【重磅】剖析MCU的IAP升級(jí)軟件設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)思路篇)

     今天為大家推薦一首毛不易的《像我這樣的人》，上面鏈接是現(xiàn)場(chǎng)版本音效上略有打折，不過歌曲所要傳遞的那份感情全在詞里了，在成長(zhǎng)的過程中人總會(huì)遇到幾個(gè)情緒低落的階段，面對(duì)現(xiàn)實(shí)的世界會(huì)覺得非常的力不從心，甚至想逃離現(xiàn)狀，如果當(dāng)你想到世界上還有更多像你這樣的人正在努力讓生活變得更好，也許這一切就并沒有你所想象的那么糟糕了！

    在我們學(xué)習(xí)MCU的過程中經(jīng)?？吹絀AP、ISP、JTAG等等一些與在線編程相關(guān)的專業(yè)名詞，可能很多小伙伴到現(xiàn)在都迷迷糊糊的，作者這里簡(jiǎn)單為大家介紹一下:

    ICP表示在電路編程，MCU內(nèi)部不需要有程序，直接上電就能夠進(jìn)行對(duì)程序存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行編程的方式，我們平時(shí)使用JTAG或者SWD等等就屬于這種方式。

    ISP表示在系統(tǒng)編程，通過MCU專用的串行編程接口進(jìn)行編程，那也就是說MCU需要具有運(yùn)行的外部條件，比如需要有晶振等等。比如說平時(shí)使用的stm32通過設(shè)置boot引腳設(shè)置對(duì)應(yīng)啟動(dòng)模式，然后通過串口等對(duì)內(nèi)部Flash進(jìn)行升級(jí)，可以說這種方式就是廠家在芯片內(nèi)部固化了一個(gè)BootLoader程序。

    IAP表示在應(yīng)用編程，這種名詞應(yīng)該是大家在平時(shí)學(xué)習(xí)過程中見得比較多的，相當(dāng)于自己定制一個(gè)BootLoader程序，自己通過編程設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)各種升級(jí)的方式比如串口、CAN、以太網(wǎng)等等，非常的靈活。其實(shí)這個(gè)BootLoader程序也是我們自己設(shè)計(jì)的程序，你也可以認(rèn)為是一個(gè)App程序，相當(dāng)于通過對(duì)App劃分職責(zé)對(duì)自己進(jìn)行更新和升級(jí)。這種方式也就是我們今天話題的主角。

    作者最早開始結(jié)實(shí)IAP這個(gè)概念還是在大學(xué)進(jìn)行飛思卡爾智能汽車比賽期間，了解的小伙伴應(yīng)該知道我們大部分時(shí)間都是在"燒車"-(也就是車子不行的在賽道上進(jìn)行測(cè)試)，特別是調(diào)試PID或者是發(fā)現(xiàn)識(shí)別算法的Bug以后，要么就是去拿車過來燒錄，要么就是拿著筆記本過去進(jìn)行燒錄，這樣有時(shí)候還真是體力活，后來無意間看來一篇技術(shù)報(bào)告談到了遠(yuǎn)程無線升級(jí)，當(dāng)時(shí)自己調(diào)參數(shù)也是用藍(lán)牙調(diào)試，便開始研究這個(gè)功能，折騰一段時(shí)間，因?yàn)樾枰獙?duì)芯片的啟動(dòng)過程等等進(jìn)一步的熟悉，不過后面確實(shí)挺方便的，基本上換了電池以后我就只需要坐著寫代碼升級(jí)即可。

    至于到了現(xiàn)在的實(shí)際工作過程中，這種升級(jí)功能的需求成了軟件設(shè)計(jì)的必備項(xiàng)目，那有小伙伴可能就會(huì)問了:我覺得用燒錄器燒錄挺快的呀，每次想要升級(jí)直接用燒錄盒燒錄不就行了嗎？好，那比如說現(xiàn)在你在深圳，客戶在北京，你還得每次還要跑到客戶現(xiàn)場(chǎng)去升級(jí)嗎?到了客戶現(xiàn)場(chǎng)難道你還要拆客戶的機(jī)器插上燒錄器嗎？實(shí)在是太麻煩了，還是選擇遠(yuǎn)程升級(jí)吧，同時(shí)IAP還會(huì)有更加嚴(yán)格的測(cè)試要求，比如燒錄過程中的斷電，斷網(wǎng)絡(luò)等等系統(tǒng)的動(dòng)作和后續(xù)修護(hù)問題都是要進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)的。

    對(duì)于我們的MCU現(xiàn)在大部分的都是使用Flash來存儲(chǔ)程序，同時(shí)程序內(nèi)部也會(huì)有讀寫Flash的接口函數(shù)，中斷也可以方便的重定位，這樣就非常適合IAP程序的開發(fā)。

    作者這里畫了一張現(xiàn)在目前比較普遍的升級(jí)軟件設(shè)計(jì)圖:

    解析一下:我們把MCU的Flash分區(qū)分為如上圖所示的三個(gè)部分，Bootloader就是我們所要編寫的啟動(dòng)程序，App程序?yàn)轫?xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用程序，Param區(qū)域是用于存儲(chǔ)相應(yīng)的版本App的版本信息以及完整性校驗(yàn)標(biāo)志序列等傳遞數(shù)據(jù)區(qū)域。

    工作方式1:當(dāng)MCU啟動(dòng)以后運(yùn)行Bootloader程序，檢測(cè)到Param參數(shù)區(qū)域是否存在App記錄，如果存在App直接運(yùn)行App程序即可，如果不存在，則向PC機(jī)請(qǐng)求App文件。

    工作方式2:當(dāng)MCU運(yùn)行App過程中，接收到PC機(jī)的升級(jí)請(qǐng)求，更新Param參數(shù)區(qū)域，并跳轉(zhuǎn)到BootLoader進(jìn)行App程序的接受和升級(jí)，升級(jí)完成以后處理Param參數(shù)區(qū)域并運(yùn)行對(duì)應(yīng)的新App程序。

    V1.0算是比較常規(guī)的應(yīng)用案例，我們都知道對(duì)MCU內(nèi)部Flash進(jìn)行編程一般會(huì)有解鎖、擦除、寫入和驗(yàn)證幾個(gè)階段，當(dāng)我們擦除原來MCU存儲(chǔ)的App程序以后如果手頭上沒有相關(guān)的固件，基本上就不能恢復(fù)了，這樣如果我們想退回到之前的版本不可能了！于是升級(jí)方案還需要在改善一下。

    為了解決V1.0提出的問題我們App分成了兩部分如下圖所示:

    解析一下:上面兩張圖的原理是一樣的，都是把接收到的新App保存起來(如果你用于備份老的App也是可以的)，圖1是通過把MCU內(nèi)部Flash進(jìn)行劃分，一部分用于存儲(chǔ)新App，另外一部分是原來運(yùn)行的App區(qū)域，這樣的話，當(dāng)我們通過bootloader接收完完整的新App進(jìn)行校驗(yàn)、解密處理以后便可以寫入到平時(shí)運(yùn)行的App區(qū)域，從而防止了V1.0在升級(jí)過程中掉電、通信異常導(dǎo)致擦除了App的問題。

    同時(shí)，我們也可以把上一版本App備份到我們預(yù)留的內(nèi)部Flash或者外部存儲(chǔ)設(shè)備中，如果想還原系統(tǒng)即可直接通過PC發(fā)送相應(yīng)命令進(jìn)行恢復(fù)即可。

    好了，又有小伙伴提出問題，大家都知道我們自己編寫的BootLoader是非常靈活的，可以支持多種通信協(xié)議的升級(jí)模式，不過在前期我們可能沒有考慮完善，后續(xù)想進(jìn)一步完善相應(yīng)功能就需要我們對(duì)Bootloader進(jìn)行升級(jí)，那么我們可以通過App對(duì)Bootloader進(jìn)行升級(jí)操作，一般這種方式就可以滿足需求，不過如果在升級(jí)BootLoader過程中發(fā)生故障，那Bootloader全部被擦除導(dǎo)致整個(gè)MCU變成了個(gè)磚頭。好吧，是時(shí)候上V3.0版本的IAP程序了。

    為了解決V2.0問題，作者設(shè)計(jì)了第三種升級(jí)方式:

    解析一下:在V2.0的基礎(chǔ)上我們?cè)黾恿薆ootloader2，對(duì)于Bootloader1相當(dāng)于固化在MCU中自定義的一種升級(jí)方式，而Bootloader2是可以根據(jù)我們啟動(dòng)升級(jí)需求進(jìn)行升級(jí)的區(qū)域，這樣即使在升級(jí)過程中擦除，我們也可以通過BootLoader1或者App2來進(jìn)行恢復(fù)Bootloader2。

    不過具體的實(shí)現(xiàn)過程會(huì)設(shè)計(jì)到較多的邏輯處理，大家在實(shí)現(xiàn)該方案的同時(shí)需要前期進(jìn)行軟件上的設(shè)計(jì)和梳理。

    對(duì)于IAP軟件方案作者就分享到這里，大家在選擇在線升級(jí)方案的同時(shí)需要結(jié)合自身項(xiàng)目的需求來考量，對(duì)于具體的實(shí)現(xiàn)過程還是有很多技術(shù)細(xì)節(jié)需要注意的，比如代碼的地址鏈接、中斷的重定位方案、軟件的加密等等，后續(xù)有時(shí)間再針對(duì)具體的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行分享。

    好了，這里是公眾號(hào):“最后一個(gè)bug”，一個(gè)為大家打造的技術(shù)知識(shí)提升基地。同時(shí)非常感謝各位小伙伴的支持，我們下期精彩見！

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