详解蓝牙空中升级(BLE OTA)原理与步骤

STM32嵌入式开发 2023-07-10 5363

描述

如何实现BLE OTA？什么叫DFU？如何通过UART实现固件升级？又如何通过USB实现固件升级？怎么保证升级的安全性？什么叫双区（dual bank）DFU？什么叫单区（single bank）DFU？什么叫后台式（background）DFU？本文将对上述问题进行探讨。

DFU过程中涉及的所有操作步骤所对应的脚本都放在百度云盘上。

脚本是按照SDK版本进行分类的，建议大家把自己SDK版本对应的脚本下载下来，然后跟着第3章的操作步骤一步一步去实现自己的DFU。

1.概述

所谓DFU（Device Firmware Update），就是设备固件升级的意思，而OTA（Over The Air）是实现DFU的一种方式而已，准确说，OTA的全称应该是OTA DFU，即通过空中无线方式实现设备固件升级。只不过大家为了方便起见，直接用OTA来指代固件空中升级（有时候大家也将OTA称为FOTA，即Firmware OTA，这种称呼意思更明了一些）。只要是通过无线通信方式实现DFU的，都可以叫OTA，比如2G/3G/4G/WiFi/蓝牙/NFC/Zigbee，他们都支持OTA。DFU除了可以通过无线方式（OTA）进行升级，也可以通过有线方式进行升级，比如通过UART，USB或者SPI通信接口来升级设备固件。

不管采用OTA方式还是有线通信方式，DFU包括后台式（background）和非后台式两种模式。后台式DFU，又称静默式DFU（Silent DFU），在升级的时候，新固件在后台悄悄下载，即新固件下载属于应用程序功能的一部分，在新固件下载过程中，应用可以正常使用，也就是说整个下载过程对用户来说是无感的，下载完成后，系统再跳到BootLoader模式，由BootLoader完成新固件覆盖老固件的操作，至此整个升级过程结束。比如智能手机升级Android或者iOS系统都是采用后台式DFU方式，新系统下载过程中，手机可以正常使用哦。非后台式DFU，在升级的时候，系统需要先从应用模式跳入到BootLoader模式，由BootLoader进行新固件下载工作，下载完成后BootLoader继续完成新固件覆盖老固件的操作，至此升级结束。早先的功能机就是采用非后台式 DFU来升级操作系统的，即用户需要先长按某些按键进入bootloader模式，然后再进行升级，整个升级过程中手机正常功能都无法使用。

下面再讲双区DFU（dual bank）和单区DFU（single bank），双区或者单区DFU是新固件和老固件覆盖的两种方式。后台式DFU必须采用双区模式进行升级，即老系统（老固件）和新系统（新固件）各占一块bank（存储区），假设老固件放在bank0中，新固件放在bank1中，升级的时候，应用程序先把新固件下载到bank1中，只有当新固件下载完成并校验成功后，系统才会跳入BootLoader模式，然后擦除老固件所在的bank0区，并把新固件拷贝到bank0中。非后台式DFU可以采用双区也可以采用单区模式，与后台式DFU相似，双区模式下新老固件各占一块bank（老固件为bank0，新固件为bank1），升级时，系统先跳入BootLoader模式，然后BootLoader程序把新固件下载到bank1中，只有新固件下载完成并校验成功后，才会去擦除老固件所在的bank0区，并把新固件拷贝到bank0区。单区模式的非后台式DFU只有一个bank0，老固件和新固件分享这一个bank0，升级的时候，进入bootloader模式后立马擦除老固件，然后直接把新固件下载到同一个bank中，下载完成后校验新固件的有效性，新固件有效升级完成，否则要求重来。跟非后台式DFU双区模式相比，单区模式节省了一个bank的Flash空间，在系统资源比较紧张的时候，单区模式是一个不错的选择。不管是双区模式还是单区模式，升级过程出现问题后，都可以进行二次升级，都不会出现“变砖”情况。不过双区模式有一个好处，如果升级过程中出现问题或者新固件有问题，它还可以选择之前的老固件老系统继续执行而不受其影响。而单区模式碰到这种情况就只能一直待在bootloader中，然后等待二次或者多次升级尝试，此时设备的正常功能已无法使用，从用户使用这个角度来说，你的确可以说此时设备已经“变砖”了。所以说，虽然双区模式牺牲了很多存储空间，但是换来了更好的升级体验。

可参考下面三个图来理解上述过程。

2. Nordic nRF5 SDK DFU工作原理

Nordic nRF5 SDK软件架构跟其他家有点不一样，程序存储区最开始部分放得不是Bootloader，而是蓝牙协议栈Softdevice，应用程序则紧挨着Softdevice，Bootloader则被nRF5 SDK放在程序存储区的最上面，整个存储区结构图如下所示。如果用户还有Flash数据需要存放，那么这些数据紧挨着BootLoader下面。

目前Nordic SDK默认只提供非后台式DFU开箱即用的例子（SDK16.0开始也支持后台式DFU框架），即系统必须先跳到BootLoader中，然后才能通过BLE/UART/USB去接收新的固件。如上所示，如果采用双区模式DFU，那么Bank0放的是应用程序，即老固件，Bank1放的是新固件。平时，Bank1为空或者忽略，系统只跑Bank0里面的应用程序；升级的时候，先跳到BootLoader，然后接收新固件并把它放在Bank1中，最后把Bank1里面的固件拷贝到Bank0中。如果采用单区模式，则没有Bank1这个区。平时，系统只跑Bank0里面的代码；升级的时候，跳到BootLoader，先擦除Bank0里面的老程序，并把新固件直接放在Bank0中。

根据升级时如何跳转到Bootloader，Nordic SDK又将DFU分为按键式DFU和非按键式（Buttonless）DFU，所谓按键式DFU，就是上电时长按某个按键以进入bootloader模式，而非按键式DFU，就是整个DFU过程中设备端无任何人工干预，通过BLE/UART/USB接口给应用程序发送一条指令，应用程序收到指令后再自动跳入bootloader模式。不管是按键式DFU还是非按键式DFU，两者只是进入BootLoader的方式不一样，其余基本一样，尤其是BootLoader工作过程基本上是一模一样的。后面只会阐述非按键式DFU的过程，按键式DFU以此类似，就不再赘述。

程序跳到BootLoader后，根据BootLoader需不需要对新固件进行验签，Nordic SDK又把DFU分为开放式DFU和安全式DFU（又称签名DFU）。开放式DFU，BootLoader不做任何验证，直接把新固件接收下来。安全式DFU，BootLoader存有一把公钥，BootLoader会先用这把公钥验证新固件的签名，只有验签通过，才允许后续的工作：比如把新固件接收下来；如果验签失败，BootLoader将拒绝升级，重新跳回应用程序。

BootLoader可以通过不同的通信接口来接收新的固件，目前Nordic SDK支持BLE，UART和USB三种接口，所以大家可以在Nordic SDK中看到如下三种工程目录：

其中pca0056表示nRF52840对应的开发板编号，S140对应Softdevice的型号，然后ble有两个目录：无debug和有debug，uart和usb也包含同样的两个目录。有debug和无debug两者功能是一样的，两者的区别是：debug版本BootLoader支持日志打印（大家可以通过打印出的日志去理解BootLoader的工作过程），并可以忽略各种校验，debug版本占据的代码空间要大很多；无debug版本 BootLoader不支持日志打印功能并且版本和有效性校验是强制的。正式量产的时候推荐使用无debug版本以节省代码空间。这里要强调一下，不管是debug版本还是无debug版本，两者都可以用Keil进行单步和断点调试。

BLE，UART和USB只是通信方式不一样，他们遵守的DFU流程是一模一样的，这里会以BLE通信接口为例，详细阐述DFU过程，UART和USB与之类似，就不再赘述。

讲述DFU升级之前，先讲一下nRF52的启动流程，上电后，系统先执行softdevice，softdevice通过读取UICR一个寄存器的值，来判断目前系统是否有BootLoader，如果没有BootLoader，系统直接跳到application；如果有BootLoader，系统先跳到BootLoader，BootLoader再根据目前的情况来决定是进入升级模式还是跳往application，BootLoader主要判断如下几种情况：

按键是否按下

保持寄存器GPREGRET1是否为0xB1

上次DFU过程是否还在进行中

应用程序校验是否通过

如果按键没有按下，GPREGRET1不为0xB1，本次复位不是上次DFU的继续，并且应用程序校验通过，那么BootLoader就会直接跳到application，去执行application应用程序。那怎么去校验应用程序的有效性呢？为此BootLoader引入了一个放在Flash的结构体参数：m_dfu_settings_buffer（数据类型：nrf_dfu_settings_t），这个结构体参数虽然只有896字节，但由于Flash只能按页擦除，所以这个参数实际占用了一个Flash page，这个page称为settings page，settings page放在Flash的最后一个页面，settings page目前有2个版本：版本1（SDK15.2及以前版本）和版本2（SDK15.3及以后版本），版本2可以兼容版本1，前面所述的896字节是指settings page版本2的大小。Settings page包含的信息比较多，大家用得比较多的是：

各种版本信息

DFU升级过程信息

Application image的CRC值和大小

应用程序的bonding信息

Init command内容

application/softdevice的启动校验信息（版本2才有）

版本1的settings page只校验application image的CRC值，如果CRC匹配，则认为application有效。版本2的settings page不仅可以校验application image的CRC值，还可以校验application/softdevice的CRC值或者hash值或者签名，你可以选择你自己想要的校验方式，只有CRC值或者hash值或者签名校验通过（三选其一），应用程序才算有效，这时BootLoader才会跳到application去执行。为了保证settings page在发生意外时，比如写settings page过程中发生了复位或者掉电，系统也能正确恢复，SDK15及以后版本引入了一个backup page，backup page也占用一个Flash page，内容和settings page一模一样。

上面是没有触发升级的情况下nRF52的正常启动流程，那如果要执行DFU升级，流程又是怎么样的呢？下面详细讲一下无按键式BLE OTA的工作流程。

1) 正常启动后，系统运行在应用程序中，此时手机通过app发送一条开始DFU的指令给设备，设备收到指令后，将GPREGRET1赋值0xB1，并触发软复位

2) 复位后，系统再次进入BootLoader，因为GPREGRET1等于0xB1，BootLoader进入DFU模式，等待新固件接收

3) 手机先将init packet发送给设备，设备先做前期检验prevalidation，主要是各种版本校验以及签名验签，校验通过后，更新settings page并准备开始数据接收

4) 接收新固件。每接收4kB数据，回复一次CRC校验值，直至整个新固件image接收完毕，如果新固件校验通过（版本1校验CRC值，版本2校验hash值），就会去invalidate（无效化） bank0里面的老固件，更新settings page，并再次触发软复位

5) BootLoader启动后发现有新固件需要activate（激活），此时会去擦掉bank0里面的固件，并把bank1里面的固件拷贝到bank0，然后更新settings page，并再次触发软复位。注：上面讲的是dual bank的流程，single bank与之相似，只不过在第3）步的时候就会去擦除老固件

6) BootLoader再次启动后，检查新image的有效性，校验通过后，跳到新的application去执行代码

从上面流程可以看出，DFU过程中，系统需要跑两段完全独立的代码：Application和BootLoader，Application和BootLoader都支持蓝牙功能，也就是说，两者都有自己的蓝牙广播和蓝牙连接。这里面有一个问题：当系统从Application跳到BootLoader后，手机怎么辨别两者为同一个设备？很多人会说，可以让BootLoader和Application两者的广播名字一样，根据广播名字的一致性，来判断二者来自同一个设备。这种方法存在两个问题：一大部分手机都支持GATT cache（缓存）功能，当application跟手机相连后，手机会把application的GATT数据缓存下来以加快下次连接的速度（这个现象在苹果手机最明显），之后如果系统跳到BootLoader，然后再跟手机相连，如果两者的蓝牙设备地址一样，手机会认为是同一个设备，从而跳过服务发现的过程而直接使用之前缓存下来的GATT数据，这样会导致BootLoader的服务无法被手机发现，从而出现升级失败。二如果多个设备同时在升级，而我们仅仅依靠广播名字来决定两者属不属于同一个设备，这会导致设备A application有可能跟设备B的BootLoader进行错配。为了解决这个问题，Nordic提出了两套方案。方案一，假设application的蓝牙设备地址为x，跳到BootLoader后蓝牙设备地址会变成x+1，这样手机就可以通过这种地址+1的方式来辨别两者属不属于同一个设备，由于application和BootLoader使用不同的蓝牙设备地址，前面的GATT缓存问题也就不存在。关于方案一，有一个问题需要特别注意：如果你想修改例子默认的蓝牙设备地址（比如使用IEEE的public蓝牙MAC地址），此时一定要记得同时更改application和BootLoader的蓝牙设备地址，使他们满足+1的条件，否则Nordic手机DFU库无法辨别两者是否属于同一个设备，以致于无法完成OTA过程。方案二，application和BootLoader的蓝牙设备地址一模一样，但设备跟手机执行配对和bonding操作，设备跟手机bonding后，就可以支持service changed indicate操作，这样跳到BootLoader后可以让手机主动再执行一次服务发现过程，从而解决GATT缓存问题。

很多人对签名验签不是很理解，这里详细说一下它的工作原理。首先，你需要一对公私钥，其中私钥用来生成新固件的签名，公钥用来验证签名的有效性，大家可以用nrfutil来生成自己需要的公私钥对，公私钥制作成功后，私钥一定要妥善保管（一般放在云端），千万不能丢，否则你自己也无法升级自己的设备；也不能被第三方知道，否则升级的安全性就不能保证了。公钥可以变成一个.c文件，并覆盖DFU工程下的同名文件：dfu_public_key.c 。其次，BootLoader要支持签名验签密码算法，这个DFU代码已经有了，并且有四种后端可选：micro-ecc，cc310_bl，Oberon和mbedtls，四选其一即可（这4种后端，只有cc310是硬件实现，其余都是软件实现），nRF52840推荐选择cc310作为算法后端，其他nRF52芯片推荐选择micro-ecc作为算法后端。micro-ecc效率高，占用的代码空间最小，但它的版权是CPOL，只要你能接受CPOL，那么推荐使用micro-ecc；反之，如果接受不了CPOL版权，而且硬件又不支持cc310，那么推荐使用Oberon，不过Oberon占用的代码空间比micro-ecc要大一些，这个大家注意一下。再次，手机端要生成新固件的签名，并把新固件的签名传给设备端。大家还是可以用nrfutil去生成新固件的签名。最后，BootLoader接收到新固件hash值和签名，并使用自己的公钥对该签名进行验签。这里说一下，由于nrfutil是PC端应用程序，所以它可以集成各种加密算法库，并完成上面提及的公私钥对，hash和签名的生成工作。

3. DFU升级步骤详解

3.1 安全式蓝牙空中升级步骤

如前所述，Nordic SDK已经提供了DFU例子，下面我们一步一步给大家讲解如何通过Nordic SDK来实现无按键式蓝牙空中升级。欲实现空中升级，设备需要同时下载softdevice，应用程序，BootLoader程序，以及BootLoader settings page。其中BootLoader代码位于目录：SDK根目录examplesdfusecure_bootloader，然后在该目录下选择你对应的板子和工程。Application对应的目录：SDK根目录examplesle_peripheralle_app_buttonless_dfu，而softdevice所在目录：SDK根目录componentssoftdevice。

下面我们以nRF52832/PCA10040和S132/SDK16为例阐述无按键式蓝牙空中升级实现步骤，其他芯片/softdevice/SDK原理与之类似，这里就不再赘述。当然，不同芯片不同softdevice不同SDK，他们的实现脚本还是会有一些细微差别，所以强烈建议大家去百度网盘下载跟大家相匹配的脚本，百度网盘里面各个脚本的命名规则请参考3.2节。

1) 安装PC版nrfutil。nrfutil安装有两种方式，一种是直接下载exe文件，一种是以Python的方式进行安装。nrfutil.exe直接下载链接为：https://github.com/NordicSemiconductor/pc-nrfutil/releases，记得把nrfutil.exe所

在目录放在Windows环境变量中。Python方式安装nrfutil步骤如下所示：

安装Python2.7或者Python3.7，下载地址：https://www.python.org/downloads/，安装成功后请确保Windows环境变量包含Python目录

通过pip安装最新版的nrfutil，即打开Windows命令行工具CMD（管理员权限），输入如下命令：pip install nrfutil，即可以完成nrfutil的安装。

安装完成后，在Windows命令行工具输入：nrfutil version，如果可以正确显示版本信息，说明安装已经成功

对于Windows用户，nrfutil运行需要几个特殊的DLL库，而这几个库有些Windows机器是没有的，如此，可往：https://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=40784下载

2) 通过nrfutil生成公私钥对。

私钥生成命令：nrfutil keys generate priv.pem （priv.pem就是私钥）

公钥生成命令：nrfutil keys display --key pk --format code priv.pem --out_file dfu_public_key.c （dfu_public_key.c就是公钥）

大家务必要保存好私钥priv.pem，以后每次升级新固件时，都会通过这个私钥对它进行签名，一旦priv.pem丢失或者被暴露，DFU将无法进行或者变得不安全

3) 请确保已把Nordic nRF5 SDK开发环境搭建成功

4) 生成micro-ecc算法库。由于micro-ecc是第三方算法库，需要用户自己去安装（这个是版权的要求，没办法直接编译放在SDK中）。请先确保电脑已安装了git和GCC编译器，然后直接点击SDK如下目录的build_all脚本，就可以自动完成micro-ecc算法库的安装。为了方便一些开发者评估，我这里在自己电脑上生成了micro-ecc算法库，micro-ecc目录编排结构有两种：SDK14及以后版本是一种目录结构（百度云盘压缩包名称：micro_ecc_new.rar），SDK13和SDK12又是一种目录结构（百度云盘压缩包名称：micro_ecc_old.rar），这两个压缩包只是目录不一样，里面的算法库内容其实是一样的，这两个压缩包大家都可以在前面的百度云盘中找到，以供大家评估使用。大家下载下来后，直接覆盖同名目录即可。注意：百度云盘里面的micro-ecc库仅供大家评估使用，如要商用，请大家按照上面步骤去生成。

5) 编译bootloader代码。将刚才的dfu_public_key.c取代SDK根目录examplesdfu下的同名文件，然后使用Keil编译如下目录中的工程：

SDK根目录examplesdfusecure_bootloaderpca10040_blearm5_no_packs，或者nRF5SDK160098a08e2examplesdfusecure_bootloaderpca10040_s132_blearm5_no_packs

，将生成的hex文件改名为：bootloader.hex（注：本文所有项目都会采用Keil工程来讲解，如果你使用其他IDE，请选择其对应的工程文件进行编译，不管是Keil还是其他IDE，除了编译时候选择的工程文件不一样，其余都大同小异，大家可以举一反三完成其他IDE的相应工作）

6) 编译application代码。请编译工程：

SDK根目录 examplesle_peripheralle_app_buttonless_dfupca10040s132arm5_no_packs，将生成的hex文件改名为：app.hex

7) 生成BootLoader settings page。Bootloader settings page存储在Flash最后一个page，如前所述，BootLoader settings page有2个版本，他们的生成脚本命令如下所示：

版本2生成命令：

nrfutil settings generate --family NRF52 --application app.hex --application-version 1 --bootloader-version 1 --bl-settings-version 2 settings.hex

版本1生成命令：

nrfutil settings generate --family NRF52 --application app.hex --application-version 1 --bootloader-version 1 --bl-settings-version 1 settings.hex

8) 烧写固件。将上文生成的3个hex文件和softdevice hex文件merge成一个文件，然后通过nrfjprog或者nRF Connect桌面版进行烧写，相关命令如下所示：

合并hex文件命令：

mergehex --merge bootloader.hex settings.hex --output bl_temp.hex 
mergehex --merge bl_temp.hex app.hex s132_nrf52_7.0.1_softdevice.hex --output whole.hex

烧写hex文件命令（以nrfjprog为例）：

nrfjprog --eraseall -f NRF52 
nrfjprog --program whole.hex --verify -f NRF52 
nrfjprog --reset -f NRF52

9) 通过nrfutil生成新固件对应的zip包：new_app.zip。zip包包含新固件（新固件广播名改为：Nordic_New，其余跟老固件一模一样）和init包，zip包一般通过云端下发到手机app，手机app再通过蓝牙下载到设备中。生成zip包的命令如下所示：

nrfutil pkg generate --application app_new.hex --application-version 2 --hw-version 52 --sd-req 0xCB --key-file priv.pem SDK160_app_s132.zip

其中，--application表示新固件hex文件。--hw-version表示板子版本，只要BootLoader里面的hw version和这里的hw version对应起来，大家可以改成任何自己想要的值。--key-file 表示签名用的私钥文件。--sd-req表示老固件运行在哪个版本softdevice上，这个值一定要跟自己的softdevice相匹配，否则无法升级，各个softdevice版本ID信息可以通过命令“nrfutil pkg generate --help”获得，如下为当前所有softdevice ID列表：

10) 将“new_app.zip”拷贝到手机上。安卓和苹果手机都可以通过微信的‘文件传输助手’拷过去，非常方便。请注意，手机nRF Connect和nRF Toolbox都支持DFU功能，苹果手机拷贝的时候可以随便选择其中一个app。

11) 通过手机版nRF Connect或者nRF Toolbox进行蓝牙空中升级，这里以nRF Connect为例阐述升级详细步骤，nRF Toolbox与此类似，就不再赘述

第8）步完成后，开发板就可以正常跑起来，并广播为Nordic_Buttonless

连接该设备，使能CCCD（这一步可选），然后选择“DFU”，如下所示：

选择“DFU”后，将跳出一个对话框，让你选择新固件对应的zip包。由于zip包放在了微信下面的download目录下，我们需要通过文件浏览器找到这个zip包，大家可以先用系统自带的文件浏览器打开这个zip包（如果打开失败，那么大家就要去下载一些第三方的文件浏览器了，比如es explorer），相关操作界面如下所示：

一旦zip包打开成功，升级过程开始，界面如下所示：

升级成功后，设备将运行新固件，即广播名字将变成：Nordic_New，如下所示：

如上以nRF52832/S132为例阐述了Nordic SDK实现无按键式签名式蓝牙空中升级的详细步骤，Nordic SDK有多个版本，从SDK13.0.0到现在SDK16.0.0，他们的升级步骤基本上一模一样，大家完全可以参考上述步骤来做。SDK12升级步骤也与上述步骤基本一样，唯一如下地方需要注意一下：

编译application代码的时候，把如下语句注掉，否则会造成BootLoader和application两者的hex文件相冲突

3.2节会按照上述步骤，对一些经典的安全式BLE OTA例子进行测试，并生成可直接运行的脚本，以供大家参考。

3.2 各种安全式蓝牙空中升级例子

3.1节是以升级nRF52832 application为例，详细阐述了安全式BLE OTA步骤。除了升级application，有的人还需要升级softdevice和BootLoader；除了52832，有的人还会用52840/52833/52811/52810/51822等；除了SDK16.0.0，有的人还会用SDK15.3/15.2/14.2/12.3等。为此我选了一些经典组合，将他们DFU用得的所有脚本都做好了，并进行了实际测试，有需要的可以去百度网盘下载。这些脚本在百度网盘的命名规则为：安全模式_固件传输接口_升级哪一部分固件_SDK版本号_芯片型号.rar，比如secure_ble_S132_app_SDK160_nRF52832.rar表示采用安全签名，固件通过BLE传输，BLE使用S132协议栈，升级的时候只升级application而不升级BootLoader和SoftDevice，基于SDK16.0.0和nRF52832。

目前百度网盘上传了如下安全式BLE OTA示例脚本（注：这些脚本都经过我的测试，全都可以直接运行）：

secure_ble_S132_app_SDK160_nRF52832.rar

secure_ble_S140_app_sd_bl_SDK160_nRF52840.rar

secure_ble_S132_app_SDK153_nRF52832.rar

secure_ble_S132_app_SDK152_nRF52832.rar

secure_ble_S132_app_SDK150_nRF52832.rar

secure_ble_S140_app_SDK150_nRF52840.rar

secure_ble_S132_app_SDK142_nRF52832.rar

secure_ble_S132_app_SDK123_nRF52832.rar

secure_ble_S130_app_SDK123_nRF51.rar

3.3 通过UART口进行安全式固件升级示例脚本

我们以nRF52810为例来阐述如何通过UART进行安全式固件升级步骤：

1) 请参考3.1节第1）到第4）步，完成nrfutil安装，mico-ecc算法库生成，以及公私钥生成

2) 编译bootloader代码。将刚才的dfu_public_key.c取代SDK根目录examplesdfu下的同名文件，确保sdk_config.h中的NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_BUTTON为1，然后使用Keil编译如下目录中的工程：

SDK根目录 examplesdfusecure_bootloaderpca10040e_uartarm5_no_packs

，将生成的hex文件改名为：bootloader.hex

3) 编译application代码。3.1节讲述OTA的时候，我们选择的例子是ble_app_buttonless_dfu，因为我们是通过蓝牙给设备发送一条命令，从而让设备进入DFU模式。通过串口升级固件，如何进入DFU模式，取决于你的应用设计，你可以采用通过发送蓝牙命令让其进入DFU模式，也可以通过上电检测按键是否按下以决定是否进入DFU模式。如果想采用ble_app_buttonless_dfu作为application，那么你需要把该工程中的main函数如下语句删掉（这些语句是为蓝牙版BootLoader设计的，我们现在是UART版BootLoader，不支持这些语句）：

err_code = ble_dfu_buttonless_async_svci_init();
APP_ERROR_CHECK(err_code);

这里我们选择以上电检测按键的方式来决定是否进入DFU模式，并以ble_app_blinky作为应用例子，请直接编译如下工程：

SDK根目录examplesle_peripheralle_app_blinkypca10040es112arm5_no_packs，将生成的hex文件改名为：app.hex

4) 生成BootLoader settings page并同时烧写老固件，双击“program.bat”即可完成，这个脚本是使用nrfjprog来完成固件烧写的。

5) 生成新固件zip包并进行UART DFU，双击“dfu.bat”即可完成，这个脚本是使用nrfutil作为UART主机，并将新固件通过电脑COM口传给设备的。请记得一定要修改脚本中的UART对应的电脑COM口，否则升级无法完成。

注：所有bat脚本都可通过右键选择Notepad++打开，然后查看里面包含的具体命令，并按照自己的需求进行修改。如需进一步理解脚本中的命令，请参考3.1节的说明。

上述所有操作步骤已打包并上传到百度网盘，请去网盘下载文件：secure_uart_app_SDK160_nRF52810.rar，这个文件已经过我的测试，大家可以直接使用。

3.4 通过USB口进行安全式固件升级示例脚本

我们以nRF52840为例来讲述如何通过USB进行安全式固件升级，其实通过USB口升级固件步骤与3.3节的操作几乎一模一样，唯一不同的是，选择如下目录的BootLoader工程进行编译：

SDK根目录 examplesdfusecure_bootloaderpca10056_usbarm5_no_packs

通过USB口进行安全式固件升级示例脚本已打包并上传到百度网盘，请去网盘下载文件：

secure_usb_app_SDK160_nRF52840.rar，这个文件已经过我的测试，大家可以直接使用。

3.5 通过USB口进行开放式固件升级示例脚本

我们还是以nRF52840为例来讲述如何通过USB进行开放式固件升级，其升级步骤与3.3节的操作几乎一模一样，唯一不同的是，选择如下目录的BootLoader工程进行编译：

SDK根目录 examplesdfuopen_bootloaderpca10056_usbarm5_no_packs

相关脚本已上传百度网盘，请下载：

open_usb_app_SDK160_nRF52840.rar，这个文件已经过我的测试，大家可以直接使用。

3.6 开放式蓝牙空中升级（Legacy DFU）步骤

所谓开放式OTA，是指OTA过程中，不需要检验新固件的签名，也就是说BootLoader代码里面不包含公钥及相关密码算法库，升级的时候，只校验版本信息，版本校验通过，就可以开始升级流程。Nordic SDK目前支持两套开放式OTA方案，一套是SDK15和SDK16提供的，一套是SDK9/SDK10/SDK11提供的。SDK15/16提供的开放式OTA工作原理和流程，与安全式OTA基本上一样，只不过删掉了签名验签部分。SDK9/SDK10/SDK11提供的开放式OTA也叫legacy OTA DFU，它的工作流程与SDK15/16略有不同，下面将以nRF52832/S132为例，阐述如何在SDK11中实现无按键式开放式蓝牙空中升级，详细步骤如下所示：

1) 编译bootloader代码，请使用Keil编译目录“nRF5_SDK_11.0.0_89a8197examplesdfuootloaderpca10040dual_bank_ble_s132arm5_no_packs”中的工程，将生成的hex文件改名为bootloader.hex

2) 编译application代码，请编译目录“nRF5_SDK_11.0.0_89a8197examplesle_peripheralble_app_hrspca10040s132_with_dfuarm5_no_packs”中的工程，将生成的hex文件改名为app.hex

3) 将softdevice，bootloader和app三个hex文件合成一个文件，命令如下所示：

mergehex --merge s132_nrf52_2.0.1_softdevice.hex app.hex bootloader.hex –output whole.hex

4) 烧写固件到设备中，大家可以用nRF Connect桌面版烧写，也可以通过nrfjprog烧写，nrfjprog烧写命令如下所示：

nrfjprog.exe --eraseall -f NRF52
nrfjprog --program whole.hex --verify -f NRF52

5) 另外我们还需要在Flash中写一个application有效标志位，从而上电后程序直接跑到application中去执行，而不是停留在bootloader中不出来，其对应的命令如下所示：

nrfjprog --memwr 0x0007F000 --val 0x01 --verify -f NRF52

6) 用老版本的nrfutil生成新固件对应的zip包。该zip包除了包含新固件image，还包含一些配置信息。升级时，zip包会通过云端下发到手机端app，手机端app再把zip包传给蓝牙设备以进行固件升级。请使用老版本nrfutil（版本号0.3.0）来生成该zip包，老版本nrfutil跟随nRFgo studio一起安装的，只要你安装了nRFgo studio，老版本nrfutil就会自动安装好，并放在目录“C:Program Files (x86)Nordic Semiconductor RFgo Studio”中。生成zip包对应的命令如下所示：

nrfutil dfu genpkg --application app_new.hex --application-version 1 SDK110_app_s132.zip

7) 把上述的‘SDK110_app_s132.zip’拷到手机中，安卓和苹果手机都可以通过微信的‘文件传输助手’拷过去，非常方便。注：手机nRF Connect和nRF Toolbox都支持DFU功能，苹果手机拷贝的时候可以随便选择其中一个app。

8) 使用nRF Connect或者nRF Toolbox来完成DFU过程。这里以nRF Connect为例来阐述整个升级过程。

成功执行完第5）步后，如果开发板运行正常，那么它将进行广播，广播名字为：Nordic_HRM

连接该设备，并使能CCCD，然后选择“DFU”

一旦zip包打开成功，升级过程开始，界面如下所示：

升级成功，设备将自动启动，此时你会看到新固件已经在运行，广播名字也变成了：Nordic_HRM_new，如下所示：

目前百度网盘上传了如下开放式BLE OTA示例脚本（注：这些脚本都经过我的测试，全都可以直接运行）：

open_ble_S132_app_SDK110_nRF52832.rar

open_ble_S130_app_SDK110_nRF51.rar

如果你的应用是基于SDK11开发的，并且需要集成DFU功能，请参考上述例子ble_app_hrs来移植DFU功能，主要工作包括两部分：一把BLE_DFU_APP_SUPPORT这个宏包括的所有代码拷到你的工程中，二如果你的设备支持bonding的话，还需把Device manager相关代码也拷到你的工程中，如此即可完成DFU功能的移植。

4. 详解如何移植DFU功能到ble_app_uart

为了让SDK14及以后版本的ble_app_uart具有DFU功能，有2种做法，一是把NUS服务移植到ble_app_buttonless_dfu中，这种方法相对来说更简单，大家可以自己去实践一下；二是把DFU服务移植到ble_app_uart中，这种移植方式挑战更大，但更有利于我们理解DFU的工作原理，我们现在就来阐述如何给ble_app_uart加上OTA功能。如前所述，OTA过程中，手机跟设备可以进行配对和bonding，也可以用明文进行蓝牙通信。配对bonding的时候，我们可以让BootLoader和application共享bonding信息，也可以只让application进行配对bonding，而BootLoader还是以明文方式进行蓝牙通信。

Nordic已经把DFU服务做成了一个模块，大家只要把这个模块加到自己的应用中，然后完成一些必须的配置，初始化以及回调函数的撰写，再加上把SVCI模块（SVCI模块主要用来修改BootLoader的一些配置参数）加入到应用中移植即可大功告成。在SDK中，DFU服务的名字是：BLE_DFU_SERVICE，这个服务放在文件ble_dfu.c中，而ble_dfu.c又有两个后端实现：ble_dfu_unbonded.c和ble_dfu_bonded.c，分别对应无bonding明文蓝牙连接和有bonding的蓝牙连接，下面也将分这两种情况详细阐述移植过程。

4.1 明文正常连接OTA（无bonding）

1) 用Keil打开如下工程：SDK根目录examplesle_peripheralle_app_uartpca10040s132arm5_no_packs

2) 添加DFU服务有关的文件，目录和宏定义。首先添加如下DFU目录及相关文件：

在define中添加这些宏：DEBUG DFU_SUPPORT BL_SETTINGS_ACCESS_ONLY NRF_DFU_SVCI_ENABLED NRF_DFU_TRANSPORT_BLE=1，其中DEBUG宏只是为了调试方便而设置的，跟DFU本身无关。DFU_SUPPORT是我用来控制我添加的DFU代码的，删掉DFU_SUPPORT，将不编译所有DFU有关代码。其余的宏都是系统自带的，如果要支持DFU，就必须要添加。

然后包含如下目录：

3) 修改sdk_config.h文件。首先我们需要使能BLE_DFU模块，及选择OTA蓝牙连接方式，如下为使用明文进行蓝牙通信的配置：

#define BLE_DFU_ENABLED 1
#define NRF_DFU_BLE_BUTTONLESS_SUPPORTS_BONDS 0

同时我们还需要修改softdevice配置。现在整个应用包括2个供应商自定义UUID：NUS和DFU（其实这两个UUID可以合成一个，但由于历史原因，DFU和NUS分别使用了两个不同的vs UUID），相应地ATT table size也要变大，然后应用程序RAM起始地址也需要跟着变，如下（注：这里的NRF_SDH_BLE_GATTS_ATTR_TAB_SIZE 设置得稍稍偏大）：

#define NRF_SDH_BLE_GATTS_ATTR_TAB_SIZE 1600
#define NRF_SDH_BLE_VS_UUID_COUNT 2

修改应用程序RAM起始地址，如下：

4) 修改main.c文件。首先添加如下头文件：

#include "ble_dfu.h"
#include "nrf_bootloader_info.h"
#include "nrf_power.h"

然后在main函数的开始处，添加修改BootLoader广播名字的代码，由于iOS DFU的时候默认就会去改广播名字，为了兼容iOS，这一行代码是必须的：

err_code = ble_dfu_buttonless_async_svci_init();
APP_ERROR_CHECK(err_code);

然后在services_init()中添加ble dfu服务

dfus_init.evt_handler = ble_dfu_evt_handler;
err_code = ble_dfu_buttonless_init(&dfus_init);
APP_ERROR_CHECK(err_code);

ble_dfu_evt_handler回调函数的撰写，大家只要按照要求来，就没问题，如果应用只支持一个连接，那么ble_dfu_evt_handler可以直接为空。如果应用支持多个连接，可以参考ble_app_buttonless_dfu做法，这里就不贴代码了。

5) 在跳转到bootloader之前，如果你想做一些专门的代码处理，比如完成pending的Flash操作，比如关闭某些模块，那么你可以注册一个app_shutdown_handler来做这些工作。（注：这一步不是必须的，是可选的！）

NRF_PWR_MGMT_HANDLER_REGISTER(app_shutdown_handler, 0);

6) （这一步可选）之前的ble_app_uart是没有BootLoader的，所以启动起来非常快。现在加了BootLoader代码，为了加快system off唤醒的速度，可以定义如下语句，

 nrf_power_gpregret2_set(BOOTLOADER_DFU_SKIP_CRC);

然后先disable softdevice，然后再进入system off模式。这一步本身跟DFU没有什么关系，主要是为了加快程序启动速度而另加的。

7) 编译工程，并将生成的hex文件改名为“app.hex”

8) 然后按照3.1节的步骤一步一步完成后续的DFU过程。

4.2 bonding连接OTA

4.1节的工程已经移植了DFU功能，现在我们再把bonding功能移植到4.1节工程上，就可以让我们的应用同时支持DFU和bonding。Bonding功能是通过peer_manager模块来实现的，大家只要把peer_manager有关的文件添加进来，就可以实现bonding的目标。

1) 打开4.1节的工程

2) 添加如下文件：

3) 修改sdk_config.h文件，需要修改多个地方，如下：

#define PEER_MANAGER_ENABLED 1
#define FDS_ENABLED 1
#define NRF_SDH_BLE_SERVICE_CHANGED 1
#define NRF_FSTORAGE_ENABLED 1
#define NRF_DFU_BLE_BUTTONLESS_SUPPORTS_BONDS 1

当NRF_DFU_BLE_BUTTONLESS_SUPPORTS_BONDS设为1时，表示application将与主机进行bonding，同时该bonding信息将共享给BootLoader，也就是说，进入bootloader模式后，主机将使用以前的bonding信息与设备进行加密连接。

4) 在main.c文件开头，包含如下头文件：

#include "peer_manager.h"

5) 在main函数中添加peer_manager_init()，其定义如下所示：

static void peer_manager_init()
{
    ble_gap_sec_params_t sec_param;
    ret_code_t           err_code;

    err_code = pm_init();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    memset(&sec_param, 0, sizeof(ble_gap_sec_params_t));

    // Security parameters to be used for all security procedures.
    sec_param.bond           = SEC_PARAM_BOND;
    sec_param.mitm           = SEC_PARAM_MITM;
    sec_param.lesc           = SEC_PARAM_LESC;
    sec_param.keypress       = SEC_PARAM_KEYPRESS;
    sec_param.io_caps        = SEC_PARAM_IO_CAPABILITIES;
    sec_param.oob            = SEC_PARAM_OOB;
    sec_param.min_key_size   = SEC_PARAM_MIN_KEY_SIZE;
    sec_param.max_key_size   = SEC_PARAM_MAX_KEY_SIZE;
    sec_param.kdist_own.enc  = 1;
    sec_param.kdist_own.id   = 1;
    sec_param.kdist_peer.enc = 1;
    sec_param.kdist_peer.id  = 1;

    err_code = pm_sec_params_set(&sec_param);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    err_code = pm_register(pm_evt_handler);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}

添加pm_evt_handler定义，代码如下所示：

static void pm_evt_handler(pm_evt_t const * p_evt)
{
    pm_handler_on_pm_evt(p_evt);
    pm_handler_flash_clean(p_evt);
}

尤其要检查如下代码有没有添加，由于iOS DFU的时候默认就会去改广播名字，为了兼容iOS，这一行代码是必须的

err_code = ble_dfu_buttonless_async_svci_init();
APP_ERROR_CHECK(err_code);

6) 在ble_evt_handler中删除BLE_GAP_EVT_SEC_PARAMS_REQUEST分支，因为这个分支在peer_manager模块中已经进行处理了，这里再处理一次，会产生异常：

//        case BLE_GAP_EVT_SEC_PARAMS_REQUEST:
//            // Pairing not supported
//            err_code = sd_ble_gap_sec_params_reply(m_conn_handle, BLE_GAP_SEC_STATUS_PAIRING_NOT_SUPP, NULL, NULL);
//            APP_ERROR_CHECK(err_code);
//            break;

7) 修改advertising_start定义，增加删除bonding信息功能（如果你不需要这个功能，也可以不改）

8) （此步可选）一般来说，如果用户在手机端把配对信息删掉了，为了安全起见，设备端也需要把相关配对信息清掉，然后才可以允许手机和设备再次进行配对和bonding。如何触发设备端bonding信息的删除操作？可以通过按键检测的方式来做，比如目前我们这个例子的做法。但是有很多设备没有按键，而且很多人希望这种二次配对的操作对用户来说无感，即哪怕用户删掉了手机端配对信息，如果用户想发起第二次配对请求，设备也能接受，而且操作过程跟用户第一次发起配对请求的过程一模一样。Nordic SDK其实是兼容这种操作的，用户只需在pm_evt_handler()中添加如下代码即可：

        if (p_evt->evt_id == PM_EVT_CONN_SEC_CONFIG_REQ)
        {
                pm_conn_sec_config_t cfg;
                cfg.allow_repairing = true;
                pm_conn_sec_config_reply(p_evt->conn_handle, &cfg);
        }

9) 上述所有代码都包括在“BONDING_SUPPORT”宏中。

10) 编译工程，将生成的hex文件改名为app.hex

11) 然后按照3.1节步骤来执行OTA过程，不过如下几点需要注意：

如果你在应用中把NRF_DFU_BLE_BUTTONLESS_SUPPORTS_BONDS设为1，那么bootloader代码就不能采用默认配置，请修改bootloader工程中的sdk_config.h文件中的如下宏定义，然后重新编译生成新的bootloader.hex。

              #define NRF_DFU_BLE_REQUIRES_BONDS 1
              #define NRF_SDH_BLE_SERVICE_CHANGED 1

在nRF Connect中勾选“keep bond information”选项，如下：

手机连接设备成功后，请手动使能CCCD，以让手机自动发起bonding请求

DFU升级成功后，设备将会与手机自动重连，此时需点击“Refresh services”，以获得设备最新服务列表，如下：

上述代码工程我已打包成：ble_app_uart_ota_SDK16_0_0.rar，并上传到百度网盘，大家下载下来解压缩到：SDK根目录examplesle_peripheral这个目录下，就可以直接编译和运行。DFU过程中用到的所有脚本我也帮大家做好了，大家可以直接下载下来使用，其中secure_ble_S132_uart_SDK160_nRF52832_Nobonding.rar对应明文蓝牙传输，secure_ble_S132_uart_SDK160_nRF52832_bonding.rar对应bonding蓝牙传输。

5 手机端DFU参考代码

Nordic不仅提供DFU设备端的参考代码，同时提供手机端的参考代码。Nordic分别开发了Android版和iOS版的DFU库，大家可以直接拿过来使用，集成到自己的移动端app中，这两个库都放在github上，链接如下所示：

Android版DFU库：https://github.com/NordicSemiconductor/Android-DFU-Library

iOS版DFU库：https://github.com/NordicSemiconductor/IOS-Pods-DFU-Library

Nordic还提供了一个移动端app：nRF Toolbox，nRF Toolbox是代码开源的，里面也集成了上面提到的DFU库，大家可以参考nRF Toolbox来开发自己的移动端app。nRF Toolbox源码也可以在github上找到：

Android版nRF Toolbox源代码及开发说明请参考：https://github.com/NordicSemiconductor/Android-nRF-Toolbox

iOS版nRF Toolbox源代码及开发说明请参考：https://github.com/NordicSemiconductor/IOS-nRF-Toolbox

nRF Toolbox软件界面如下所示：

　　审核编辑：汤梓红

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