利用藍牙串行端口配置文件（SPP）實現(xiàn)無線引導加載

 引導加載器支持產(chǎn)品固件的現(xiàn)場更新。引導加載器可使用UART、I2C、SPI或USB等常見通信接口更新固件，而引導加載器主機和目標之間通常采用有線連接方式。在藍牙到串行適配器的幫助下，這個引導加載操作能通過無線方式實現(xiàn)。如果目標所處的位置難以物理地訪問，或者目標位于密封設(shè)備內(nèi)，那么這種無線連接功能就會特別有用。

使用引導加載器的第一步就是配置產(chǎn)品，讓引導加載器(而不是應(yīng)用)去執(zhí)行。一旦引導加載器運行，主機就會通過通信通道發(fā)送“start bootload”命令。如果引導加載器發(fā)出“OK”回應(yīng)，那么就會開始引導加載。在引導加載期間，主機讀取新應(yīng)用文件，將其解析為閃存寫入命令，并發(fā)送命令到引導加載器。在整個文件發(fā)送后，引導加載器會確認文件完整性，并發(fā)送控制到新應(yīng)用。

采用藍牙到串行適配器的無線引導加載過程可在任何支持UART引導加載器的目標上進行，無需使用藍牙串行端口配置文件(SPP)對運行在目標設(shè)備上的主機或引導加載器固件進行任何修改。藍牙配置文件是指定藍牙設(shè)備一般行為的藍牙核心規(guī)范上額外的協(xié)議，可用于支持藍牙設(shè)備與其它具有相同配置文件的設(shè)備進行通信。

SPP基于仿真RS-232串行端口的射頻通信(RFCOMM)協(xié)議，它定義了如何設(shè)置兩個設(shè)備之間的虛擬串行端口，如何利用藍牙互聯(lián)。支持藍牙功能的PC能連接到目標側(cè)的藍牙串行適配器，并進行引導加載操作。引導加載命令可通過發(fā)送串行命令到當前運行在目標器件上的應(yīng)用而實現(xiàn)無線觸發(fā)。

引導加載器

引導加載過程會通過標準通信接口更新嵌入式系統(tǒng)的固件。主機可以是帶引導加載器主機應(yīng)用工具的PC，也可以是另一個微控制器。引導加載器是加電啟動或系統(tǒng)重設(shè)后將要執(zhí)行的第一行代碼。引導加載器會預(yù)編程到微控制器中，與主機通信，并獲得新的應(yīng)用鏡像，將其寫入微控制器的內(nèi)部閃存。在引導加載操作成功后，微控制器會開始執(zhí)行新的應(yīng)用固件。如果沒有從主機接收到新的應(yīng)用，那么引導加載器會執(zhí)行微控制器中現(xiàn)有的應(yīng)用。

應(yīng)用固件鏡像的格式取決于使用的微控制器。舉例來說，PSoC控制器使用.cyacd(應(yīng)用代碼和數(shù)據(jù))作為引導加載應(yīng)用的格式。如果采用標準的藍牙到串行適配器，那么我們可在支持UART引導加載器的目標器件上無線執(zhí)行同樣的引導加載操作。

在利用藍牙到串行適配器進行無線引導加載的情況下，基本的引導加載操作保持不變。不過，我們需要在主機和目標器件之間建立虛擬串行連接，通過藍牙無線發(fā)送應(yīng)用鏡像。SPP定義了如何設(shè)置虛擬串行端口和兩個藍牙設(shè)備的互聯(lián)，隨后允許設(shè)備進行RS232(或類似的)串行線纜仿真。這種配置文件涵蓋的情境能支持傳統(tǒng)應(yīng)用，這里藍牙作為線纜連接的替代，使用虛擬串行端口抽象。利用SPP，互聯(lián)設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)就像互聯(lián)的RX和TX線路一樣。

圖1顯示了SPP中使用的協(xié)議和實體?；鶐?、LMP和L2CAP是OSI 中的第1層和第2層藍牙協(xié)議。RFCOMM是藍牙版GSM TS 07.10標準，GSM手機用它在一個物理串行線纜上多路復(fù)用多個流，為串行端口仿真提供通信協(xié)議。SDP是藍牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議，支持藍牙設(shè)備發(fā)現(xiàn)其它藍牙設(shè)備提供的服務(wù)和相關(guān)參數(shù)。

圖1：配置文件協(xié)議棧包括SPP使用的不同協(xié)議和實體。

就使用SPP的無線引導加載而言，兩側(cè)運行的應(yīng)用為PC上的引導加載器主機應(yīng)用或主機微控制器上的UART接口以及目標系統(tǒng)上的UART引導加載器。

Bluefruit EZ-Link模塊或JY-MCU模塊等標準藍牙到串行適配器能配對具備藍牙功能的計算機，并顯示為串行COM端口。將藍牙模塊和PC配對后，設(shè)備管理器中會列出兩個串行COM端口。之所以會出現(xiàn)這種情況，是因為藍牙串行端口是基于RFCOMM，與物理串行端口不同，它在建立藍牙虛擬連接時同時需要服務(wù)器和客戶端。

設(shè)備管理器中列出的一個端口是入站端口(服務(wù)器)，另一個則是出站端口(客戶端)。然而，用其中一個串行端口建立連接后，它就是雙向的。如果PC發(fā)起與藍牙模塊的連接，則使用出站端口。如果藍牙模塊發(fā)起連接，則使用入站端口。對于目標系統(tǒng)的無線引導加載而言，必須使用出站端口，因為PC是主機，它必須發(fā)起與藍牙模塊的連接。

藍牙模塊必須連接到運行UART引導加載器的目標系統(tǒng)上的UART接口。舉例來說，在關(guān)閉電路板的USB到串行部分以無線引導加載PSoC 4的情況下，藍牙模塊可連接到CY8CKIT-049 PSoC 4原型設(shè)計套件。PSoC 4原型設(shè)計板易于使用，成本較低，能在主板兼容報頭上提供PSoC 4微控制器的所有I/O引腳，從而支持快速原型設(shè)計，而且配套提供預(yù)編程的UART引導加載器。

藍牙模塊的波特率應(yīng)匹配目標系統(tǒng)上引導加載器配置的波特率。大多數(shù)藍牙模塊支持AT命令來配置模塊的波特率，這需要用到USB-UART橋接器或配備UART接口的微控制器。PSoC 4原型設(shè)計板的USB-串行器件部分也可利用AT命令配置藍牙模塊的波特率。引導加載器主機應(yīng)用工具則用藍牙虛擬串行端口來無線執(zhí)行引導加載操作。圖2給出了主機和目標系統(tǒng)的系統(tǒng)級方框圖。

圖2：系統(tǒng)級方框圖顯示主機和目標系統(tǒng)的不同組件。

如果引導加載器主機是另一個微控制器，那么無線引導加載程序仍會在其它藍牙到串行適配器(連接到主機微控制器UART接口)的幫助下進行。對于不支持藍牙的PC而言，標準的USB藍牙收發(fā)器可用來建立藍牙模塊連接。

成功引導加載后，目標系統(tǒng)會開始執(zhí)行新的應(yīng)用。如果需要引導加載另一個新應(yīng)用，那么目標系統(tǒng)必須重啟，以再次啟動引導加載器。如果應(yīng)用調(diào)用引導加載器，就能避免這一過程。引導加載的應(yīng)用響應(yīng)于某種外部事件，如按下按鍵或主機發(fā)出的具體數(shù)據(jù)命令，從而再次啟動引導加載操作，在目標系統(tǒng)上載入新的應(yīng)用。

此外，低功耗藍牙(BLE)模塊也可用于無線引導加載。與傳統(tǒng)藍牙不同的是，低功耗藍牙不使用SPP。不過，對于低功耗藍牙而言，所有配置文件和服務(wù)支持全部位于應(yīng)用空間內(nèi)。產(chǎn)品開發(fā)人員能在通用屬性配置文件(GATT)基礎(chǔ)上開發(fā)自己的串行端口服務(wù)，滿足BLE模塊需求，并將其用于無線引導加載。

引導加載器的設(shè)計考慮因素：

穩(wěn)健可靠的引導加載器應(yīng)當能夠檢測、報告并有效處理無線引導加載過程中出現(xiàn)的錯誤，如傳輸過程中的數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)損壞和閃存寫入錯誤等。通過存儲應(yīng)用的校驗和或循環(huán)冗余碼(CRC)，可以執(zhí)行閃存錯誤校驗。在引導加載操作開始后，位會被清空。如果應(yīng)用成功下載并安裝，就會更新。舉例來說，如果在引導加載時斷電，那么在重啟時引導加載器應(yīng)檢測無效的校驗位，而且不會讓部分加載的應(yīng)用獲得控制權(quán)，而是等待主機啟動新的引導加載操作。

一旦新應(yīng)用實現(xiàn)引導加載，那么引導加載器必須確認引導加載鏡像是否有效，并讓新應(yīng)用獲得控制權(quán)。引導加載器還應(yīng)當能檢查閃存中的自身鏡像，判斷其是否有效。另一個重要考慮因素是避免應(yīng)用覆蓋引導加載器本身。如果引導加載器損壞或被應(yīng)用覆蓋，那么系統(tǒng)就無法工作，需要對系統(tǒng)的引導加載器進行重新編程。為了避免這種情況，閃存的引導加載器區(qū)域必須進行保護，避免引導加載器代碼被意外覆蓋。

引導加載器設(shè)計的另一個重要考慮因素就是何時開始與主機通信。在確認應(yīng)用有效后，引導加載器可等待一定時間讓主機開始新的引導加載操作。如果等待時間過短，主機可能還無法可靠啟動通信。如果等待時間過長，產(chǎn)品的整體啟動時間就會太長。與引導加載新應(yīng)用時避免設(shè)備重啟的解決方案類似，這個時序問題可通過讓應(yīng)用調(diào)用引導加載器進行解決。

為了確保目標系統(tǒng)無錯誤，我們可用多應(yīng)用引導加載器在閃存中存儲多個應(yīng)用鏡像。如果引導加載器檢測到某個應(yīng)用鏡像被損壞，那么引導加載器能跳到另一個應(yīng)用鏡像。能夠保存的應(yīng)用數(shù)量取決于目標系統(tǒng)的閃存大小。

此外，引導加載器中還可包含簡單的調(diào)試功能，可用UART接口和Tera Term等終端仿真程序?qū)崿F(xiàn)，從而在PC上顯示調(diào)試信息。調(diào)試信息還能用相同的藍牙到串行調(diào)試器無線發(fā)送。

定制引導加載器主機工具：

不同微控制器可直接使用標準的引導加載器主機工具應(yīng)用，無需對SPP的無線引導加載進行任何修改。然而，引導加載器主機工具可以進行定制，從而更好地滿足無線引導加載需求，并嵌入終端仿真器窗口，以查看調(diào)試信息，甚至能通過SPP無線發(fā)送具體數(shù)據(jù)來從應(yīng)用中調(diào)用引導加載器。圖3顯示了具有嵌入式終端仿真器窗口的定制引導加載器主機工具應(yīng)用實例。為充分利用終端仿真器，引導加載到目標系統(tǒng)的任何新應(yīng)用都必須包含UART接口，并能在主機向目標系統(tǒng)發(fā)送具體數(shù)據(jù)時調(diào)用引導加載器。UART接口可在引導加載器和應(yīng)用之間共享。

圖3：具有嵌入式終端仿真器窗口的定制引導加載器主機工具應(yīng)用實例。

如果采用稍微復(fù)雜的多應(yīng)用引導加載器設(shè)計，我們也能利用SPP從主機向目標系統(tǒng)無線發(fā)送不同消息，從而在閃存中切換存儲的多個應(yīng)用，這就能節(jié)約新應(yīng)用引導加載所需的時間。