在物联网（IoT）和嵌入式系统领域，设备的远程升级能力变得越来越重要。它允许开发者在不直接物理接触设备的情况下，通过网络更新固件或软件，极大地提高了产品的可维护性和用户体验。本文将详细介绍如何在STM32微控制器上实现基本OTA升级，涵盖从环境搭建、协议选择、固件打包、传输及更新流程等关键环节。

一、环境搭建与工具选择

1. 硬件平台

• STM32开发板：本次采用的是STM32F103RCT6为主控的开发板，选好主控后需要了解主控的Flash
  • STM32F103RCT6的Flash为256KB，属于大容量产品，其Flash的一页大小为2K，共128页
  • stm32f1系列芯片参考：《stm32f10xxx 闪存编程参考手册》https://www.st.com.cn/resource/en/programming_manual/pm0075-stm32f10xxx-flash-memory-microcontrollers-stmicroelectronics.pdf

2. 软件与工具

• STM32CubeMX
• MDK

3. 功能说明

Bootloader程序：开机3s内发送升级文件，自动升级，也可以配合APP程序进行升级（在APP程序中需要写接收函数）

APP程序：使用Ymodem接收函数实时接收升级文件（如资源不够可以只使用Bootloader程序完成开机3s内升级）

二、基本概念原理

1. IAP编程

• STM32的IAP（In-Application Programming，在应用编程）编程原理主要涉及在微控制器（MCU）运行时，通过某种通信接口（如USB、USART等）对微控制器内部Flash存储器的部分区域进行编程或更新固件程序。

2. Flash存储器分区

为了实现IAP功能，通常需要将STM32的内部Flash存储器划分为多区域：

• Bootloader区：存放引导加载程序（Bootloader），这是程序执行的初始入口。Bootloader负责检测外部是否有固件更新请求，并在满足条件时执行固件更新操作。Bootloader程序一般出厂后固定下来，不轻易更改。
• User Application 1区：存放用户应用程序（User Application），这是设备的主要功能代码。当需要更新固件时，这部分代码会被Bootloader擦除并重新写入新的固件。
• User Application 2区：存放用户最新新的固件。
• 在本次使用的rct6内部Flash分配如下：
  • 
  • 因此在开发过程中需要准备3个程序：bootloader升级程序、APP1初始程序、需要更新的程序

3. Bootloader的工作流程

Bootloader的工作流程通常包括以下几个步骤：

• 上电启动：STM32上电后，首先从Flash的0x0800 0000地址开始执行Bootloader程序。
• 检测更新条件：Bootloader检查是否有固件更新的条件被触发，如特定按键被按下、串口接收到特定数据等，本次实验中通过检查flash特定区域的值来判断程序状态。
• 固件更新：如果检测到更新条件，Bootloader通过预留的通信接口接收新的固件数据，并将其写入APP1区。
• 跳转执行：固件更新完成后，Bootloader将程序指针跳转到APP1区的中断向量表，开始执行新的固件程序。

4. Ymodem 协议的操作流程

Ymodem 协议的基本操作流程可以分为以下几个步骤：

1. 传输初始化：由接收方发起，发送一个字符 'C'（ASCII 码为 0x43）作为传输开始的信号。发送方在收到该信号后，准备发送起始帧。
2. 起始帧发送：发送方发送起始帧，包含文件名、文件大小等信息。起始帧以 SOH（Start of Header，0x01）作为帧头，后跟包号（固定为 0）、包号反码、文件名、文件大小、填充区以及 CRC 校验值。
3. 数据帧发送：在接收方确认起始帧无误后，发送方开始发送数据帧。数据帧以 SOH 或 STX（Start of Text，0x02，表示 1024 字节数据块）作为帧头，后跟包号、包号反码、数据块和 CRC 校验值。
4. 接收确认：接收方在收到数据帧后，进行 CRC 校验。如果校验通过，则发送 ACK（Acknowledge）信号给发送方；如果校验失败，则发送 NAK 信号，要求重发当前数据块。
5. 结束帧发送：当所有数据块发送完毕后，发送方发送一个结束帧（EOT，End of Transmission，0x04）。接收方在第一次收到 EOT 时，以 NAK 应答进行二次确认。发送方在收到 NAK 后，重发 EOT，接收方第二次收到 EOT 时，以 ACK 应答，表示文件传输结束。

具体过程如下：

发送端----------------------------------------------------------------接收端

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< C

SOH 00 FF “foo.c” "1064’’ NUL[118] CRC CRC >>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< C

STX 01 FE data[1024] CRC CRC>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

STX 02 FD data[1024] CRC CRC>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

STX 03 FC data[1024] CRC CRC>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

STX 04 FB data[1024] CRC CRC>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

SOH 05 FA data[100] 1A[28] CRC CRC>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

EOT >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< NAK

EOT>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< C

SOH 00 FF NUL[128] CRC CRC >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< ACK

命令	命令码	备注
YMODEM_SOH	0x01	133字节长度帧头
YMODEM_STX	0x02	1024字节长度帧头
YMODEM_EOT	0x04	文件传输结束命令
YMODEM_ACK	0x06	接受正确应答命令
YMODEM_NAK	0x15	重传当前数据包请求命令
YMODEM_CAN	0x18	取消传输命令，连续发送5个该命令
YMODEM_C	0x43	字符C

三、代码编写

在实现过程中我们共用到3个程序，BootLoader程序、APP1（初始程序）、APP2（更新程序）

• 执行BootLoader程序，判断是否有新文件接收，如果有接收文件；判断APP2区域的状态，是否有更新程序，如果有就将App2区(备份区)的程序拷贝到App1区, 然后再跳转去执行App1的程序.
• 执行App1程序, 因为BootLoader和App1这两个程序的向量表不一样, 所以跳转到App1之后第一步是先去更改程序的向量表. 然后再去执行其他的应用程序.
• 在应用程序里面会加入程序升级的部分, 这部分主要工作是拿到升级程序, 然后将他们放到App2区(备份区), 以便下次启动的时候通过BootLoader更新App1的程序. 流程图如下图所示:

1. BootLoader的编写

将APP2区的最后一个字(0x80018FFC)用来表示APP2区是否需要升级的状态,

• • 0xFFFFFFFF 表示没有需要升级的程序，STM32在擦除之后Flash的数据存放是0xFFFFFFFF
  • 0xAAAAAAAA 表示有需要更新的程序

流程图如下：

/*串口2接收升级文件采用DMA+空闲中断接收*/
/*串口1打印文件信息*/
/*主函数部分*/
void Board_Run(void)
{
/*Ymodem recv updata--start*/
	if(Get_state()==TO_START)
	{
		send_command(&huart2,CCC);
		HAL_Delay(1000);
		times++;
	}
	/*usart2--接收*/
	if(g_USART2_Recv_Flag)
	{
		g_USART2_Recv_Flag=0;
		/* USER CODE BEGIN 解析数据 内容:g_USART2_Recv_Data_BAK,长度:g_usart2_recv_len*/
		printf("> UPLoad APP ......\r\n");
		ymodem_fun(&huart2,g_USART2_Recv_Data_BAK,g_usart2_recv_len);
		/* USER CODE END */
	}
/*Ymodem recv updata--end*/	
	
/* jump to app*/
	
	printf("> Wait %d s ......\r\n",times);	
	
	if(times == 3)//等待3s
	{
		times = 0;
		Start_BootLoader();
	}	
}

/*部分函数*/
void Start_BootLoader(void)
{
	/*==========打印消息==========*/  
	printf("> Read startup mode......\r\n");	
	switch(Read_Start_Mode())										//读取是否启动应用程序
	{
		case Startup_Normol:										//正常启动
		{
			printf("> Normal start......\r\n");
			Jump_APP_Flag = 1;
			Wait_NewFile_Flag = 0;
			break;
		}
		case Startup_Update:										//升级再启动
		{
			printf("> Start update......\r\n");		
			MoveCode(Application_2_Addr, Application_1_Addr, Application_Size);
			Jump_APP_Flag = 1;
			Wait_NewFile_Flag = 0;
			printf("> Update down......\r\n");
			break;
		}
		default:													//启动失败
		{
			printf("> Error:%X!!!......\r\n", Read_Start_Mode());
			return;			
		}
	}
	
	/* 跳转到应用程序 */
	printf("> Start up......\r\n\r\n");	
	IAP_ExecuteApp(Application_1_Addr);
}

2. APP程序Ymodem接收升级文件

2.1. 修改中断向量

由于APP代码运行的起始位置不在0x08000000，其栈顶地址发生偏移，对应的中断向量表地址也整体发生偏移，因此，需要对APP代码的中断向量表偏移进行设置

SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x00005000UL;/* 更改中断向量表地址,此文中APP1的起始地址为0x800 5000 */

2.2. Ymodem接收函数

/*YModem升级需要结合串口2接收一起使用*/
/**
 * @bieaf YModem升级
 *
 * @param none
 * @return none
 */
void ymodem_fun(UART_HandleTypeDef *huart,uint8_t* data,int len)
{	
	switch(data[0])
	{
		case SOH:///<数据包开始
		{
			static unsigned char data_state = 0;
			static unsigned int app2_size = 0;
			if(Check_CRC(data, len)==1)///< 通过CRC16校验
			{					
				if((Get_state()==TO_START)&&(data[1] == 0x00)&&(data[2] == (unsigned char)(~data[1])))///< 开始
				{
					printf("> Receive start...\r\n");

					Set_state(TO_RECEIVE_DATA);
					data_state = 0x01;						
					send_command(huart,ACK);
					send_command(huart,CCC);

					/* 擦除App2 */							
					Erase_page(Application_2_Addr, 40);
				}
				else if((Get_state()==TO_RECEIVE_END)&&(data[1] == 0x00)&&(data[2] == (unsigned char)(~data[1])))///< 结束
				{
					printf("> Receive end...\r\n");

					Set_Update_Down();						
					Set_state(TO_START);
					send_command(huart,ACK);
					HAL_NVIC_SystemReset();
				}					
				else if((Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)&&(data[1] == data_state)&&(data[2] == (unsigned char)(~data[1])))///< 接收数据
				{
					printf("> Receive data bag:%d byte\r\n",data_state * 128);
					
					/* 烧录程序 */
					WriteFlash((Application_2_Addr + (data_state-1) * 128), (uint32_t *)(&data[3]), 32);
					data_state++;
					
					send_command(huart,ACK);		
				}
			}
			else
			{
				printf("> Notpass crc\r\n");
			}
			
		}break;
		case EOT://数据包开始
		{
			if(Get_state()==TO_RECEIVE_DATA)
			{
				printf("> Receive EOT1...\r\n");
				
				Set_state(TO_RECEIVE_EOT2);					
				send_command(huart,NACK);
			}
			else if(Get_state()==TO_RECEIVE_EOT2)
			{
				printf("> Receive EOT2...\r\n");
				
				Set_state(TO_RECEIVE_END);					
				send_command(huart,ACK);
				send_command(huart,CCC);
			}
			else
			{
				printf("> Receive EOT, But error...\r\n");
			}
		}break;	
	}
}

四、下载与升级

1. BootLoader的下载

• BootLoader不需要特别设置代码的下载位置
• 按照下图, 修改擦除方式为Erase Sectors, 空间大小为0X5000(20K)
• 
• 下载成功后串口1会输出相关过程信息

2. APP程序下载

• 根据FLASH分区，APP代码存放在紧挨着BootLoader之后，因此APP的起始位置应该为0x08000000+0x5000 = 0x08005000，
• 占用内存大小为0xA000(40kB)，在MDK中打开options for target，设置IROM1 Start = 0x08005000，Size = 0xA000，在Flash Download中设置下载Flash位置，参数与IROM1中设置的Start和Size相同

3. 生成更新bin文件

需要更新的程序是需要bin文件进行传输下载，利用MDK可以生成，在user选项卡中填写生成命令：

$K\ARM\ARMCC\bin\fromelf.exe --bin --output=Bin\@L.bin !L

4. 传输升级文件

通过Ymodem协议传输bin文件的上位机软件有很多，本次选用的是Xshell进行传输，

• 新建会话，连接串口
• 右键传输选择Ymodem发送
• 连接成功后，会看到Ymodem协议出发的"C"，右键传输选择Ymodem发送，选择刚刚生成的bin文件
• 升级完成后串口打印升级后程序信息

五、源码地址：

https://download.csdn.net/download/LJ_96/89770628