【重磅】剖析MCU的IAP升級軟件設(shè)計(設(shè)計思路篇)
1、簡單聊一聊
今天為大家推薦一首毛不易的《像我這樣的人》，上面鏈接是現(xiàn)場版本音效上略有打折，不過歌曲所要傳遞的那份感情全在詞里了，在成長的過程中人總會遇到幾個情緒低落的階段，面對現(xiàn)實的世界會覺得非常的力不從心，甚至想逃離現(xiàn)狀，如果當(dāng)你想到世界上還有更多像你這樣的人正在努力讓生活變得更好，也許這一切就并沒有你所想象的那么糟糕了！
2、必備專業(yè)名詞(ISP/ICP/IAP)
在我們學(xué)習(xí)MCU的過程中經(jīng)常看到IAP、ISP、JTAG等等一些與在線編程相關(guān)的專業(yè)名詞，可能很多小伙伴到現(xiàn)在都迷迷糊糊的，作者這里簡單為大家介紹一下:
1)ICP -（In-circuit programmer）
ICP表示在電路編程，MCU內(nèi)部不需要有程序，直接上電就能夠進(jìn)行對程序存儲區(qū)域進(jìn)行編程的方式，我們平時使用JTAG或者SWD等等就屬于這種方式。
2)ISP - (In-system programer)
ISP表示在系統(tǒng)編程，通過MCU專用的串行編程接口進(jìn)行編程，那也就是說MCU需要具有運行的外部條件，比如需要有晶振等等。比如說平時使用的stm32通過設(shè)置boot引腳設(shè)置對應(yīng)啟動模式，然后通過串口等對內(nèi)部Flash進(jìn)行升級，可以說這種方式就是廠家在芯片內(nèi)部固化了一個BootLoader程序。
3)IAP - (In-application programer)
IAP表示在應(yīng)用編程，這種名詞應(yīng)該是大家在平時學(xué)習(xí)過程中見得比較多的，相當(dāng)于自己定制一個BootLoader程序，自己通過編程設(shè)計可以實現(xiàn)各種升級的方式比如串口、CAN、以太網(wǎng)等等，非常的靈活。其實這個BootLoader程序也是我們自己設(shè)計的程序，你也可以認(rèn)為是一個App程序，相當(dāng)于通過對App劃分職責(zé)對自己進(jìn)行更新和升級。這種方式也就是我們今天話題的主角。
3、IAP的價值與意義
作者最早開始結(jié)實IAP這個概念還是在大學(xué)進(jìn)行飛思卡爾智能汽車比賽期間，了解的小伙伴應(yīng)該知道我們大部分時間都是在"燒車"-(也就是車子不行的在賽道上進(jìn)行測試)，特別是調(diào)試PID或者是發(fā)現(xiàn)識別算法的Bug以后，要么就是去拿車過來燒錄，要么就是拿著筆記本過去進(jìn)行燒錄，這樣有時候還真是體力活，后來無意間看來一篇技術(shù)報告談到了遠(yuǎn)程無線升級，當(dāng)時自己調(diào)參數(shù)也是用藍(lán)牙調(diào)試，便開始研究這個功能，折騰一段時間，因為需要對芯片的啟動過程等等進(jìn)一步的熟悉，不過后面確實挺方便的，基本上換了電池以后我就只需要坐著寫代碼升級即可。
至于到了現(xiàn)在的實際工作過程中，這種升級功能的需求成了軟件設(shè)計的必備項目，那有小伙伴可能就會問了:我覺得用燒錄器燒錄挺快的呀，每次想要升級直接用燒錄盒燒錄不就行了嗎？好，那比如說現(xiàn)在你在深圳，客戶在北京，你還得每次還要跑到客戶現(xiàn)場去升級嗎?到了客戶現(xiàn)場難道你還要拆客戶的機(jī)器插上燒錄器嗎？實在是太麻煩了，還是選擇遠(yuǎn)程升級吧，同時IAP還會有更加嚴(yán)格的測試要求，比如燒錄過程中的斷電，斷網(wǎng)絡(luò)等等系統(tǒng)的動作和后續(xù)修護(hù)問題都是要進(jìn)行考慮和設(shè)計的。
4、MCU軟件升級的設(shè)計"進(jìn)化論"
對于我們的MCU現(xiàn)在大部分的都是使用Flash來存儲程序，同時程序內(nèi)部也會有讀寫Flash的接口函數(shù)，中斷也可以方便的重定位，這樣就非常適合IAP程序的開發(fā)。
1)IAP升級V1.0
作者這里畫了一張現(xiàn)在目前比較普遍的升級軟件設(shè)計圖:
解析一下:我們把MCU的Flash分區(qū)分為如上圖所示的三個部分，Bootloader就是我們所要編寫的啟動程序，App程序為項目的實際應(yīng)用程序，Param區(qū)域是用于存儲相應(yīng)的版本App的版本信息以及完整性校驗標(biāo)志序列等傳遞數(shù)據(jù)區(qū)域。
工作方式1:當(dāng)MCU啟動以后運行Bootloader程序，檢測到Param參數(shù)區(qū)域是否存在App記錄，如果存在App直接運行App程序即可，如果不存在，則向PC機(jī)請求App文件。
工作方式2:當(dāng)MCU運行App過程中，接收到PC機(jī)的升級請求，更新Param參數(shù)區(qū)域，并跳轉(zhuǎn)到BootLoader進(jìn)行App程序的接受和升級，升級完成以后處理Param參數(shù)區(qū)域并運行對應(yīng)的新App程序。
V1.0算是比較常規(guī)的應(yīng)用案例，我們都知道對MCU內(nèi)部Flash進(jìn)行編程一般會有解鎖、擦除、寫入和驗證幾個階段，當(dāng)我們擦除原來MCU存儲的App程序以后如果手頭上沒有相關(guān)的固件，基本上就不能恢復(fù)了，這樣如果我們想退回到之前的版本不可能了！于是升級方案還需要在改善一下。
2)IAP升級V2.0
為了解決V1.0提出的問題我們App分成了兩部分如下圖所示:
解析一下:上面兩張圖的原理是一樣的，都是把接收到的新App保存起來(如果你用于備份老的App也是可以的)，圖1是通過把MCU內(nèi)部Flash進(jìn)行劃分，一部分用于存儲新App，另外一部分是原來運行的App區(qū)域，這樣的話，當(dāng)我們通過bootloader接收完完整的新App進(jìn)行校驗、解密處理以后便可以寫入到平時運行的App區(qū)域，從而防止了V1.0在升級過程中掉電、通信異常導(dǎo)致擦除了App的問題。
同時，我們也可以把上一版本App備份到我們預(yù)留的內(nèi)部Flash或者外部存儲設(shè)備中，如果想還原系統(tǒng)即可直接通過PC發(fā)送相應(yīng)命令進(jìn)行恢復(fù)即可。
好了，又有小伙伴提出問題，大家都知道我們自己編寫的BootLoader是非常靈活的，可以支持多種通信協(xié)議的升級模式，不過在前期我們可能沒有考慮完善，后續(xù)想進(jìn)一步完善相應(yīng)功能就需要我們對Bootloader進(jìn)行升級，那么我們可以通過App對Bootloader進(jìn)行升級操作，一般這種方式就可以滿足需求，不過如果在升級BootLoader過程中發(fā)生故障，那Bootloader全部被擦除導(dǎo)致整個MCU變成了個磚頭。好吧，是時候上V3.0版本的IAP程序了。
3)IAP升級V3.0
為了解決V2.0問題，作者設(shè)計了第三種升級方式:
解析一下:在V2.0的基礎(chǔ)上我們增加了Bootloader2，對于Bootloader1相當(dāng)于固化在MCU中自定義的一種升級方式，而Bootloader2是可以根據(jù)我們啟動升級需求進(jìn)行升級的區(qū)域，這樣即使在升級過程中擦除，我們也可以通過BootLoader1或者App2來進(jìn)行恢復(fù)Bootloader2。
不過具體的實現(xiàn)過程會設(shè)計到較多的邏輯處理，大家在實現(xiàn)該方案的同時需要前期進(jìn)行軟件上的設(shè)計和梳理。
4、最后小結(jié)
對于IAP軟件方案作者就分享到這里，大家在選擇在線升級方案的同時需要結(jié)合自身項目的需求來考量，對于具體的實現(xiàn)過程還是有很多技術(shù)細(xì)節(jié)需要注意的，比如代碼的地址鏈接、中斷的重定位方案、軟件的加密等等，后續(xù)有時間再針對具體的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行分享。
好了，這里是公眾號:“最后一個bug”，一個為大家打造的技術(shù)知識提升基地。同時非常感謝各位小伙伴的支持，我們下期精彩見！
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