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潘多拉 RT-Thread Ymodem 协议固件升级

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ByRudy

实验概述

本实验介绍如何使用 RT-Thread Ymodem OTA 固件下载器下载固件，在潘多拉 IoT 开发板上完成 OTA 升级。Ymodem OTA 升级是 RT-Thread OTA 支持的固件下载器中的一种。在嵌入式设备中通常用于通过串口（UART）进行文件传输及 IAP 在线升级，是常用固件升级方式。

虽然 RT-Thread 提供了一些工具简化固件升级的开发工作，但这部分内容对初学者来说仍然具有挑战性。因此，在开始实验之前，建议先阅读 RT-Thread OTA 固件升级 了解一下 OTA 固件升级的相关知识。

特别提示：实验中用到的 bootloader 程序以 bin 文件的形式提供，并且只适用于该 STM32L4 设备平台，文件位于 /bin/bootloader.bin。

硬件说明

本实验使用到潘多拉 IoT Board 的硬件资源如下：

  • UART1（Tx：PA9，Rx：PA10）
  • 片内 FLASH（512 KBytes）
  • 片外 Nor Flash（16 MBytes）

分区说明

在本实验中，bootloader 程序和 app 程序存放在 STM32L4 MCU 的内部 Flash 中，download 下载区域存放在外部扩展的 Nor Flash 中。Flash 分区表如下：

分区名称 存储位置 分区大小 起始地址 结束地址 说明
bootloader 片内 Flash 64K 0x08000000 0x0800FFFF bootloader 程序存储区
app 片内 Flash 448K 0x08010000 0x0807FFFF app 应用程序存储区
easyflash Nor Flash 512K 0x00000000 0x0007FFFF easyflash 存储区
download Nor Flash 1M 0x00080000 0x0017FFFF download 下载存储区
wifi_image Nor Flash 512K 0x00180000 0x001FFFFF WiFi 固件存储区
font Nor Flash 7M 0x00200000 0x008FFFFF 字库分区
filesystem Nor Flash 7M 0x00900000 0x00FFFFFF 文件系统分区

分区表定义在 bootloader 程序中，如果需要修改分区表，则需要修改 bootloader 程序。

注意：目前暂不支持用户自定义 bootloader，如果有商用需求，请联系 RT-Thread 获取支持。

示例代码

参考《潘多拉 IoT Board 开发环境》创建工程，在 applications/main.c 中输入如下代码。

#include <rtthread.h>
#include <fal.h>

#define DBG_TAG "main"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include <rtdbg.h>

#define APP_VERSION "1.0.0"

/* 将中断向量表起始地址重新设置为 app 分区的起始地址 */
static int ota_app_vtor_reconfig(void)
{
    #define NVIC_VTOR_MASK 0x3FFFFF80
    #define RT_APP_PART_ADDR 0x08010000
    /* 根据应用设置向量表 */
    SCB->VTOR = RT_APP_PART_ADDR & NVIC_VTOR_MASK;

    return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(ota_app_vtor_reconfig);

int main(void)
{
    fal_init();

    LOG_D("The current version of APP firmware is %s", APP_VERSION);

    return 0;
}

除了 main.c 文件，需要 ymodem_update.c 文件，它实现了 Ymodem OTA 固件下载的功能。ymodem_update.c 仅有三个 API 接口，介绍如下：

update 函数

void update(uint8_t argc, char **argv);
MSH_CMD_EXPORT_ALIAS(update, ymodem_start , Update user application firmware);

update 函数调用底层接口 rym_recv_on_device 启动 Ymodem 升级程序，并使用 MSH_CMD_EXPORT_ALIAS 函数将其导出为 ymodem_start MSH 命令。

ymodem_on_begin 函数

static enum rym_code ymodem_on_begin(struct rym_ctx *ctx, rt_uint8_t *buf, rt_size_t len);

这是一个回调函数，通过底层接口 rym_recv_on_device 注册，在 Ymodem 程序启动后，获取到通过 Ymodem 协议发送给设备的文件后执行。主要是获取到文件大小信息，为文件存储做准备，完成相应的初始化工作（如 FAL download 分区擦除，为固件写入做准备）。

ymodem_on_data 函数

static enum rym_code ymodem_on_data(struct rym_ctx *ctx, rt_uint8_t *buf, rt_size_t len);

这是一个数据处理回调函数，通过底层接口 rym_recv_on_device 注册，在接收到通过 Ymodem 协议发送给设备的数据后，执行该回调函数处理数据（这里将接收到的数据写入到 download 分区）。

完整代码：22_iot_ota_ymodem

编译运行

编译工程

$ scons
...
LINK rtthread-stm32l4xx.elf
arm-none-eabi-objcopy -O binary rtthread-stm32l4xx.elf rt-thread.bin
arm-none-eabi-size rtthread-stm32l4xx.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
 117172    2108    2956  122236   1dd7c rtthread-stm32l4xx.elf
scons: done building targets.

将 bin 文件上传到 STM32（注意地址是 0x8010000）

st-flash write rt-thread.bin 0x8010000

另外还要将 bootloader 上传到地址 0x8000000

st-flash write bootloader.bin 0x8000000

打开串口终端，输出如下内容

[SFUD]Find a Winbond W25Q128 flash chip. Size is 16777216 bytes.
[SFUD]norflash0 flash device is initialize success.

RT-Thread Bootloader Starting...
[D/FAL] (fal_flash_init:61) Flash device |             onchip_flash | addr: 0x08000000 | len: 0x00080000 | blk_size: 0x00000800 |initialized.
[D/FAL] (fal_flash_init:61) Flash device |                nor_flash | addr: 0x00000000 | len: 0x01000000 | blk_size: 0x00001000 |initialized.
[I/FAL] ==================== FAL partition table ====================
[I/FAL] | name         | flash_dev    |   offset   |    length  |
[I/FAL] -------------------------------------------------------------
[I/FAL] | bootloader   | onchip_flash | 0x00000000 | 0x00010000 |
[I/FAL] | app          | onchip_flash | 0x00010000 | 0x00070000 |
[I/FAL] | easyflash    | nor_flash    | 0x00000000 | 0x00080000 |
[I/FAL] | download     | nor_flash    | 0x00080000 | 0x00100000 |
[I/FAL] | wifi_image   | nor_flash    | 0x00180000 | 0x00080000 |
[I/FAL] | font         | nor_flash    | 0x00200000 | 0x00700000 |
[I/FAL] | filesystem   | nor_flash    | 0x00900000 | 0x00700000 |
[I/FAL] =============================================================
[I/FAL] RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.2.0) initialize success.
[I/OTA] RT-Thread OTA package(V0.2.1) initialize success.
[I/OTA] Verify 'bootloader' partition(fw ver: 1.3, timestamp: 1545134551) success.
Find user application success.
The Bootloader will go to user application now.

 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     4.0.1 build Jan  8 2022
 2006 - 2019 Copyright by rt-thread team
[SFUD] Find a Winbond flash chip. Size is 16777216 bytes.
[SFUD] w25q128 flash device is initialize success.
[I/FAL] RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.2.0) initialize success.
[D/main] The current version of APP firmware is 1.0.0
msh >

从以上日志里可以看到，前半部分是 bootloader 固件打印的日志，后半部分是 app 固件打印的日志，输出了 app 固件的版本号，并成功进入了 RT-Thread MSH 命令行。

如果看到串口打印的日志上对 download 分区校验失败，这是因为设备初次烧录固件，位于片外 Flash 的 download 分区内没有数据，所以会校验失败。

[E/OTA] (get_fw_hdr:149) Get firmware header occur CRC32(calc.crc: 7b93c5c8 != hdr.info_crc32: ffffffff) error on 'download' partition!
[E/OTA] (get_fw_hdr:149) Get firmware header occur CRC32(calc.crc: 7b93c5c8 != hdr.info_crc32: ffffffff) error on 'download' partition!
[E/OTA] (rt_ota_check_upgrade:464) Get OTA download partition firmware header failed!

现在 APP 固件的版本是 1.0.0，接下来我们就来尝试升级固件。

固件升级

Ymodem 固件升级流程如下：

  1. Ymodem 串口终端使用 ymodem 协议发送升级固件；
  2. APP 使用 Ymodem 协议下载固件到 download 分区；
  3. bootloader 对 OTA 升级固件进行校验、解密和搬运（搬运到 app 分区）；
  4. 程序从 bootloader 跳转到 app 分区执行新的固件；

打包 rbl 升级固件

首先，我们基于本实验示例程序来制作用于 Ymodem 升级演示所用到的 app 固件。将 main.c 中的 APP_VERSION 版本号修改为“2.0.0”。

#define APP_VERSION "2.0.0"

重新编译固件

$ scons
scons: Reading SConscript files ...
scons: done reading SConscript files.
scons: Building targets ...
scons: building associated VariantDir targets: build
CC build/applications/main.o
LINK rtthread-stm32l4xx.elf
arm-none-eabi-objcopy -O binary rtthread-stm32l4xx.elf rt-thread.bin
arm-none-eabi-size rtthread-stm32l4xx.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
 117172    2108    2956  122236   1dd7c rtthread-stm32l4xx.elf
scons: done building targets.

由于编译出来的应用程序 rt-thread.bin 属于原始 app 固件，并不能直接用于 RT-Thread OTA 的升级固件，需要用户使用 RT-Thread OTA 固件打包器将其打包生成 .rbl 后缀名的固件，然后才能进行 OTA 升级。

使用 /tools/ota_packager 目录下的 OTA 打包工具制作 OTA 升级固件（ .rbl 后缀名的文件）。注意，RT-Thread OTA 固件打包器只有 Windows 版本，因此你需要在 Windows 系统上使用它（也可以在 Linux 上使用 Wine 运行，参考 Ubuntu 安装 Wine 软件）。

用户可以根据需要，选择是否对固件进行加密和压缩，提供多种压缩算法和加密算法支持，基本操作步骤如下：

  • 选择待打包的固件（rt-thread.bin）
  • 选择生成固件的位置
  • 选择压缩算法（不压缩则留空）
  • 选择加密算法（不加密则留空）
  • 配置加密密钥（不加密则留空）
  • 配置加密 IV （不加密则留空）
  • 填写固件名称（对应分区名称，这里为 app）
  • 填写固件版本（填写 main.c 中的版本号 2.0.0）
  • 开始打包

通过以上步骤制作完成的 rt-thread.rbl 文件即可用于后续的升级文件。

注意事项：

  • 加密密钥 和 加密 IV 必须与 bootloader 程序中的一致，否则无法正确加解密固件默认提供的 bootloader.bin 支持加密压缩，使用的加密密钥为 0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF，使用的加密 IV 为 0123456789ABCDEF。
  • 固件打包过程中有 固件名称 的填写，这里注意需要填入 Flash 分区表中对应分区的名称，不能有误。如果要升级 app 程序，则填写 app；如果升级 WiFi 固件，则填写 wifi_image 。
  • 固件版本号填写 main.c 中定义的版本号 2.0.0。

Ymodem 升级固件

许多串口工具都支持 Ymodem 协议传输文件，Linux 系统也有不少选择（参考 Ubuntu 传输 Ymodem 协议），不过最好用的还是 Windows 的 Xshell 工具。

在 Xshell 创建点击右键，选择 传输 > YMODEM(Y) > 用YMODEM发送(S)…，选择前面制作好的 rt-thread.rbl 升级固件。

Ymodem 下载固件完成后，会自动重启，并在串口终端打印如下 log：

Download firmware to flash success.
System now will restart...

设备重启后，bootloader 会对升级固件进行合法性和完整性校验，验证成功后将升级固件从 download 分区搬运到目标分区（这里是 app 分区）。设备升级完成后会自动运行新的固件，从下图中的日志上可以看到，app 固件已经从 1.0.0 版本升级到了 2.0.0 版本，说明固件升级成功。

 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     4.0.1 build Jan  8 2022
 2006 - 2019 Copyright by rt-thread team
[SFUD] Find a Winbond flash chip. Size is 16777216 bytes.
[SFUD] w25q128 flash device is initialize success.
[I/FAL] RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.2.0) initialize success.
[D/main] The current version of APP firmware is 2.0.0
msh >

2.0.0 版本的固件同样是支持 Ymodem 固件下载功能的，因此可以一直使用 Ymodem 进行 OTA 升级。用户如果需要增加自己的业务代码，可以基于该例程进行修改。

思考总结

通过本次实验，我们学习了如何通过 RT-Thread OTA 工具在潘多拉 IoT Board 上通过 Ymodem 串口协议完成固件升级。

在使用 RT-Thread OTA 工具时，有以下注意事项：

  • 必须使用 .rbl 格式的升级固件。
  • 打包 OTA 升级固件时，分区名字必须与分区表中的名字相同（升级 app 固件对应 app 分区）。
  • 串口终端工具需要支持 Ymodem 协议，并使用确认使用 Ymodem 协议发送固件。
  • 串口波特率 115200，无奇偶校验，无流控。
  • app 固件必须从 0x08010000 地址开始链接，否则应用 bootloader 会跳转到 app 失败。

app 固件存储在 app 分区内，起始地址为 0x08010000，如果用户需要升级其他 app 程序，请确保编译器从 0x08010000 地址链接 app 固件。

OTA 的关键在于中断向量的重新设置，使用 bootloader 的时候，app 固件从 0x08010000 地址开始链接，因此需要将中断向量重新设置到 0x08010000 地址，程序如下所示：

/* 将中断向量表起始地址重新设置为 app 分区的起始地址 */
static int ota_app_vtor_reconfig(void)
{
    #define NVIC_VTOR_MASK 0x3FFFFF80
    #define RT_APP_PART_ADDR 0x08010000
    /* 根据应用设置向量表 */
    SCB->VTOR = RT_APP_PART_ADDR & NVIC_VTOR_MASK;

    return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(ota_app_vtor_reconfig);
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