Bootloader + OTA 升级框架笔记

Bootloader + OTA 升级框架笔记

支持 UART 和 CAN 两种通信方式的 STM32F407 嵌入式 Bootloader 与 OTA 固件升级框架。

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一、基本概念

什么是 Bootloader

Bootloader 是芯片上电后最早运行的引导程序，负责：

• 硬件初始化（时钟、外设）
• 检查是否有固件升级请求
• 验证 APP 固件合法性
• 跳转到 APP 或进入 OTA 升级模式

什么是 RAM 和 Flash

特性	Flash	RAM (SRAM)
用途	存储程序代码和常量	运行时变量和栈
容量 (F407)	1MB	128KB
持久性	掉电不丢失	掉电丢失
写入方式	需擦除后编程 (字对齐)	直接读写
速度	较慢 (需等待状态)	快 (单周期访问)

什么是 OTA

OTA (Over-The-Air) 指通过通信接口（UART/CAN/蓝牙/WiFi）远程升级固件，无需物理连接调试器。本框架使用有线方式（UART/CAN），但传输层抽象设计允许扩展到无线模块。

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二、Flash 内存分区（STM32F407）

STM32F407 内部 Flash 共 1MB，分为 12 个扇区：

扇区	起始地址	大小	用途
0	0x08000000	16KB	Bootloader
1	0x08004000	16KB	Bootloader
2	0x08008000	16KB	Bootloader
3	0x0800C000	16KB	配置区（魔数/标志）
4	0x08010000	64KB	APP
5	0x08020000	128KB	APP
6	0x08040000	128KB	APP
7	0x08060000	128KB	APP
8	0x08080000	128KB	OTA 下载暂存区
9	0x080A0000	128KB	OTA 下载暂存区
10	0x080C0000	128KB	OTA 下载暂存区
11	0x080E0000	128KB	OTA 下载暂存区

+------------------+ 0x08000000
| Bootloader (48KB)| 扇区 0~2
+------------------+ 0x0800C000
| Config   (16KB)  | 扇区 3
+------------------+ 0x08010000
| APP       (448KB)| 扇区 4~7
+------------------+ 0x08080000
| OTA Temp  (512KB)| 扇区 8~11
+------------------+ 0x08100000

设计要点：

• Bootloader 48KB 留有充足的代码扩展空间
• 配置区独占一个扇区，擦除配置区不影响 Bootloader 或其他区域
• OTA 下载区 (512KB) >= APP 区 (448KB)，确保能容纳完整固件
• APP 和 OTA 下载区按扇区边界对齐，简化擦除操作

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三、启动流程（魔数机制）

上电复位
    │
    ▼
┌──────────────┐
│ 初始化时钟    │
│ 初始化传输层  │
└──────┬───────┘
       │
       ▼
┌──────────────┐
│ 读取配置区    │──── 魔数无效? ──→ 初始化配置区(首次启动)
│ (0x0800C000) │
└──────┬───────┘
       │ 魔数 = 0x424F4F54 ("BOOT")
       ▼
┌──────────────┐
│ boot_mode == │── 是 ──→ 进入 OTA 模式
│ OTA?         │
└──────┬───────┘
       │ 否
       ▼
┌──────────────┐
│ APP 合法?    │──── 否 ──→ 进入 OTA 模式 (等待升级)
│ (检查SP+PC)  │
└──────┬───────┘
       │ 是
       ▼
┌──────────────┐
│ 跳转到 APP   │
└──────────────┘

魔数机制说明：

• 配置区魔数 0x424F4F54（"BOOT" 的 ASCII），标识配置区已被正确初始化
• 芯片首次上电时 Flash 为空 (0xFF)，魔数不匹配，Bootloader 自动初始化配置区
• boot_mode 字段控制启动路径：0xAA55AA55 = OTA 模式，0x00000000 = 正常启动

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四、OTA 核心状态机

三个命令（Host → Bootloader）

命令	代码	说明
CMD_OTA_START	0x01	开始 OTA，携带固件大小、CRC32、版本号
CMD_OTA_DATA	0x02	传输固件数据块
CMD_OTA_ABORT	0x03	中止当前传输，状态机回 IDLE

四个状态码（Bootloader → Host）

状态码	代码	说明
STATUS_ACK	0x10	数据帧接收成功，等待下一帧
STATUS_NAK	0x11	帧错误（CRC/格式/状态不允许）
STATUS_BUSY	0x12	设备忙（正在执行 Flash 操作）
STATUS_COMPLETE	0x14	OTA 完成，固件校验通过，设备即将复位

完整升级时序

Host (上位机)                        Bootloader (STM32)
     │                                      │
     │                                      │  [IDLE]
     │── CMD_OTA_START ────────────────────→│
     │   (fw_size, crc32, version)          │  擦除 OTA 下载区
     │←─ STATUS_READY ─────────────────────│  [START_RCVD]
     │                                      │
     │── CMD_OTA_DATA (chunk 0) ───────────→│  写入 Flash
     │←─ STATUS_ACK ───────────────────────│  [DOWNLOADING]
     │                                      │
     │── CMD_OTA_DATA (chunk 1) ───────────→│  写入 Flash
     │←─ STATUS_ACK ───────────────────────│
     │         ... (循环 N 次) ...          │
     │                                      │
     │── CMD_OTA_DATA (chunk N, 最后一块) ─→│  写入 Flash
     │←─ STATUS_COMPLETE ──────────────────│  [COMPLETE]
     │                                      │
     │                                      │  CRC32 校验通过
     │                                      │  拷贝到 APP 区
     │                                      │  系统复位...
     │                                      │
     │                                      │  [IDLE] 重新启动
     │                                      │  跳转到新 APP

帧格式：

| STX(0xAA) | CMD/STATUS(1B) | LEN(2B,BE) | DATA(NB) | CRC16(2B) | ETX(0x55) |
     1B            1B             2B        0~1024B      2B          1B

• CRC16 采用 MODBUS 多项式，校验范围：STX 到 DATA 末尾
• LEN 为大端序，最大 1024 字节
• 单帧最大长度 = 4(头) + 1024(数据) + 3(尾) = 1031 字节

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五、传输层架构（核心设计）

统一接口

typedef struct transport_ops {
    int32_t (*init)(void *params);
    int32_t (*deinit)(void);
    int32_t (*send)(const uint8_t *data, uint32_t len, uint32_t timeout);
    int32_t (*recv)(uint8_t *buf, uint32_t len, uint32_t timeout);
    void    (*flush)(void);
} transport_ops_t;

上层（OTA 状态机）只调用 transport_send() / transport_recv()，不感知底层是 UART 还是 CAN。

切换协议方法

/* 运行时切换传输层, 自动 deinit 旧层、init 新层 */
transport_switch(&transport_uart);   /* 切换到 UART */
transport_switch(&transport_can);    /* 切换到 CAN */

条件编译保护

/* boot_config.h */
#define TRANSPORT_UART_ENABLED    // 启用 UART
//#define TRANSPORT_CAN_ENABLED   // 启用 CAN (二选一或共存)

• 启用多个传输层时，DEFAULT_TRANSPORT 宏选定默认使用的协议
• 编译时如果未启用任何传输层，#error 编译报错
• 每个传输层的 .c 文件内使用 #ifdef TRANSPORT_XXX_ENABLED 守卫

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六、串口传输层详解

文件： Bootloader/Transport/transport_uart.c

• 基于 STM32 HAL 库 HAL_UART_Transmit / HAL_UART_Receive 阻塞收发
• 配置参数通过 uart_config_t 传入（UART 句柄 + 波特率）
• 默认波特率 115200，8N1 无流控
• 收发都带超时参数，防止死等
• flush() 清空 UART DR 寄存器，丢弃残留数据

不使用 HAL 时： 文件内含裸机寄存器实现（通过 #else 分支），直接操作 USART SR/DR 寄存器。

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七、Flash 擦写操作

文件： Bootloader/Core/flash_ops.c

核心操作：

函数	说明
flash_erase_sector(sector)	擦除单个扇区（F407 扇区 0~11）
flash_erase_range(addr, size)	擦除地址范围（自动计算覆盖扇区）
flash_write_words(addr, data, words)	按 32-bit 对齐写入
flash_write_bytes(addr, data, len)	字节数组写入（内部处理对齐和补齐）
flash_read(addr, buf, len)	直接内存映射读取
flash_calc_crc32(addr, len)	计算 Flash 区域的 CRC32

注意事项：

• Flash 写入前必须擦除（擦除后为 0xFF）
• STM32F4 支持 Word (32-bit) 编程，写入地址必须 4 字节对齐
• 擦除/写入期间 Flash 不可读，需等待 BSY 标志清除
• 所有 Flash 操作函数内部自动 unlock/lock，调用者无需手动操作

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八、APP 验证与跳转

文件： Bootloader/Core/app_validator.c

验证 APP 合法性

int app_validate(uint32_t app_addr, uint32_t app_size, uint32_t expected_crc);

验证项：

1. 栈指针 (MSP) 检查 --- 初始 SP 值必须落在 SRAM 范围内 (0x20000000 ~ 0x20020000)
2. 复位向量检查 --- Reset_Handler 地址必须在 APP Flash 范围内 (0x08010000 ~ 0x08080000)
3. Thumb 模式检查 --- Reset_Handler 的 bit0 必须为 1（Cortex-M 要求）
4. CRC32 校验（可选）--- 全固件完整性检查

跳转到 APP

void app_jump(uint32_t app_addr) __attribute__((noreturn));

跳转步骤：

1. cpsid i --- 关闭全局中断
2. SCB->VTOR = app_addr --- 重设向量表基址（APP 中断生效）
3. MSR MSP, sp_init --- 设置 APP 栈指针
4. BX reset_handler --- 跳转到 APP 的 Reset_Handler

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九、APP 端触发升级

文件： App/ota_trigger.c

APP 在运行时可通过以下方式触发 OTA：

/* 仅设置标志, 不立即复位 */
ota_trigger_set_flag();   // 写入 boot_mode = BOOT_MODE_OTA 到配置区
// ... 等待合适的时机 ...
NVIC_SystemReset();       // 手动触发复位

/* 或一步到位：设置标志并立即复位 */
ota_trigger_request();    // 设置标志 + 软复位, 函数不返回

工作原理：

1. APP 调用 ota_trigger_request()
2. 函数写入配置区 boot_mode = BOOT_MODE_OTA (0xAA55AA55)
3. 通过 SCB->AIRCR 触发系统软复位
4. Bootloader 启动后检测到 OTA 标志，进入 OTA 模式

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十、链接脚本

Bootloader 链接脚本 (Bootloader/linker_stm32f407_boot.ld)

区域	起始地址	大小
FLASH	0x08000000	48KB
SRAM	0x20000000	128KB

• 栈大小: 2KB, 无堆（Bootloader 不需要动态内存）

APP 链接脚本 (App/linker_stm32f407_app.ld)

区域	起始地址	大小
FLASH	0x08010000	448KB
SRAM	0x20000000	128KB

• 栈大小: 4KB, 堆大小: 1KB
• APP 的向量表位于 0x08010000，需在 startup 中设置 SCB->VTOR = 0x08010000

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十一、移植清单

将本框架移植到其他 STM32 芯片时，需要修改以下内容：

1. boot_config.h --- Flash 分区

参数	F407 值	说明
FLASH_BASE	0x08000000	Flash 基址（F1/F2/F4 相同）
FLASH_SIZE	1024*1024	芯片 Flash 总容量
FLASH_SECTOR_COUNT	12	扇区个数
BOOTLOADER_SIZE	48KB	根据需要调整
APP_START_ADDR	0x08010000	APP 起始地址
APP_SIZE	448KB	APP 最大容量
OTA_DOWNLOAD_SIZE	512KB	OTA 区容量 (>= APP_SIZE)

2. flash_ops.c --- 扇区表

修改 sector_table[] 数组，填入目标芯片的扇区分布。

3. app_validator.c --- SRAM 范围

修改 SRAM_BASE 和 SRAM_SIZE 宏。

4. 链接脚本

修改 ORIGIN 和 LENGTH 值。

5. 传输层 init()

根据目标芯片的外设基地址和 HAL 库配置调整。

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十二、整体架构总结

┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│                    上位机 (Host)                      │
│              (UART/CAN 发送 OTA 帧)                  │
└─────────────────────┬────────────────────────────────┘
                      │ UART 或 CAN
┌─────────────────────▼────────────────────────────────┐
│                  传输层 (Transport)                   │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │ transport.h       统一接口 (init/send/recv)      │ │
│  │ transport_uart.c  UART 实现                     │ │
│  │ transport_can.c   CAN 实现 (分段传输)           │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│               OTA 状态机 (ota_state_machine)          │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │ 3 条命令: START / DATA / ABORT                  │ │
│  │ 4 个状态: IDLE → START_RCVD → DOWNLOADING       │ │
│  │           → VERIFYING → COMPLETE                │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│                  Flash 操作层 (flash_ops)             │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │ erase / write / read / crc32                    │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│           APP 校验与跳转 (app_validator)              │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │ SP 检查 / PC 检查 / Thumb 检查 / CRC32 校验     │ │
│  │ 跳转: SCB->VTOR → MSP → BX ResetHandler        │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│                   配置区 (Config)                     │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │ 扇区 3: 魔数 | boot_mode | OTA参数 | APP标志    │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
└──────────────────────────────────────────────────────┘

┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│                     APP 区域                          │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │ ota_trigger.c: 设置 OTA 标志 + 软复位           │ │
│  └─────────────────────────────────────────────────┘ │
└──────────────────────────────────────────────────────┘

代码文件索引：

文件	作用
Bootloader/Config/boot_config.h	全局配置、Flash 分区、协议常量
Bootloader/Core/flash_ops.h/c	Flash 擦除/写入/读取/CRC32
Bootloader/Core/ota_state_machine.h/c	OTA 帧解析、状态机、CRC16
Bootloader/Core/app_validator.h/c	APP 校验 (SP/PC/CRC) 与跳转
Bootloader/Core/bootloader.h/c	主启动流程 + OTA 主循环
Bootloader/Transport/transport.h/c	抽象接口 + 协议切换
Bootloader/Transport/transport_uart.h/c	UART 传输层
Bootloader/Transport/transport_can.h/c	CAN 传输层 (分段协议)
Bootloader/linker_stm32f407_boot.ld	Bootloader 链接脚本
App/ota_trigger.h/c	APP 端触发 OTA
App/linker_stm32f407_app.ld	APP 链接脚本