file_source);
}
goto error;
}
//讀取bootloader文件
fseek(p_bootloader_file_source, 0, SEEK_END);
uint32_t get_bootloader_file_size = ftell(p_bootloader_file_source);
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("bootloader file size=%d\\r\\n",get_bootloader_file_size);
}
if ((0 == get_bootloader_file_size) || (get_bootloader_file_size > combine_file.size_total))
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("bootloader file size invalid=%d\\r\\n",get_bootloader_file_size);
}
goto error;
}
fseek(p_bootloader_file_source, 0L, SEEK_SET);
uint8_t *bootloader_data_buffer = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t)*get_bootloader_file_size);
if (!bootloader_data_buffer)
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("bootloader buffer malloc error\\r\\n");
}
goto error;
}
fread(bootloader_data_buffer,1,get_bootloader_file_size,p_bootloader_file_source);
//讀取APP來源文件
fseek(p_app_file_source, 0, SEEK_END);
uint32_t get_app_file_size = ftell(p_app_file_source);
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("file size[app]=%d\\r\\n",get_app_file_size);
printf("file size[app + crc]=%d\\r\\n",get_app_file_size+4);
}
if ((0 == get_app_file_size) || (get_app_file_size > (combine_file.size_app_max-8)))
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("app file size invalid\\r\\n");
}
goto error;
}
fseek(p_app_file_source, 0L, SEEK_SET);
uint8_t *app_data_buffer = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t)*get_app_file_size);
if (!app_data_buffer)
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("app buffer malloc error\\r\\n");
}
goto error;
}
fread(app_data_buffer,1,get_app_file_size,p_app_file_source);
//把app內容進行校驗生成帶校驗的app文件
uint32_t get_crc_value = crc32_customized(CONFIG_CRC32_POLY,CONFIG_CRC32_INIT_VALUE,CONFIG_CRC32_OUT_XOR,app_data_buffer,get_app_file_size);
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("get_crc_value = %x\\r\\n",get_crc_value);
}
//緩存大小是 bootloader+sector+app
//新建一個bootloader大小+sector+app大小的緩存
//生產用的文件需要帶CRC校驗和字節大小，客戶用的APP文件只包含CRC校驗沒有大小，大小在升級的時候自動加上去
//后續再優化APPSIZE和APPCRC的存儲位置，節省FLASH空間
uint32_t size_product = combine_file.size_bootloader+combine_file.size_parameter+get_app_file_size;
uint8_t *product_data_buffer = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t)*(size_product));
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("product file size = %d\\r\\n",size_product);
}
if (!product_data_buffer)
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("bootloader buffer malloc error\\r\\n");
}
goto error;
}
//填充0xff
printf("fill 0xff\\n");
memset(product_data_buffer,0xff,size_product);
printf("write bootloader\\n");
//寫入 bootloader
memcpy(product_data_buffer,bootloader_data_buffer,get_bootloader_file_size);
//加入 CRC和SIZE信息
memcpy(&product_data_buffer[combine_file.size_bootloader],&get_app_file_size,4);
printf("write app\\n");
//寫入app
memcpy(&product_data_buffer[combine_file.size_bootloader+combine_file.size_parameter],app_data_buffer,get_app_file_size);
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("app at=[%08x]\\r\\n",combine_file.flash_base+combine_file.size_bootloader+combine_file.size_parameter);
}
//輸出 app_out
p_app_file_out = fopen(combine_file.fn_app_out,"wb+");
if (!p_app_file_out)
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("write app crc file error\\r\\n");
}
goto error;
}
fwrite(app_data_buffer,1,get_app_file_size,p_app_file_out);
//輸出 加密后的文件
uint8_t *app_mask_data_buffer = 0;
printf("combine_file.check_type=[%d]\\r\\n",combine_file.check_type);
p_app_file_out_mask = fopen(combine_file.fn_app_mask,"wb+");
if (!p_app_file_out_mask)
{
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("write app mask file error\\r\\n");
}
goto error;
}
3.3.3 文件加密和壓縮處理
if (T_CRYPT == combine_file.check_type)
{
int res = 0;
uint8_t *set_data_out = 0;
tinycrypt_enc_init();
uint8_t *buffer_out_temp = (uint8_t *) malloc(sizeof(uint8_t)*get_app_file_size);
if (!buffer_out_temp)
{
printf("buffer_out_temp malloc error \\r\\n");
}
uint32_t size_out = 0;
if (quicklz_compress_buffer(buffer_out_temp,app_data_buffer,get_app_file_size,&size_out) >= 0)
{
if (!size_out)
{
printf("size_out error \\r\\n");
goto error;
}
set_data_out = (uint8_t *) malloc(sizeof(uint8_t)*size_out);
if (!set_data_out)
{
printf("set_data_out malloc error \\r\\n");
res = -1;
goto error;
}
memset(buffer_data,0,COMPRESS_BUFFER_SIZE);
aes_en_buffer(set_data_out,buffer_out_temp,size_out);
fwrite(set_data_out,1,size_out,p_app_file_out_mask);
uint32_t aes_crc32 =crc32_customized(CONFIG_CRC32_POLY,CONFIG_CRC32_INIT_VALUE,CONFIG_CRC32_OUT_XOR,set_data_out,size_out);
if (get_debug_switch > 0)
{
printf("aes_crc32 mask = %x\\r\\n",aes_crc32);
}
fwrite(&aes_crc32,1,4,p_app_file_out_mask);
}
if (buffer_out_temp)
{
free(buffer_out_temp);
}
if (set_data_out)
{
free(set_data_out);
}
}
3.4 bootloader的設計
在啟動后掛載文件系統，檢查是否存在xxx.bin的文件，如果存在則檢查文件是否合法，合法就進入解密和解壓縮階段，最后把文件的crc和size寫入flash，復位跳轉到app對應的地址上運行
int result = dfs_elm_mount(&g_fat,0,0);
PRINTF_APP_MAIN("result=%d\\r\\n",result);
//if (0 == check_boot(CONFIG_UBOOT_WAITING_TIME_S))
{
uint8_t get_firmware_name[32]={0};
if (check_firmware_file(get_firmware_name))
{
PRINTF_APP_MAIN("find the firmware file name=%s\\r\\n",get_firmware_name);
FRESULT res = f_open(&_update_file,get_firmware_name,FA_OPEN_EXISTING|FA_READ);
uint32_t get_crc_result = 0;
PRINTF_APP_MAIN("res=%d\\r\\n",res);
if (FR_OK == res)
{
uint32_t read_bytes = 0;
uint32_t total_bytes = _update_file.fsize-4;
uint32_t left_bytes = total_bytes;
uint32_t read_actual_bytes = 0;
uint32_t index_read = 0;
PRINTF_APP_MAIN("update_file.fsize=%d\\r\\n",_update_file.fsize);
PRINTF_APP_MAIN("total_bytes=%d\\r\\n",total_bytes);
/**/
if (total_bytes <= CONFIG_FLASH_APP_SIZE)
{
volatile uint32_t check_crypt_crc = 0;
hardware_crc32_short_start();
while (left_bytes > 0)
{
if (left_bytes > CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE)
{
read_bytes = CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE;
}
else
{
read_bytes = left_bytes;
}
FRESULT read_res = f_read(&_update_file,read_file,read_bytes,&read_actual_bytes);
if (0 == read_actual_bytes)
{
break;
}
check_crypt_crc = hardware_crc32_short(read_file,read_actual_bytes);
left_bytes = left_bytes - read_actual_bytes;
}
check_crypt_crc &= 0xFFFFFFFF;
(check_crypt_crc ^= 0x00000000);
PRINTF_APP_MAIN("check_crypt_crc=%x\\r\\n",check_crypt_crc);
FRESULT read_last_res = f_read(&_update_file,read_file,4,&read_actual_bytes);
if (FR_OK == read_last_res)
{
uint32_t source_crc = 0;
memcpy(&source_crc,read_file,4);
f_close(&_update_file);
memset(read_file,0,CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE);
PRINTF_APP_MAIN("source_crc=%x\\r\\n",source_crc);
if (check_crypt_crc == source_crc)
{
res = f_open(&_update_file,get_firmware_name,FA_READ);
if (FR_OK == res)
{
PRINTF_APP_MAIN("crypt_decode_part\\r\\n");
if (crypt_decode_part(&_update_file,CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS,&get_crc_result,&total_bytes) >= 0)
{
f_close(&_update_file);
PRINTF_APP_MAIN("crypt_decode_part after\\r\\n");
PRINTF_APP_MAIN("total_bytes=%d\\r\\n",total_bytes);
PRINTF_APP_MAIN("get_crc_result=%x\\r\\n",get_crc_result);
uint8_t set_data_buffer[20];
set_data_buffer[0] = (uint8_t)(total_bytes);
set_data_buffer[1] = (uint8_t)(total_bytes>>8);
set_data_buffer[2] = (uint8_t)(total_bytes>>16);
set_data_buffer[3] = (uint8_t)(total_bytes>>24);
set_data_buffer[4] = (uint8_t)(get_crc_result);
set_data_buffer[5] = (uint8_t)(get_crc_result>>8);
set_data_buffer[6] = (uint8_t)(get_crc_result>>16);
set_data_buffer[7] = (uint8_t)(get_crc_result>>24);
memset(&set_data_buffer[8],0xff,12);
uint8_t idx_check=0;
PRINTF_APP_MAIN("app info[");
for (idx_check=0; idx_check<20; idx_check++)
{
PRINTF_APP_MAIN("%02x ",set_data_buffer[idx_check]);
if(idx_check==3)
{
PRINTF_APP_MAIN("| ");
}
}
PRINTF_APP_MAIN("]\\n");
g_flash_write_bytes(CONFIG_FLASH_APP_SIZE_ADDRESS,set_data_buffer,LENGTH_OF_ARRAY(set_data_buffer));
f_unlink(get_firmware_name);
hw_cpu_reset();
}
}
}
}
}
}
}
//else
{
int res_umount = dfs_elm_unmount(&g_fat);
PRINTF_APP_MAIN("res_umount=%d\\r\\n",res_umount);
PRINTF_APP_MAIN("without update file then check app format\\r\\n");
uint32_t get_app_size = flash_read_word(CONFIG_FLASH_APP_SIZE_ADDRESS);
uint32_t get_app_crc = flash_read_word(CONFIG_FLASH_APP_CRC_ADDRESS);
PRINTF_APP_MAIN("get_app_size=%d\\r\\n",get_app_size);
PRINTF_APP_MAIN("get_app_crc=%x\\r\\n",get_app_crc);
memset(read_file,0,CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE);
if ((get_app_size > 0) && (get_app_size<= CONFIG_FLASH_APP_SIZE))
{
uint32_t read_bytes,data_offset,calc_crc_val = 0;
uint32_t left_bytes = get_app_size;
uint32_t flash_addr_index = CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS;
PRINTF_APP_MAIN("left_bytes=%d\\r\\n",left_bytes);
calc_crc_val = crc32_customized(CONFIG_CRC32_POLY,CONFIG_CRC32_INIT_VALUE,CONFIG_CRC32_OUT_XOR,CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS,get_app_size);
PRINTF_APP_MAIN("calc_crc_val=%x\\r\\n",calc_crc_val);
if (get_app_crc == calc_crc_val)
{
PRINTF_APP_MAIN("run app\\r\\n");
iap_load_app(CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS);
}
}
}
可以加個后門，比如上電后某個腳為某個電平停留在bootloader階段，進行OTA響應。
3.5 在KEIL上的應用
3.5.1 準備資源
編寫腳本文件另存為
firmware_update.bat
@echo off
set /a CONFIG_DEBUG_SWITCH=1
set /a CONFIG_FLASH_BASE=0x08000000
set /a CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE=(2*1024)
set /a CONFIG_FLASH_TOTAL_SIZE=(512*1024)
set /a CONFIG_BOOTLOADER_SIZE=(40*1024)
set /a CONFIG_APP_MAX_SIZE=(235*1024)
set /a CONFIG_CHECK_TYPE=3
set CONFIG_FN_BOOTLOADER=bootloader.bin
set CONFIG_FN_APP_SOURCE=app_.bin
set CONFIG_FN_APP_OUT=_upfw_.bin
set CONFIG_FN_PRODUCT=product_.bin
set CONFIG_FN_USER=sys.bin
::call clean.bat
copy %CONFIG_FN_BOOTLOADER% .\\bin
copy data_crypt.exe .\\bin
copy %CONFIG_FN_USER% .\\bin
cd bin/
data_crypt %CONFIG_FLASH_TOTAL_SIZE% %CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE% %CONFIG_BOOTLOADER_SIZE% %CONFIG_CHECK_TYPE% %CONFIG_FN_BOOTLOADER% %CONFIG_FN_APP_SOURCE% %CONFIG_FN_APP_OUT% %CONFIG_FN_PRODUCT% %CONFIG_DEBUG_SWITCH% %CONFIG_APP_MAX_SIZE% %CONFIG_FLASH_BASE% %CONFIG_FN_USER%
start %~dp0\\bin
3.5.2 Bootloader的KEIL配置
在keil的User 標簽中添加AfterBuild/Rebuild腳本
$K\\ARM\\ARMCC\\bin\\fromelf.exe --bin --output=bin@L.bin ! L
將bootloader.bin存放到mdk項目文件目錄下
3.5.3 APP的KEIL配置
3.5.4 編譯后生成以下目標文件
upfw_app.bin是壓縮和加密后的文件
app .bin是未加工的應用程序
product_.bin是用于量產時的燒錄文件
4 應用場景
4.1 通過電腦升級固件
枚舉成大容量存儲設備，通過USB線連接到電腦后會枚舉出一個U盤，把_upfw_app.bin復制到U盤根目錄下后重啟即可
可以參考這篇文章做一個USB大容量存儲設備STM32大容量存儲設備
4.2 通過U盤升級
工作在USB主機模式下，
把_upfw_app.bin復制到一個U盤根目錄下，插入U盤后，主機識別到U盤根目錄下的文件，拷貝到文件系統，復位重啟即可
4.3 通過離線燒錄器燒錄
在量產時可以使用合并好的未加密的product_.bin
4.4 OTA升級
可通過ymodem協議把加密文件傳輸到文件系統根目錄下，再重啟即可，
可以參考涂鴉智能的串口協議的設計，可以參考rtthread自帶的ymodem例子，也可以參考小米用到的xmodem來設計自己的OTA
5 總結
加入OTA后，分配給APP的FLASH大小可能會少很多，把運用在實際項目上的經驗復盤到自己的開發板上，總結好理論經驗，多做幾次實際操作，按照這樣的方法，應該可以內化吸收，把經驗轉換成我們內在的東西，再刻意地運用在新的項目上。
做任何事應該都有方法，賺錢有方法，工作有方法，幫助他人有方法，教育孩子有方法，努力是沒有用的，有了正確的方法和方向的努力才有用。
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發表于 09-11 06:00
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