详解蓝牙空中升级(BLE OTA)原理与步骤 (3)

如果按键没有按下,GPREGRET1不为0xB1,本次复位不是上次DFU的继续,并且应用程序校验通过,那么BootLoader就会直接跳到application,去执行application应用程序。那怎么去校验应用程序的有效性呢?为此BootLoader引入了一个放在Flash的结构体参数:m_dfu_settings_buffer(数据类型:nrf_dfu_settings_t),这个结构体参数虽然只有896字节,但由于Flash只能按页擦除,所以这个参数实际占用了一个Flash page,这个page称为settings page,settings page放在Flash的最后一个页面,settings page目前有2个版本:版本1(SDK15.2及以前版本)和版本2(SDK15.3及以后版本),版本2可以兼容版本1,前面所述的896字节是指settings page版本2的大小。Settings page包含的信息比较多,大家用得比较多的是:

各种版本信息

DFU升级过程信息

Application image的CRC值和大小

应用程序的bonding信息

Init command内容

application/softdevice的启动校验信息(版本2才有)

版本1的settings page只校验application image的CRC值,如果CRC匹配,则认为application有效。版本2的settings page不仅可以校验application image的CRC值,还可以校验application/softdevice的CRC值或者hash值或者签名,你可以选择你自己想要的校验方式,只有CRC值或者hash值或者签名校验通过(三选其一),应用程序才算有效,这时BootLoader才会跳到application去执行。为了保证settings page在发生意外时,比如写settings page过程中发生了复位或者掉电,系统也能正确恢复,SDK15及以后版本引入了一个backup page,backup page也占用一个Flash page,内容和settings page一模一样。

上面是没有触发升级的情况下nRF52的正常启动流程,那如果要执行DFU升级,流程又是怎么样的呢?下面详细讲一下无按键式BLE OTA的工作流程。

1)      正常启动后,系统运行在应用程序中,此时手机通过app发送一条开始DFU的指令给设备,设备收到指令后,将GPREGRET1赋值0xB1,并触发软复位

2)      复位后,系统再次进入BootLoader,因为GPREGRET1等于0xB1,BootLoader进入DFU模式,等待新固件接收

3)      手机先将init packet发送给设备,设备先做前期检验prevalidation,主要是各种版本校验以及签名验签,校验通过后,更新settings  page并准备开始数据接收

4)      接收新固件。每接收4kB数据,回复一次CRC校验值,直至整个新固件image接收完毕,如果新固件校验通过(版本1校验CRC值,版本2校验hash值),就会去invalidate(无效化) bank0里面的老固件,更新settings page,并再次触发软复位

5)      BootLoader启动后发现有新固件需要activate(激活),此时会去擦掉bank0里面的固件,并把bank1里面的固件拷贝到bank0,然后更新settings page,并再次触发软复位。注:上面讲的是dual bank的流程,single bank与之相似,只不过在第3)步的时候就会去擦除老固件

6)      BootLoader再次启动后,检查新image的有效性,校验通过后,跳到新的application去执行代码

从上面流程可以看出,DFU过程中,系统需要跑两段完全独立的代码:Application和BootLoader,Application和BootLoader都支持蓝牙功能,也就是说,两者都有自己的蓝牙广播和蓝牙连接。这里面有一个问题:当系统从Application跳到BootLoader后,手机怎么辨别两者为同一个设备?很多人会说,可以让BootLoader和Application两者的广播名字一样,根据广播名字的一致性,来判断二者来自同一个设备。这种方法存在两个问题:一大部分手机都支持GATT cache(缓存)功能,当application跟手机相连后,手机会把application的GATT数据缓存下来以加快下次连接的速度(这个现象在苹果手机最明显),之后如果系统跳到BootLoader,然后再跟手机相连,如果两者的蓝牙设备地址一样,手机会认为是同一个设备,从而跳过服务发现的过程而直接使用之前缓存下来的GATT数据,这样会导致BootLoader的服务无法被手机发现,从而出现升级失败。二如果多个设备同时在升级,而我们仅仅依靠广播名字来决定两者属不属于同一个设备,这会导致设备A application有可能跟设备B的BootLoader进行错配。为了解决这个问题,Nordic提出了两套方案。方案一,假设application的蓝牙设备地址为x,跳到BootLoader后蓝牙设备地址会变成x+1,这样手机就可以通过这种地址+1的方式来辨别两者属不属于同一个设备,由于application和BootLoader使用不同的蓝牙设备地址,前面的GATT缓存问题也就不存在。关于方案一,有一个问题需要特别注意:如果你想修改例子默认的蓝牙设备地址(比如使用IEEE的public蓝牙MAC地址),此时一定要记得同时更改application和BootLoader的蓝牙设备地址,使他们满足+1的条件,否则Nordic手机DFU库无法辨别两者是否属于同一个设备,以致于无法完成OTA过程。方案二,application和BootLoader的蓝牙设备地址一模一样,但设备跟手机执行配对和bonding操作,设备跟手机bonding后,就可以支持service changed indicate操作,这样跳到BootLoader后可以让手机主动再执行一次服务发现过程,从而解决GATT缓存问题。

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