彻底解决单片机BootLoader升级程序失败问题

🕗 发布于 2024-11-10 07:19 单片机 bootloader

文章目录

MicroBoot 是一个由模块化代码组成的框架，旨在简化和加速嵌入式单片机程序的升级和开发过程。

1、引言

那些让人崩溃的BootLoader升级灾难

你有没有为写BootLoader无从下手发愁过？

你有没有为出厂的产品还需要开盖刷程序苦恼过？

你有没有为程序升级失败，产品变成“砖头”而抓耳挠腮过？

你有没有为升级完成后设备神秘失联而怀疑人生过？

你有没有因为固件升级Bug被老板当众灵魂拷问：“为啥烧进去就起不来了？”

灾难 1：升级一半突然断电

设备断电的瞬间，你的内心崩溃了：“完了，这次开机肯定黑屏。”客户还得拆机刷程序，一切从头再来。

灾难 2：传输到99%时卡死

传输固件时，进度条到99%停住不动——仿佛在嘲讽你：“嘿，看起来你离胜利只差一步哦。”偏偏这时客户来电：“还没好？”你只能干笑：“再给我两分钟……”

灾难 3：现场升级，接线找不到

客户现场的设备密不透风，调试接口深藏不露，调试工程师硬是趴在设备底下捣鼓半天：“线呢？我明明记得它在这儿啊……”

灾难 4：升级完成后设备变“失联王”

终于把固件刷进去，一键重启后，设备再也不响应了。就像刚被你送进冥王星：你呼唤它一万遍，它还是一言不发。

灾难 5：老板的灵魂拷问

你费尽心力搞定一版程序，上线后设备却不停死机。复盘会上，老板一句：“为什么烧进去就起不来了？”让你顿时哑口无言。

2、MicroBoot：优雅的解决升级问题

MicroBoot就是为了解决这些灾难而生的，它是我开发的BootLoader框架，专为嵌入式单片机设备的升级而优化。从断电保护到断点续传，从校验机制到高效通信，它全面提升了升级过程的可靠性，让固件升级变得轻松愉快。

问题1：bootloader 在跳转到app前没有清理干净存在的痕迹

问题描述： 固件更新完毕后从 bootloader 跳转至 APP 前需对所用的外设 deinit ，以使外设恢复至上电时的初始状态。但是当使用复杂的外设收取固件包时， deinit 也将变得复杂，甚至很难排除对 APP 的影响。因此最佳的方法是升级完固件进行软复位，再次进入bootloader在程序运行之前，先通过判断标志的方式，来直接跳转到app，这样就相当于给APP提供了一个干净的外设环境。

程序复位执行流程如下图所示：

请添加图片描述

常见方法及其局限性

传统的设置标志位以实现复位后保留状态的方法通常有以下两种：

备份寄存器 ：利用芯片中的不受软件复位影响的可供用户使用的寄存器 (如 STM32 中的备份寄存器)；
这种方法需要额外的设置，并且因单片机型号而异，增加了跨平台兼容的难度。

No-Init 数据段：将标志位放在特殊的内存段（例如.bss.noinit），使其在复位后避免被重新初始化。
这种方法需要修改链接文件（分散加载文件），对不熟悉链接文件的开发者来说操作难度较高。

这两种方法都存在一定的局限性：设置复杂，且在断电情况下标志可能丢失。

解决方案：

MicroBoot采用了一种更优雅的“Magic Flag”方案。该方案在APP分配的FLASH空间末端设置三个标志（Magic1、Magic2、Magic3），总共占用192字节，每个标志占64字节，并根据固件升级的阶段来设置相应的标志。

描述	Magic1 （64字节）	Magic2 （64字节）	Magic3 （64字节）
enter_bootloader	0XFFFFFFFF	0XFFFFFFFF	0x00000000
begin_download	0XFFFFFFFF	0x00000000	0XFFFFFFFF
finalize_download	0x00000000	0x00000000	0XFFFFFFFF

Magic Flag在FLASH中的位置，以及变化过程如下图所示：

请添加图片描述

标志的使用阶段

阶段1：进入Bootloader（enter_bootloader）

对于全片擦除过的单片机，此时Magic1和Magic2的值为0xFFFFFFFF，表示还未开始下载过程，Magic3被设置为0x00000000，表明这是一个等待升级程序的状态。

void enter_bootloader(void)
{
    uint32_t wData = 0;
    target_flash_write((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - 64), (const uint8_t *)&wData, sizeof(wData));
}

阶段2：开始下载（begin_download）

当固件下载开始时，MicroBoot会首先对Magic所在的扇区擦除，然后将Magic2的值设置为0x00000000。
此时，Magic1为0xFFFFFFFF，Magic3也保持为0xFFFFFFFF，这些状态便于系统在出现断电时判断下载是否已部分完成，从而支持断电续传。

void begin_download(void)
{
    memset(chBootMagic, 0, sizeof(chBootMagic));
    target_flash_erase(APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (192), 3*MARK_SIZE);
    target_flash_write((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (128)), chBootMagic[1], MARK_SIZE);
}

阶段3：完成下载（finalize_download）

当固件下载完成且数据写入成功后，MicroBoot会将Magic1的值设置为0x00000000，标志着下载过程已顺利完成。
此时，Magic2的值仍为0x00000000，而Magic3的值保持为0xFFFFFFFF，从而标识此阶段为下载完成、准备进入应用程序的状态。

void finalize_download(void)
{
    memset(chBootMagic, 0X00, sizeof(chBootMagic));
    target_flash_write((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - 192), chBootMagic[0], MARK_SIZE);
}

阶段4：重新进入Bootloader并跳转到APP

在系统完成固件升级后，MicroBoot会执行软复位，系统重新进入bootloader。
bootloader在检查到Magic1和Magic2均为0x00000000，而Magic3为0xFFFFFFFF时，就会识别到这是一个升级完成的状态。
这时，MicroBoot无需对外设进行反初始化，而是直接跳转到APP，从而为应用程序提供一个干净的外设环境。

阶段5：从APP再次进入Bootloader

在APP正常运行后，如果想再次进入bootloader进行升级，调用MicroBoot提供的进入bootloader的接口，将会把Magic3设置为0x00000000，复位后，将会再次回到阶段1。
当下次进入bootloader时，看到Magic1、Magic2和Magic3均为0x00000000。

程序复位执行流程如下图所示：

请添加图片描述

对应的代码：

__attribute__((constructor))
static void enter_application(void)
{
    do {
        // User-defined conditions for entering the bootloader
        if(user_enter_bootloader()){
            break;
        }
        // Read the magic values from flash memory to determine the next action
        target_flash_read((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - 3 * MARK_SIZE), chBootMagic[0], 3 * MARK_SIZE);

        // Check if Magic3 is 0x00, indicating to read user data from a specific location
        if ((0 == *(uint32_t *)&chBootMagic[2])) {
            break;
        }

        // Check if Magic2 is 0x00 and Magic1 is 0xFFFFFFFF, indicating to read user data from a different location
        if ((0 == *(uint32_t *)&chBootMagic[1]) && (0XFFFFFFFF == *(uint32_t *)&chBootMagic[0])) {
            break;
        }

        // Check if the value at the address (APP_PART_ADDR + 4) has the expected application identifier
        if (((*(volatile uint32_t *)(APP_PART_ADDR + 4)) & 0xff000000) != (APP_PART_ADDR & 0xff000000)) {
            break;
        }

        // If all checks are passed, modify the stack pointer and start the application
        modify_stack_pointer_and_start_app(*(volatile uint32_t *)APP_PART_ADDR,
                                           (*(volatile uint32_t *)(APP_PART_ADDR + 4)));

    } while(0);
}

函数修饰符 __attribute__((constructor))告诉编译器在程序启动时自动调用这个函数。即在主程序的 main() 函数之前执行，它的主要功能是检查系统当前的状态，并根据状态决定是进入APP还是停留在bootloader。代码中增加了用户自定义的进入bootloader条件，代码通过调用user_enter_bootloader()检查用户是否指定了进入bootloader模式，这个检查是为了给用户留出手动控制的空间，比如通过外部按键强制进入bootloader，如果返回值为true，则直接退出函数，保持在bootloader中。

程序升级执行流程如下图所示：

请添加图片描述

问题2：需要 APP 传递信息给 Bootloader

问题描述： 在一些嵌入式设备中，由于产品型号和应用场景的不同，固件升级的接口（如 UART、SPI、I2C 等）和波特率配置并不统一。这种情况下，Bootloader 无法在启动时确定应该使用的通信接口和波特率设置，因此需要从应用程序（APP）传递相关信息给 Bootloader，以便其在固件升级前做好正确的配置。

如果没有有效的机制让 APP 将接口和波特率信息传递给 Bootloader，可能会导致 Bootloader 和 APP 之间的通信不匹配，升级无法进行，甚至引发系统崩溃。

解决方案：

有了以上在flash中设置标志的思路，那就顺水推舟，再增加两个用户区的空间，给bootloader和app一个沟通数据的桥梁。

APP 参数写入：在需要固件升级时，APP 会将接口类型、波特率等升级信息写入指定的用户数据区。
Bootloader 参数读取：Bootloader 在启动时首先读取该存储区域，提取接口和波特率参数，并据此初始化通信配置。
兼容性检测：如果读取的参数不符合预期，Bootloader 将回退至默认配置或停止启动，以保证通信的可靠性。

这种机制不仅灵活地适配了不同型号设备的升级需求，还提高了 Bootloader 的兼容性和稳定性。

更新后的FLASH空间如下：

描述	用户数据备份区（192 字节）	用户数据区（192字节）	Magic1 （64字节）	Magic2 （64字节）	Magic3 （64字节）
enter_bootloader	0XFFFFFFFF…	user_data	0XFFFFFFFF	0XFFFFFFFF	0x00000000
begin_download	user_data	0XFFFFFFFF…	0XFFFFFFFF	0x00000000	0XFFFFFFFF
finalize_download	user_data	0XFFFFFFFF…	0x00000000	0x00000000	0XFFFFFFFF

用户数据在FLASH中的位置，以及变化过程如下图所示：

请添加图片描述

修改相应的代码：

阶段1：进入Bootloader（enter_bootloader）

对于全片擦除过的单片机，此时user data的值为0xFFFFFFFF，当APP调用enter_bootloader接口，将会把app传递进来的数据写进用户区。

void enter_bootloader(uint8_t *pchDate, uint16_t hwLength)
{
    uint32_t wData = 0;
    target_flash_write((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (3*MARK_SIZE) - (USER_DATA_SIZE)), pchDate, USER_DATA_SIZE);
    target_flash_write((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - MARK_SIZE), (const uint8_t *)&wData, sizeof(wData));
}

阶段2：开始下载（begin_download）

当固件下载开始时，MicroBoot会首先对Magic所在的扇区擦除，然后将用户区的数据重新写到用户数据备份区。
此时，用户区为0xFFFFFFFF，如果断电重启，系统将从用户数据备份区获取数据。

void begin_download(void)
{
    memset(chBootMagic, 0, sizeof(chBootMagic));
    target_flash_erase(APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (3*MARK_SIZE), 3*MARK_SIZE);
    target_flash_write((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (3*MARK_SIZE) - 2 * (USER_DATA_SIZE)), tUserData.msg_data.B, USER_DATA_SIZE);
    target_flash_write((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (2*MARK_SIZE)), chBootMagic[1], MARK_SIZE);
}

BootLoader程序复位执行的代码也要做相应的改变：

__attribute__((constructor))
static void enter_application(void)
{
    do {
// User-defined conditions for entering the bootloader
if(user_enter_bootloader()){
            target_flash_read((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (3 * MARK_SIZE) - USER_DATA_SIZE), tUserData.msg_data.B, USER_DATA_SIZE);
            break;
}
        // Read the magic values from flash memory to determine the next action
        target_flash_read((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - 3 * MARK_SIZE), chBootMagic[0], 3 * MARK_SIZE);

        // Check if Magic3 is 0x00, indicating to read user data from a specific location
        if ((0 == *(uint32_t *)&chBootMagic[2])) {
            target_flash_read((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (3 * MARK_SIZE) - USER_DATA_SIZE), tUserData.msg_data.B, USER_DATA_SIZE);
            break;
        }

        // Check if Magic2 is 0x00 and Magic1 is 0xFFFFFFFF, indicating to read user data from a different location
        if ((0 == *(uint32_t *)&chBootMagic[1]) && (0XFFFFFFFF == *(uint32_t *)&chBootMagic[0])) {
            target_flash_read((APP_PART_ADDR + APP_PART_SIZE - (3 * MARK_SIZE) - 2 * USER_DATA_SIZE), tUserData.msg_data.B, USER_DATA_SIZE);
            break;
        }

        // Check if the value at the address (APP_PART_ADDR + 4) has the expected application identifier
        if (((*(volatile uint32_t *)(APP_PART_ADDR + 4)) & 0xff000000) != (APP_PART_ADDR & 0xff000000)) {
            break;
        }

        // If all checks are passed, modify the stack pointer and start the application
        modify_stack_pointer_and_start_app(*(volatile uint32_t *)APP_PART_ADDR,
                                           (*(volatile uint32_t *)(APP_PART_ADDR + 4)));

    } while(0);
}

BootLoader定义了一个默认的用户数据结构体，一共192个字节，APP可以在192个字节内随意向bootloader传递数据：

// <o>The user data size
//  <i>Default: 192
#define USER_DATA_SIZE            192

typedef struct {
    char chProjectName[16];
    char chHardWareVersion[16];
    char chSoftBootVersion[16];
    char chSoftAppVersion[16];
} msgSig_t;
typedef struct {
    union {
        msgSig_t sig;
        uint8_t B[USER_DATA_SIZE];
    } msg_data;
} user_data_t;

BootLoader为了方便App操作进入bootloader，并正确的传递数据，定义好了进入bootloader的接口，和操作Flash的函数，并将接口位置固定到0x08001000地址，这样APP就可以方便的操作Flash了

typedef struct {
    void (*fnEnterBootloaderMode)(uint8_t *pchDate, uint16_t hwLength);
    bool (*target_flash_init)(uint32_t addr); 
    bool (*target_flash_uninit)(uint32_t addr);
    int  (*target_flash_read)(uint32_t addr, uint8_t *buf, size_t size); 
    int  (*target_flash_write)(uint32_t addr, const uint8_t *buf, size_t size); 
    int  (*target_flash_erase)(uint32_t addr, size_t size); 
} boot_ops_t;

__attribute__((used))
static const boot_ops_t tBootOps  __attribute__ ((section(__ARM_AT(0x08001000)))) = {
    .fnEnterBootloaderMode = enter_bootloader,
    .target_flash_init = target_flash_init,
    .target_flash_erase = target_flash_erase,
    .target_flash_write = target_flash_write,
    .target_flash_read = target_flash_read,
    .target_flash_uninit = target_flash_uninit
};

APP区代码：

APP需要重新定义用户数据，添加需要向bootloader传递的数据。

typedef struct {
    char chProjectName[16];
    char chHardWareVersion[16];
    char chSoftBootVersion[16];
    char chSoftAppVersion[16];

    /*添加用户数据*/
    char chPort1Name[16];
    int wPort1Baudrate;
    char chPort2Name[16];
    int wPort2Baudrate;
    char chPort3Name[16];
    int wPort3Baudrate;

} msgSig_t;
typedef struct {
    union {
        msgSig_t sig;
        char B[sizeof(msgSig_t)];
    } msg_data;
} user_data_t;

user_data_t  tUserData = {
    .msg_data.sig.chProjectName = "project",
    .msg_data.sig.chHardWareVersion = HARDWARE_VERSION,
    .msg_data.sig.chSoftBootVersion = BOOTWARE_VERSION,
    .msg_data.sig.chSoftAppVersion =  SOFTWARE_VERSION,
};

typedef struct {
    void (*fnGoToBoot)(uint8_t *pchDate, uint16_t hwLength);
    bool (*target_flash_init)(uint32_t addr);
    bool (*target_flash_uninit)(uint32_t addr);
    int  (*target_flash_read)(uint32_t addr, uint8_t *buf, size_t size);
    int  (*target_flash_write)(uint32_t addr, const uint8_t *buf, size_t size);
    int  (*target_flash_erase)(uint32_t addr, size_t size);
} boot_ops_t;

比如通过CAN接口来升级程序，就可以这样做：

void can_boot()
{
    rt_memcpy(tUserData.msg_data.sig.chPort1Name, "CAN1", rt_strlen("CAN1"));
    tUserData.msg_data.sig.wPort1Baudrate = 500000;
    boot_ops_t *ptBootOps = (boot_ops_t *) 0x08001000;
    ptBootOps->fnGoToBoot((uint8_t *)tUserData.msg_data.B, sizeof(tUserData));
    rt_hw_cpu_reset();
}
MSH_CMD_EXPORT(can_boot, go to bootloader);

比如通过UART接口来升级程序，就可以这样做：

void uart_boot()
{
    rt_memcpy(tUserData.msg_data.sig.chPort1Name, "UART1", rt_strlen("UART1"));
    tUserData.msg_data.sig.wPort1Baudrate = 115200;
    boot_ops_t *ptBootOps = (boot_ops_t *) 0x08001000;
    ptBootOps->fnGoToBoot((uint8_t *)tUserData.msg_data.B, sizeof(tUserData));
    rt_hw_cpu_reset();
}
MSH_CMD_EXPORT(uart_boot, go to bootloader);

问题3： APP单独运行没有问题，通过Bootloader跳转到APP运行莫名死机

问题描述：在近几年的嵌入式社区中，流传着不少关于面相Cortex-M的Bootloader科普文章，借助这些文章，一些较为经典的代码片断和技巧得到了广泛的传播。

在从Bootloader跳转到用户APP的过程中，使用函数指针而非传统的汇编代码则成了一个家喻户晓的小技巧。相信类似下面 JumpToApp() 函数，你一定不会感到陌生：

typedef  void (*pFunction)(void);

void JumpToApp(uint32_t addr)
{
  pFunction Jump_To_Application;

  __IO uint32_t StackAddr;
  __IO uint32_t ResetVector;
  __IO uint32_t JumpMask;

  JumpMask = ~((MCU_SIZE-1)|0xD000FFFF);

  if (((*(__IO uint32_t *)addr) & JumpMask ) == 0x20000000) //�ж�SPָ��λ��
  {
    StackAddr = *(__IO uint32_t*)addr;
    ResetVector = *(__IO uint32_t *)(addr + 4);

    __set_MSP(StackAddr); 
    Jump_To_Application = (pFunction)ResetVector;
    Jump_To_Application(); 
  }
}

但是这段家喻户晓，被世人奉为真理的代码，却隐藏着很深的BUG，相信很多小伙伴都遇到过通过Bootloader跳转到APP后，程序时好时坏的灵异事件，具体详情请看这篇文章：震惊！这个隐藏的Bootloader漏洞究竟有多少人中招？

解决方案：

完全用汇编来处理从Bootloader到App的最后步骤，才是最稳定可靠的方案：

#if defined (__ARMCC_VERSION) && (__ARMCC_VERSION >= 6010050)
/* Avoids the semihosting issue */
__asm("  .global __ARM_use_no_argv\n");
#elif defined(__GNUC__)
/* Disables part of C/C++ runtime startup/teardown */
void __libc_init_array (void) {}
#endif

#if defined(__CC_ARM)
__asm void modify_stack_pointer_and_start_app(uint32_t r0_sp, uint32_t r1_pc)
{
    MOV SP, R0
    BX R1
}
#elif defined(__GNUC__)
void modify_stack_pointer_and_start_app(uint32_t r0_sp, uint32_t r1_pc)
{
    uint32_t z = 0;
    __asm volatile (  "msr    control, %[z]   \n\t"
                      "isb                    \n\t"
                      "mov    sp, %[r0_sp]    \n\t"
                      "bx     %[r1_pc]"
                      :
                      :   [z] "l" (z),
                      [r0_sp] "l" (r0_sp),
                      [r1_pc] "l" (r1_pc)
                   );
}
#else
#error "Unknown compiler!"
#endif

问题4：固件升级过程中频繁中断

问题描述： 在固件升级过程中，由于通信信号不稳定或数据包丢失，传输可能会频繁中断，导致升级失败。用户常常需要多次尝试才能成功完成固件升级，特别是对于大文件传输，这种情况不仅耗时还影响体验。

解决方案：

为了提高传输稳定性，我采用状态机的方式重新开发了 ymodem 协议。此改进后的 ymodem 通过精细管理传输状态，使其更具稳定性和效率，即便在传输过程中断线，也能在超时前重新连接后继续传输，无需重新开始。

ymodem 传输协议：ymodem 提供了文件校验和分段传输机制，提高了传输过程的鲁棒性。
自动重试机制：ymodem 协议中带有重试机制，确保每个数据包在成功接收前会自动重发，以提升传输成功率。

问题5：上位机操作过于复杂，客户难以使用

**问题描述：**对于许多客户，传统上位机操作系统设计复杂且需要较高的技术水平，操作不当还可能导致设备升级失败。这不仅增加了技术支持成本，也降低了客户满意度，尤其对于不具备技术背景的用户而言，升级流程显得尤为繁琐。

解决方案：

为了解决客户的操作复杂度问题，我开发了专门的 MicroLink 工具，使固件升级过程简单直观。

MicroLink 是一款多功能嵌入式系统开发工具，专为加速和简化开发者在 研发、调试、量产和售后服务 各阶段的工作流程设计。与改进后的 ymodem 结合使用时，MicroLink 能显著提升升级体验：

拖放式升级：用户只需将固件文件拖放至 MicroLink 提供的虚拟 U 盘，即可自动完成传输和安装。
稳定的断点续传支持：借助重新开发的 ymodem 协议，即使传输中断，也能自动在恢复后继续传输，避免重复操作。

拖放式升级演示视频如下：

microlink U盘拖拽 ymodem下载

产品链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=826800975011
文档说明：https://microboot.readthedocs.io/zh-cn/latest/tools/microlink/microlink/
开源代码：https://github.com/Aladdin-Wang/MicroBoot
请添加图片描述

3、MicorBoot架构

3.1 层次框架

请添加图片描述

3.2 模块化组件

bootloader
ymodem

一个使用状态机编写的ymodem协议

统一的Flash驱动管理模块
环形队列

一个用C语言编写的支持多类型、函数重载与线程安全的环形队列

信号槽

一个用C语言模拟QT的信号槽的功能

发布订阅
shell
混合数据流引擎

4、MicorBoot移植教程

基于 CMSIS-PACK 移植
基于源码移植
基于rtthread软件包移植

原文地址：https://blog.csdn.net/sinat_31039061/article/details/142905340

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彻底解决单片机BootLoader升级程序失败问题

文章目录

1、引言

2、MicroBoot：优雅的解决升级问题

问题1：bootloader 在跳转到app前没有清理干净存在的痕迹

问题2： 需要 APP 传递信息给 Bootloader

问题3： APP单独运行没有问题，通过Bootloader跳转到APP运行莫名死机

问题4： 固件升级过程中频繁中断

问题5： 上位机操作过于复杂，客户难以使用

3、MicorBoot架构

3.1 层次框架

3.2 模块化组件

4、MicorBoot移植教程

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问题2：需要 APP 传递信息给 Bootloader

问题4：固件升级过程中频繁中断

问题5：上位机操作过于复杂，客户难以使用