固件升级的设计

CHANBAEK 2023-05-17 1171

CHANBAEK

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描述

1 固件升级
在一些项目交期比较急的情况下，可以先把基本功能做出来，加入固件升级的功能，后续即使发现重大BUG，也不用返厂更新固件，只需要把加密固件发给客户自行更新，也可以使用物联网的方式进行远程固件升级。

2 FLASH划分
2.1 内部FLASH
以STM32F103ZET6为例，内部FLASH的扇区大小是2KB

固件升级

2.2 外部FLASH
整个FLASH作为FAT32使用，以W25Q128为例，有16MB的空间

3 生成加密文件
3.1 加密算法
用的是tinycrypt中的aes加密算法修改IV和KEY的定义
#define TEST_TINY_AES_IV
"0123456789ABCDEF"
#define TEST_TINY_AES_KEY
"0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF"
在使用前选择是作为加密还是解密
tinycrypt_enc_init();
tinycrypt_dec_init();

3.2 压缩算法
用的是quicklz压缩算法，压缩率比较低，154KB的固件压缩之后是118KB

3.3 app再加工
在keil编译出app固件后，使用外部应用程序来对app进行压缩，再进行加密，再为整个固件增加CRC32校验，外部程序在linux平台下同样适用，只需要在目标主机上编译生成目标文件即可。

3.3.1 参数检查
主要有FLASH总大小、FLASH扇区大小、bootloader大小、bootloader输入文件名、app输入文件名、输出app+crc文件名、输出app加密压缩后的文件名等

if (argc == 13)
    {
        combine_file.size_total = atoi(argv[1]);
        combine_file.size_sector = atoi(argv[2]);
        combine_file.size_bootloader = atoi(argv[3]);
        combine_file.check_type = atoi(argv[4]);


        sprintf(combine_file.fn_bootloader,"%s",argv[5]);
        sprintf(combine_file.fn_app_in,"%s",argv[6]);
        sprintf(combine_file.fn_app_out,"%s",argv[7]);
        sprintf(combine_file.fn_app_mask,"_upfw_app.bin",argv[7]);
        sprintf(combine_file.fn_product,"%s",argv[8]);


        get_debug_switch = atoi(argv[9]);


        combine_file.size_app_max = atoi(argv[10]);
        combine_file.flash_base = atoi(argv[11]);
        sprintf(combine_file.fn_user,"%s",argv[12]);
    }

3.3.2 文件读取和加工

FILE *p_bootloader_file_source=NULL;
    FILE *p_app_file_source=NULL;
    FILE *p_app_file_out=NULL;
    FILE *p_app_file_out_mask=NULL;
    FILE *p_product_file_out=NULL;
    FILE *p_user_file_out=NULL;


    p_bootloader_file_source = fopen(combine_file.fn_bootloader,"rb+");


    if (!p_bootloader_file_source)
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
            printf("read bootloader file error=%s\\r\\n",combine_file.fn_bootloader);
        }


        goto error;
    }


    p_app_file_source = fopen(combine_file.fn_app_in,"rb+");


    if (!p_app_file_source)
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
            printf("p_app_file_source error=%d\\r\\n",p_app_file_source);
        }


        goto error;
    }


    //读取bootloader文件


    fseek(p_bootloader_file_source, 0, SEEK_END);


    uint32_t get_bootloader_file_size = ftell(p_bootloader_file_source);


    if (get_debug_switch > 0)
    {
        printf("bootloader file size=%d\\r\\n",get_bootloader_file_size);
    }


    if ((0 == get_bootloader_file_size) || (get_bootloader_file_size > combine_file.size_total))
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
           printf("bootloader file size invalid=%d\\r\\n",get_bootloader_file_size);
        }


        goto error;
    }


    fseek(p_bootloader_file_source, 0L, SEEK_SET);


    uint8_t *bootloader_data_buffer = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t)*get_bootloader_file_size);


    if (!bootloader_data_buffer)
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
            printf("bootloader buffer malloc error\\r\\n");
        }


        goto error;
    }


    fread(bootloader_data_buffer,1,get_bootloader_file_size,p_bootloader_file_source);


    //读取APP来源文件
    fseek(p_app_file_source, 0, SEEK_END);


    uint32_t get_app_file_size = ftell(p_app_file_source);


    if (get_debug_switch > 0)
    {
        printf("file size[app]=%d\\r\\n",get_app_file_size);


        printf("file size[app + crc]=%d\\r\\n",get_app_file_size+4);
    }


    if ((0 == get_app_file_size) || (get_app_file_size > (combine_file.size_app_max-8)))
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
           printf("app file size invalid\\r\\n");
        }


        goto error;
    }


    fseek(p_app_file_source, 0L, SEEK_SET);


    uint8_t *app_data_buffer = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t)*get_app_file_size);


    if (!app_data_buffer)
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
           printf("app buffer malloc error\\r\\n");
        }


        goto error;
    }


    fread(app_data_buffer,1,get_app_file_size,p_app_file_source);


    //把app内容进行校验生成带校验的app文件
    uint32_t get_crc_value = crc32_customized(CONFIG_CRC32_POLY,CONFIG_CRC32_INIT_VALUE,CONFIG_CRC32_OUT_XOR,app_data_buffer,get_app_file_size);


    if (get_debug_switch > 0)
    {
        printf("get_crc_value = %x\\r\\n",get_crc_value);
    }


    //缓存大小是 bootloader+sector+app
    //新建一个bootloader大小+sector+app大小的缓存
    //生产用的文件需要带CRC校验和字节大小，客户用的APP文件只包含CRC校验没有大小，大小在升级的时候自动加上去
    //后续再优化APPSIZE和APPCRC的存储位置，节省FLASH空间


    uint32_t size_product = combine_file.size_bootloader+combine_file.size_parameter+get_app_file_size;


    uint8_t *product_data_buffer = (uint8_t *)malloc(sizeof(uint8_t)*(size_product));


    if (get_debug_switch > 0)
    {
        printf("product file size = %d\\r\\n",size_product);
    }


    if (!product_data_buffer)
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
            printf("bootloader buffer malloc error\\r\\n");
        }


        goto error;
    }


    //填充0xff
    printf("fill 0xff\\n");
    memset(product_data_buffer,0xff,size_product);


    printf("write bootloader\\n");


    //写入 bootloader
    memcpy(product_data_buffer,bootloader_data_buffer,get_bootloader_file_size);


    //加入 CRC和SIZE信息
    memcpy(&product_data_buffer[combine_file.size_bootloader],&get_app_file_size,4);




    printf("write app\\n");


    //写入app
    memcpy(&product_data_buffer[combine_file.size_bootloader+combine_file.size_parameter],app_data_buffer,get_app_file_size);


    if (get_debug_switch > 0)
    {
        printf("app at=[%08x]\\r\\n",combine_file.flash_base+combine_file.size_bootloader+combine_file.size_parameter);
    }


    //输出 app_out


    p_app_file_out = fopen(combine_file.fn_app_out,"wb+");


    if (!p_app_file_out)
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
           printf("write app crc file error\\r\\n");
        }


        goto error;
    }


    fwrite(app_data_buffer,1,get_app_file_size,p_app_file_out);


    //输出 加密后的文件
    uint8_t *app_mask_data_buffer = 0;


    printf("combine_file.check_type=[%d]\\r\\n",combine_file.check_type);


    p_app_file_out_mask = fopen(combine_file.fn_app_mask,"wb+");


    if (!p_app_file_out_mask)
    {
        if (get_debug_switch > 0)
        {
           printf("write app mask file error\\r\\n");
        }


        goto error;
    }

3.3.3 文件加密和压缩处理

if (T_CRYPT == combine_file.check_type)
    {
        int res = 0;
        uint8_t *set_data_out = 0;


        tinycrypt_enc_init();


        uint8_t *buffer_out_temp = (uint8_t *) malloc(sizeof(uint8_t)*get_app_file_size);


        if (!buffer_out_temp)
        {
            printf("buffer_out_temp malloc error \\r\\n");
        }


        uint32_t size_out = 0;


        if (quicklz_compress_buffer(buffer_out_temp,app_data_buffer,get_app_file_size,&size_out) >= 0)
        {
            if (!size_out)
            {
                printf("size_out error \\r\\n");
                goto error;
            }


            set_data_out = (uint8_t *) malloc(sizeof(uint8_t)*size_out);


            if (!set_data_out)
            {
                printf("set_data_out malloc error \\r\\n");
                res = -1;
                goto error;
            }


            memset(buffer_data,0,COMPRESS_BUFFER_SIZE);


            aes_en_buffer(set_data_out,buffer_out_temp,size_out);
            fwrite(set_data_out,1,size_out,p_app_file_out_mask);
            uint32_t aes_crc32  =crc32_customized(CONFIG_CRC32_POLY,CONFIG_CRC32_INIT_VALUE,CONFIG_CRC32_OUT_XOR,set_data_out,size_out);


            if (get_debug_switch > 0)
            {
                printf("aes_crc32 mask = %x\\r\\n",aes_crc32);
            }


            fwrite(&aes_crc32,1,4,p_app_file_out_mask);
        }


        if (buffer_out_temp)
        {
            free(buffer_out_temp);
        }


        if (set_data_out)
        {
            free(set_data_out);
        }
}

3.4 bootloader的设计
在启动后挂载文件系统，检查是否存在xxx.bin的文件，如果存在则检查文件是否合法，合法就进入解密和解压缩阶段，最后把文件的crc和size写入flash，复位跳转到app对应的地址上运行

int result = dfs_elm_mount(&g_fat,0,0);


        PRINTF_APP_MAIN("result=%d\\r\\n",result);

        //if (0 == check_boot(CONFIG_UBOOT_WAITING_TIME_S))
        {
            uint8_t get_firmware_name[32]={0};


            if (check_firmware_file(get_firmware_name))
            {
                PRINTF_APP_MAIN("find the firmware file name=%s\\r\\n",get_firmware_name);


                FRESULT res = f_open(&_update_file,get_firmware_name,FA_OPEN_EXISTING|FA_READ);

                uint32_t get_crc_result = 0;


                PRINTF_APP_MAIN("res=%d\\r\\n",res);


                if (FR_OK == res)
                {
                    uint32_t read_bytes = 0;
                    uint32_t total_bytes = _update_file.fsize-4;
                    uint32_t left_bytes = total_bytes;
                    uint32_t read_actual_bytes = 0;
                    uint32_t index_read = 0;


                    PRINTF_APP_MAIN("update_file.fsize=%d\\r\\n",_update_file.fsize);
                    PRINTF_APP_MAIN("total_bytes=%d\\r\\n",total_bytes);
                    /**/
                    if (total_bytes <= CONFIG_FLASH_APP_SIZE)
                    {
                        volatile uint32_t check_crypt_crc = 0;

                        hardware_crc32_short_start();

                        while (left_bytes > 0)
                        {
                            if (left_bytes > CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE)
                            {
                                read_bytes = CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE;
                            }
                            else
                            {
                                read_bytes = left_bytes;
                            }


                            FRESULT read_res = f_read(&_update_file,read_file,read_bytes,&read_actual_bytes);


                            if (0 == read_actual_bytes)
                            {
                                break;
                            }


                            check_crypt_crc = hardware_crc32_short(read_file,read_actual_bytes);

                            left_bytes = left_bytes - read_actual_bytes;
                        }


                        check_crypt_crc &= 0xFFFFFFFF;


                        (check_crypt_crc ^= 0x00000000);

                        PRINTF_APP_MAIN("check_crypt_crc=%x\\r\\n",check_crypt_crc);


                        FRESULT read_last_res = f_read(&_update_file,read_file,4,&read_actual_bytes);


                        if (FR_OK == read_last_res)
                        {
                            uint32_t source_crc = 0;
                            memcpy(&source_crc,read_file,4);

                            f_close(&_update_file);


                            memset(read_file,0,CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE);

                            PRINTF_APP_MAIN("source_crc=%x\\r\\n",source_crc);

                            if (check_crypt_crc == source_crc)
                            {
                                res = f_open(&_update_file,get_firmware_name,FA_READ);

                                if (FR_OK == res)  
                                {
                                    PRINTF_APP_MAIN("crypt_decode_part\\r\\n");

                                    if (crypt_decode_part(&_update_file,CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS,&get_crc_result,&total_bytes) >= 0)
                                    {
                                        f_close(&_update_file);
                                        PRINTF_APP_MAIN("crypt_decode_part after\\r\\n");
                                        PRINTF_APP_MAIN("total_bytes=%d\\r\\n",total_bytes);
                                        PRINTF_APP_MAIN("get_crc_result=%x\\r\\n",get_crc_result);

                                        uint8_t set_data_buffer[20];

                                        set_data_buffer[0] = (uint8_t)(total_bytes);
                                        set_data_buffer[1] = (uint8_t)(total_bytes>>8);
                                        set_data_buffer[2] = (uint8_t)(total_bytes>>16);
                                        set_data_buffer[3] = (uint8_t)(total_bytes>>24);

                                        set_data_buffer[4] = (uint8_t)(get_crc_result);
                                        set_data_buffer[5] = (uint8_t)(get_crc_result>>8);
                                        set_data_buffer[6] = (uint8_t)(get_crc_result>>16);
                                        set_data_buffer[7] = (uint8_t)(get_crc_result>>24);        

                                        memset(&set_data_buffer[8],0xff,12);

                                        uint8_t idx_check=0;

                                        PRINTF_APP_MAIN("app info[");

                                        for (idx_check=0; idx_check<20; idx_check++)
                                        {
                                            PRINTF_APP_MAIN("%02x ",set_data_buffer[idx_check]);

                                            if(idx_check==3)
                                            {
                                                PRINTF_APP_MAIN("| ");
                                            }
                                        }

                                        PRINTF_APP_MAIN("]\\n");

                                        g_flash_write_bytes(CONFIG_FLASH_APP_SIZE_ADDRESS,set_data_buffer,LENGTH_OF_ARRAY(set_data_buffer));

                                        f_unlink(get_firmware_name);

                                        hw_cpu_reset(); 
                                    }
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            //else
            {
                int res_umount = dfs_elm_unmount(&g_fat);


                PRINTF_APP_MAIN("res_umount=%d\\r\\n",res_umount);

                PRINTF_APP_MAIN("without update file then check app format\\r\\n"); 
                uint32_t get_app_size = flash_read_word(CONFIG_FLASH_APP_SIZE_ADDRESS);
                uint32_t get_app_crc = flash_read_word(CONFIG_FLASH_APP_CRC_ADDRESS);

                PRINTF_APP_MAIN("get_app_size=%d\\r\\n",get_app_size);
                PRINTF_APP_MAIN("get_app_crc=%x\\r\\n",get_app_crc);

                memset(read_file,0,CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE);

                if ((get_app_size > 0) && (get_app_size<= CONFIG_FLASH_APP_SIZE))
                {
                    uint32_t read_bytes,data_offset,calc_crc_val = 0;
                    uint32_t left_bytes = get_app_size;
                    uint32_t flash_addr_index = CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS;


                    PRINTF_APP_MAIN("left_bytes=%d\\r\\n",left_bytes);

                    calc_crc_val = crc32_customized(CONFIG_CRC32_POLY,CONFIG_CRC32_INIT_VALUE,CONFIG_CRC32_OUT_XOR,CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS,get_app_size);

                    PRINTF_APP_MAIN("calc_crc_val=%x\\r\\n",calc_crc_val);


                    if (get_app_crc == calc_crc_val)
                    {
                        PRINTF_APP_MAIN("run app\\r\\n");


                        iap_load_app(CONFIG_FLASH_APP_ADDRESS);
                    }
                }
            }

可以加个后门，比如上电后某个脚为某个电平停留在bootloader阶段，进行OTA响应。
3.5 在KEIL上的应用
3.5.1 准备资源
编写脚本文件另存为
firmware_update.bat

@echo off
set /a CONFIG_DEBUG_SWITCH=1
set /a CONFIG_FLASH_BASE=0x08000000
set /a CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE=(2*1024)
set /a CONFIG_FLASH_TOTAL_SIZE=(512*1024)
set /a CONFIG_BOOTLOADER_SIZE=(40*1024)
set /a CONFIG_APP_MAX_SIZE=(235*1024)
set /a CONFIG_CHECK_TYPE=3
set CONFIG_FN_BOOTLOADER=bootloader.bin
set CONFIG_FN_APP_SOURCE=app_.bin
set CONFIG_FN_APP_OUT=_upfw_.bin
set CONFIG_FN_PRODUCT=product_.bin
set CONFIG_FN_USER=sys.bin


::call clean.bat
copy %CONFIG_FN_BOOTLOADER% .\\bin
copy data_crypt.exe .\\bin
copy %CONFIG_FN_USER% .\\bin
cd bin/
data_crypt %CONFIG_FLASH_TOTAL_SIZE% %CONFIG_FLASH_SECTOR_SIZE% %CONFIG_BOOTLOADER_SIZE% %CONFIG_CHECK_TYPE% %CONFIG_FN_BOOTLOADER% %CONFIG_FN_APP_SOURCE% %CONFIG_FN_APP_OUT% %CONFIG_FN_PRODUCT% %CONFIG_DEBUG_SWITCH% %CONFIG_APP_MAX_SIZE% %CONFIG_FLASH_BASE% %CONFIG_FN_USER%
start %~dp0\\bin

3.5.2 Bootloader的KEIL配置
在keil的User 标签中添加AfterBuild/Rebuild脚本
$K\\ARM\\ARMCC\\bin\\fromelf.exe --bin --output=bin@L.bin ! L
将bootloader.bin存放到mdk项目文件目录下
3.5.3 APP的KEIL配置

固件升级

3.5.4 编译后生成以下目标文件

upfw_app.bin是压缩和加密后的文件
app .bin是未加工的应用程序
product_.bin是用于量产时的烧录文件

固件升级

4 应用场景
4.1 通过电脑升级固件
枚举成大容量存储设备，通过USB线连接到电脑后会枚举出一个U盘，把_upfw_app.bin复制到U盘根目录下后重启即可

可以参考这篇文章做一个USB大容量存储设备STM32大容量存储设备

4.2 通过U盘升级
工作在USB主机模式下，
把_upfw_app.bin复制到一个U盘根目录下，插入U盘后，主机识别到U盘根目录下的文件，拷贝到文件系统，复位重启即可

4.3 通过离线烧录器烧录
在量产时可以使用合并好的未加密的product_.bin

4.4 OTA升级
可通过ymodem协议把加密文件传输到文件系统根目录下，再重启即可，
可以参考涂鸦智能的串口协议的设计，可以参考rtthread自带的ymodem例子，也可以参考小米用到的xmodem来设计自己的OTA

5 总结
加入OTA后，分配给APP的FLASH大小可能会少很多，把运用在实际项目上的经验复盘到自己的开发板上，总结好理论经验，多做几次实际操作，按照这样的方法，应该可以内化吸收，把经验转换成我们内在的东西，再刻意地运用在新的项目上。
做任何事应该都有方法，赚钱有方法，工作有方法，帮助他人有方法，教育孩子有方法，努力是没有用的，有了正确的方法和方向的努力才有用。

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