STC8A8K64S4A12單片機bootloader加載片外flash在線升級程序

ID:351097 · 發(fā)表于 2020-1-26 16:52

之前的發(fā)的帖子提到了基于STC8A8K64S4A12單片機的bootloader實現(xiàn)程序的更新，并且測試可以正常跳轉(zhuǎn)運行。今天這篇帖子會詳細介紹片外型的bootloader實現(xiàn)程序在線升級，在介紹之前，我先介紹自己了解的市面上主流產(chǎn)品bootloader升級方式。
根據(jù)是否主動升級，可以分為主動升級和被動升級主動。升級就是單片機自己能同時主動獲取和更新內(nèi)部flash的程序。另外一種升級方式就是被動升級，一般借助燒錄器燒錄程序都屬于被動升級的方式。主動升級的架構(gòu)一般由引導程序（bootloader）和用戶程序（app）組成，bootloader主要起到升級程序引導和切換的作用，app是程序升級的對象。后面的內(nèi)容討論的是都是主動升級方式。
根據(jù)是否外掛flash，可以分為片上型（onchip）和片外型（offchip）兩種。片上型，單片機沒有外掛flash，程序升級全部依靠單片機內(nèi)部存儲。比較典型的是CC2541的OTA（空中升級），CC2541將內(nèi)部存儲分成BIM、Image A和Image B。其中BIM是引導程序，Image A和Image B是用戶應用程序。當執(zhí)行在Image A時，可以升級Image B程序，完成后重啟，讓BIM選擇切換運行Image B程序，反之亦然。這種方式有優(yōu)點，亦有缺點，優(yōu)點就是OTA過程中如果失敗，不怕程序奔潰，頂多不切換就行，缺點就是兩個功能類似的用戶程序占用更多存儲空間。片外型，單片機有外掛flash，程序升級時單片機的用戶程序先將升級數(shù)據(jù)寫入到外部flash中，完成后重啟，重啟后bootloader會將外部flash的升級數(shù)據(jù)讀出，然后寫入到內(nèi)部flash，完成后，切換到升級后的用戶程序。比較典型的是CC2640R2F的OTA-Offchip。這種方式的優(yōu)點是將外部flash作為升級程序數(shù)據(jù)緩存，無需占用內(nèi)部flash，用戶程序存儲空間利用率高，缺點就是需要增加一片flash的成本。

  根據(jù)傳輸媒介，可以分為無線升級和有線升級。無線升級，一般常見SOC方案如：BLE（低功耗藍牙）、ZigBee、sub-1G、wifi和自定義2.4G等，這些應用可以利用無線傳輸升級數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)程序升級。比如CC2541的OTA升級，由于CC2541內(nèi)置2.4G射頻端口，Image A和Image B這兩個程序都有藍牙協(xié)議棧，利用協(xié)議棧，可以輕松調(diào)制輸出BLE信號，也可以接收解析BLE信號。手機連接CC2541后，升級文件通過藍牙發(fā)送給CC2541，CC2541邊接收數(shù)據(jù)包，邊擦寫內(nèi)部flash，直到完成擦寫。有線升級，主要利用串口、SPI、燒錄器和外部flash等來傳輸升級程序。
  接下來，我介紹一下本次STC8A8K64S4A12單片機采用片外型來在線升級程序功能實現(xiàn)。
  首先是空間分配問題，STC8A8K64S4A12單片機的程序存儲空間ROM有64K，ROM的擦除是按照512字節(jié)/扇區(qū)，所以存儲空間分配要按照512字節(jié)的整數(shù)倍。我將前面3K存儲空間（0x0000-0x0BFF）分配給BIM程序區(qū)來作為bootloader，剩下61K存儲空間（0x0C00-0xFFFF）分配給IMAGE程序區(qū)。開發(fā)板的外部flash型號是W25X16CL，存儲空間為2M。由于flash的擦除是按照4K/扇區(qū)，所以存儲空間分配要按照4K的整數(shù)倍。我將前面的4K存儲空間作為IMAGE文件信息區(qū)，將接下來的64K存儲空間作為IMAGE文件數(shù)據(jù)區(qū)。

  處理好空間分配問題，接下來就是BIM工程和IMAGE工程的功能實現(xiàn)了。BIM工程比較簡單，只要上電后讀取W25X16CL的IMAGE文件信息查看否更新標志。如果有更新標志，則加載W25X16CL的IMAGE文件數(shù)據(jù)到IMAGE程序區(qū)中，完成后，擦除W25X16CL的數(shù)據(jù)，再跳轉(zhuǎn)到IMAGE程序區(qū)。如果沒有更新標志，則直接跳轉(zhuǎn)到IMAGE程序區(qū)。IMAGE工程就相對復雜點，其中比較麻煩的是如何將IMAGE文件加載到W25X16CL中。這里采用了開源的Fatfs32文件系統(tǒng)，再掛載SD卡，這樣就能方便地保存和讀取IMAGE文件了。保存在SD卡的是IMAGE.bin文件，這種格式不帶地址等信息，占用空間小。升級時，單片機將SD中的IMAGE.bin文件加載到W25X16CL中，完成后，STC8A8K64S4A12單片機軟復位，BIM程序區(qū)的bootloader會加載W25X16CL的IMAGE文件數(shù)據(jù)到內(nèi)部flash中。
  另外一個需要解決的問題是hex文件合并的問題。BIM工程和IMAGE工程是兩個不同的獨立工程，編譯后可以產(chǎn)生對應的hex文件，正常工作的條件是將同時燒錄兩個工程對應的hex文件。由于STC-ISP不支持兩次燒錄來合并hex文件，所以需要先將hex文件合并成一個BIM+IMAGE.hex文件，然后再用STC-ISP燒錄到STC8A8K64S4A12單片機中。這里我采用python的intelhex庫里面的hexmerge.py，再用pyinstaller將hexmerge.py打包成hexmerge.exe執(zhí)行文件，這樣就算沒有安裝python環(huán)境也可以運行。在IAR的配置里面的post-build command line填寫調(diào)用hexmerge.exe的命令語句，IAR在程序編譯后會調(diào)用hexmerge.exe，合并產(chǎn)生BIM+IMAGE.hex文件。一般BIM程序編譯完就不管它了，改動都是IMAGE程序。調(diào)試時，將BIM+IMAGE.hex燒錄到STC8A8K64S4A12單片機運行即可。
  下面是自己測試的BIM工程圖片

下面是自己測試IMAGE工程（image 1）

下面是自己測試IMAGE工程（image 2）

下面是編譯生成文件

其中，BIM+IMAGE.hex是燒錄到STC8A8K64S4A12單片機中的，每次調(diào)試都是燒錄這個文件。IMAGE.bin是升級文件，需要將IMAGE.bin拷貝到SD卡中，STC8A8K64S4A12單片機會從SD加載升級文件實現(xiàn)升級。
下面是測試打印的結(jié)果

  在SD卡里面存放2個軟件版本的升級文件（image1.bin和image2.bin），打印測試顯示可以正常來回切換升級程序。
  可以看到，只要往W25X16CL寫入升級文件和文件信息，就可以實現(xiàn)升級。如果不用SD卡，也可以通過其他方式獲取升級文件，比如用NRF24L01模塊接收升級文件，再將升級文件加載到W25X16CL，這樣也算是無線升級了。也可以連接電腦串口，接收串口的升級文件，再將升級文件加載到W25X16CL。方法多樣，具體選擇哪種，要按照實際情況選擇。
  下面是實物照片

附件是BIM工程和IMAGE工程，有興趣的話，可以下載查看。

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