详解蓝牙空中升级(BLE OTA)原理与步骤 (2)

如文章“nRF5 SDK软件架构及softdevice工作原理”所述,Nordic nRF5 SDK软件架构跟其他家有点不一样,程序存储区最开始部分放得不是Bootloader,而是蓝牙协议栈Softdevice,应用程序则紧挨着Softdevice,Bootloader则被nRF5 SDK放在程序存储区的最上面,整个存储区结构图如下所示。如果用户还有Flash数据需要存放,那么这些数据紧挨着BootLoader下面。

详解蓝牙空中升级(BLE OTA)原理与步骤

 

目前Nordic SDK默认只提供非后台式DFU开箱即用的例子(SDK16.0开始也支持后台式DFU框架),即系统必须先跳到BootLoader中,然后才能通过BLE/UART/USB去接收新的固件。如上所示,如果采用双区模式DFU,那么Bank0放的是应用程序,即老固件,Bank1放的是新固件。平时,Bank1为空或者忽略,系统只跑Bank0里面的应用程序;升级的时候,先跳到BootLoader,然后接收新固件并把它放在Bank1中,最后把Bank1里面的固件拷贝到Bank0中。如果采用单区模式,则没有Bank1这个区。平时,系统只跑Bank0里面的代码;升级的时候,跳到BootLoader,先擦除Bank0里面的老程序,并把新固件直接放在Bank0中。

根据升级时如何跳转到Bootloader,Nordic SDK又将DFU分为按键式DFU和非按键式(Buttonless)DFU,所谓按键式DFU,就是上电时长按某个按键以进入bootloader模式,而非按键式DFU,就是整个DFU过程中设备端无任何人工干预,通过BLE/UART/USB接口给应用程序发送一条指令,应用程序收到指令后再自动跳入bootloader模式。不管是按键式DFU还是非按键式DFU,两者只是进入BootLoader的方式不一样,其余基本一样,尤其是BootLoader工作过程基本上是一模一样的。后面只会阐述非按键式DFU的过程,按键式DFU以此类似,就不再赘述。

程序跳到BootLoader后,根据BootLoader需不需要对新固件进行验签,Nordic SDK又把DFU分为开放式DFU和安全式DFU(又称签名DFU)。开放式DFU,BootLoader不做任何验证,直接把新固件接收下来。安全式DFU,BootLoader存有一把公钥,BootLoader会先用这把公钥验证新固件的签名,只有验签通过,才允许后续的工作:比如把新固件接收下来;如果验签失败,BootLoader将拒绝升级,重新跳回应用程序。

BootLoader可以通过不同的通信接口来接收新的固件,目前Nordic SDK支持BLE,UART和USB三种接口,所以大家可以在Nordic SDK中看到如下三种工程目录:

详解蓝牙空中升级(BLE OTA)原理与步骤

其中pca0056表示nRF52840对应的开发板编号,S140对应Softdevice的型号,然后ble有两个目录:无debug和有debug,uart和usb也包含同样的两个目录。有debug和无debug两者功能是一样的,两者的区别是:debug版本BootLoader支持日志打印(大家可以通过打印出的日志去理解BootLoader的工作过程),并可以忽略各种校验,debug版本占据的代码空间要大很多;无debug版本 BootLoader不支持日志打印功能并且版本和有效性校验是强制的。正式量产的时候推荐使用无debug版本以节省代码空间。这里要强调一下,不管是debug版本还是无debug版本,两者都可以用Keil进行单步和断点调试

BLE,UART和USB只是通信方式不一样,他们遵守的DFU流程是一模一样的,这里会以BLE通信接口为例,详细阐述DFU过程,UART和USB与之类似,就不再赘述。

讲述DFU升级之前,先讲一下nRF52的启动流程,上电后,系统先执行softdevice,softdevice通过读取UICR一个寄存器的值,来判断目前系统是否有BootLoader,如果没有BootLoader,系统直接跳到application;如果有BootLoader,系统先跳到BootLoader,BootLoader再根据目前的情况来决定是进入升级模式还是跳往application,BootLoader主要判断如下几种情况:

按键是否按下

保持寄存器GPREGRET1是否为0xB1

上次DFU过程是否还在进行中

应用程序校验是否通过

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