单片机通过 UART 实现 OTA 升级的详细流程

OTA升级已经不是什么新鲜事，现在大多数物联网终端设备，基本具备这个功能。

今天以 AT32 为例给大家分享一下 OTA 升级的详细流程。 

概述

空中下载技术 OTA（Over-the-Air Technology）是用户自己的程序在运行过程中对 User Flash 的部分区域进行烧写，目的是为了在产品发布后可以方便地通过预留的通信口，对产品中的固件程序进行更新升级。

通常实现 OTA 功能时，即用户程序运行中作自身的更新操作，需要在设计固件程序时编写两个项目代码，第一个项目程序为 Bootloader 区域，第二个项目程序 App 代码为真正的功能代码，执行应用和升级。这两部分项目代码同时烧录在 User Flash 中。

图1. OTA代码执行流程

在上图所示流程中，MCU复位后，从 0x08000004 地址取出复位中断向量的地址，并跳转到复位中断服务程序，在运行完复位中断服务程序之后跳转到 Bootloader 的 main函数，如图标号①所示；

在执行完 Bootloader 以后（App 代码为图中 FLASH 灰底部分 App 程序的复位中断向量起始地址为 0x08000004+N+M），跳转至 App 程序的复位向量表，取出 App 程序的复位中断向量的地址，并跳转执行 App 程序的复位中断服务程序，随后跳转至 App 程序的main函数，如图标号②和③所示，同样 main 函数为一个死循环，并且注意到此时 AT32 的 FLASH，在不同位置上，共有两个中断向量表。

在 main 函数执行过程中，如果 CPU 得到一个中断请求，PC 指针仍强制跳转到地址0x08000004 中断向量表处，而不是 App 程序的中断向量表，如图标号④所示；

程序再根据我们设置的中断向量表偏移量，跳转到对应中断源的中断服务程序中，如图标号⑤所示；

在执行完中断服务程序后，程序返回 main 函数继续运行，如图标号⑥所示。

通过以上两个过程的分析，我们知道OTA程序必须满足两个要求：

1) App 程序必须在 Bootloader 程序之后的某个偏移量为 x 的地址开始。

2) 必须将 App 程序的中断向量表进行相应的移动，移动的偏移量为 x。

AT32 USART OTA 快速使用方法

硬件资源

文档中是用 AT-START-AT32F403A 实验板的硬件条件为例，OTA demo 源代码还包括AT32 其他型号，用户只需编译对应型号工程烧录于 AT-START 实验板运行即可。

1. 指示灯 LED2/LED3/LED4
2. USART1（PA9/PA10）
3. AT-START 实验板

软件资源

1) tool_release

• IAP_Programmer.exe，PC 机 tool，用于演示 OTA 升级流程

2) source_code

• Bootloader，Bootloader 源程序，运行 LED2 闪烁
• App_led3_toggle，App1 源程序，运行 LED3 闪烁
• App_led4_toggle，App2 源程序，运行 LED4 闪烁

注：工程基于keil v5建立，若用户需要在其他编译环境上使用，请参考对应 BSP 目录AT32F403A_407_Firmware_Library_V2.x.x\project\at_start_f403a\templates中各种编译环境（例如IAR6/7/8,keil 4/5,eclipse_gcc）进行对应修改即可。 

OTA Demo 使用

本文档描述了两种常用的 OTA 应用 demo，template app 和 dual app，后面章节会分别介绍。

1) 打开 Bootloader 工程源程序，选择对应 MCU 型号的 target 编译后下载到实验板

2) 打开 IAP_Programmer.exe

3) 选择正确的串口、APP下载地址和 bin 文档，点击 Download 下载，如下图

4) 观察 LED2/3/4 闪烁，LED2 闪烁-Bootloader 工作，LED3 闪烁-App1 工作，LED4 闪烁-App2 工作

图2. IAP demo上位机

Template app OTA 程序设置

地址分布

图3. Flash地址分配

注：Bootloader区域最后一个扇区，用于存放防止升级过程出错（掉电等异常情况）的flag，用户编译修改Bootloader时，要保证不覆盖flag的地址。

执行流程

OTA 分为 Bootloader、App 和 Template 三部分，应用在 App 中执行，Template 仅作为新 App 固件数据的临时存放空间。程序执行整体流程框图如下：

图4. 程序执行流程

Bootloader project 设置

1）Keil 设置

图5. Bootloader project中address 1在Keil设置

2) Bootloader 源程序修改 ota.h 文件中

图6. Bootloader project中address 2在程序中设置

App project 设置

OTA demo 提供了 2 个 App 程序供测试用，皆以 address 2（0x800 4000）为起始地址。App1 LED3 闪烁，App2 LED4 闪烁。以 App1 为例，设计步骤如下：

1) Keil工程设置

图7. App project中address 2在Keil设置

2) App1 源程序设置

图8. App project向量表偏移在程序中设置

3) 编译生成bin文件

通过 User 选项卡，设置编译后调用 fromelf.exe，根据 .axf 文件生成 .bin 文件，用于 OTA 更新。通过以上3个步骤，我们就可以得到一个 .bin 的 APP 程序，通过 Bootloader 程序即可实现更新。

4) 开启debug app code功能

如果在设计 App code 过程中需要对 App project 进行单独调试，请按照以下操作。

• 先下载 Bootloader 工程

• 再调试 App 工程

Dual app OTA 与程序设置

地址分布

图9. Flash地址分配

注：Bootloader 区域最后2个扇区，用于存放 App 是否正常的 flag，用户编译修改Bootloader 时，要保证不覆盖 flag 的地址。 

执行流程

OTA 分为 Bootloader、App1 和 App2 三部分，应用在 App1 或 App2 中执行。程序执行整体流程框图如下：

图10. 程序执行流程

Bootloader project 设置

1）Keil 设置

图11. Bootloader project中address 1在Keil设置

2）Bootloader 源程序修改 ota.h 文件中

图12. Bootloader project中address 2在程序中设置

App project 设置

OTA demo 提供了 2 个 App 程序供测试用，app_led3_toggle 以 0x800 4000 为起始地址，app_led4_toggle 以 0x8080000 为起始地址。App1 LED3 闪烁，App2 LED4闪烁。以 App1 为例，设计步骤如下：

1) Keil工程设置

图13. App project中address 2在Keil设置

2) App1源程序设置

图14. App project向量表偏移在程序中设置

3) 编译生成bin文件

通过User选项卡，设置编译后调用fromelf.exe，根据.axf文件生成.bin文件，用于OTA更新。通过以上3个步骤，我们就可以得到一个.bin的APP程序，通过Bootloader程序即可实现更新。

4) 开启debug App code功能

如果在设计App code过程中需要对App project进行单独调试，请按照以下操作。

• 先下载Bootloader工程
• 再调试App工程

Bootloader/App与上位机串口通信协议

程序与上位机通信，接收固件升级数据，上位机端和嵌入式端通信协议如下：

1) 上位机通信协议

图15. 上位机通信协议

2) 嵌入式端下位机通信协议

图16. 下位机通信协议

注：

ACK：0xCCDD

NACK：0xEEFF

Data：0x31+Addr+数据+chenksum（1byte）

Addr：4bytes，高位在前

2Kbytes，下载数据，不足2K内容填充0xFF

Checksum：1byte，4bytes的Addr+2KBytes数据的校验和的低八位