AVR嵌入式評(píng)估板執(zhí)行固件更新的技巧和訣竅

幾乎所有的嵌入式系統(tǒng)都需要能夠在現(xiàn)場(chǎng)更新其固件，從而添加新特性或修復(fù)漏洞。然而，固件現(xiàn)場(chǎng)更新可能會(huì)頗具挑戰(zhàn)性，因?yàn)殚_發(fā)人員必須編寫自己的引導(dǎo)程序或從第三方元器件供應(yīng)商處購(gòu)買引導(dǎo)程序。

有一個(gè)較為簡(jiǎn)單的方法。本文將介紹如何使用很多微控制器都會(huì)內(nèi)置但通常會(huì)被忽視的設(shè)備固件更新 (DFU) 功能。

固件更新選項(xiàng)

從頭開始開發(fā)引導(dǎo)程序并非易事。開發(fā)人員需要解析他們的閃存空間，以便多個(gè)應(yīng)用可以共存。然后，他們還需要開發(fā)幾種方法在不使用編程工具的情況下將其編譯的二進(jìn)制程序轉(zhuǎn)移到微控制器中。這需要他們開發(fā)自己的通信協(xié)議或者需要添加外部存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)新映像而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。他們還要增加其微控制器上的內(nèi)存容量。

同樣地，軟件本身也會(huì)變復(fù)雜，因?yàn)橐龑?dǎo)程序需要設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)及確定跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用代碼是否安全。

使用定制引導(dǎo)程序可以為開發(fā)人員提供其應(yīng)用非常需要的靈活性，但很多無(wú)需開發(fā)人員工作量的應(yīng)用可以采用一種固件更新標(biāo)準(zhǔn)：USB 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置設(shè)備固件更新 (DFU) 類。這可用于通過(guò)其 USB 端口在現(xiàn)場(chǎng)更新微控制器的應(yīng)用代碼，從而大大減少固件升級(jí)過(guò)程和開發(fā)周期。

DFU 已經(jīng)普遍使用，這使得一些微控制器供應(yīng)商（如STMicroelectronics）甚至都提供了執(zhí)行硬編碼到其 ROM 中的更新所需的軟件。那些沒(méi)有提供的，通常會(huì)提供如何支持 DFU 的示例代碼。

選擇適合 DFU 的微控制器

支持 DFU 的最簡(jiǎn)單方法是選擇一個(gè)已經(jīng)在其 ROM 中包含 DFU 的微控制器，如 STMicroelectronics 的STM32 IoT Discovery 節(jié)點(diǎn)和STM32F429 Discovery 套件上的設(shè)備。

圖 1： STMicroelectronics STM32 IoT Discovery 節(jié)點(diǎn)基于運(yùn)行STM32L475MCU（其中包含用于固件更新的 DFU 模式功能）的 ARM?Cortex?-M4 核。此特定設(shè)備設(shè)計(jì)用作 IoT 節(jié)點(diǎn)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

STM32 IoT Discovery 節(jié)點(diǎn)是一種低成本開發(fā)板，設(shè)計(jì)用作 IoT 傳感器節(jié)點(diǎn)。該開發(fā)板包括幾個(gè)不同的接口，用于連接 Wi-Fi 和藍(lán)牙等板。讓人感興趣的是，板載STM32L475 為開發(fā)人員提供在設(shè)計(jì)用于連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備上測(cè)試和使用 DFU 功能的能力。

對(duì)于只想在獨(dú)立的正常設(shè)備上測(cè)試 DFU 的開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，STM32F429 Discovery 套件是STM32F4系列微控制器的知名、低成本開發(fā)套件。我們來(lái)討論開發(fā)人員如何著手開始在這些微控制器上測(cè)試 DFU。

圖 2： STMicroelectronics STM32F429 Discovery 套件基于ARM?Cortex?-M4 核。這個(gè)低成本開發(fā)板的 MCU 還包括用于進(jìn)行固件更新的 DFU 模式功能。（圖片來(lái)源： STMicroelectronics）

一個(gè)簡(jiǎn)單的 DFU 示例

每個(gè)微控制器訪問(wèn) DFU 的方式都不同。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)看一看開發(fā)人員如何在運(yùn)行 STM32L475 MCU 的設(shè)備上更新其固件。

如前所述，STM32 微控制器包括內(nèi)置到其 ROM 中的 DFU 引導(dǎo)程序。要訪問(wèn)該引導(dǎo)程序，開發(fā)人員需要在 MCU 啟動(dòng)時(shí)拉動(dòng)其中一個(gè) BOOT 引腳將其接地。BOOT 引腳控制 MCU 啟動(dòng)時(shí)所處的模式，如從閃存、RAM 中啟動(dòng)，或者我們首選的 DFU USB 模式。

使用 DFU 準(zhǔn)備要供用戶下載的應(yīng)用不需要開發(fā)人員進(jìn)行任何額外的工作。GNU 編譯器收集 (GCC) 以及很多其他工具鏈支持在編譯應(yīng)用時(shí)生成 DFU 文件。在這里，開發(fā)人員的唯一訣竅是確定該文件的存儲(chǔ)位置：跟所有典型應(yīng)用一樣，要找到 .dfu 文件，可以參見調(diào)試或?qū)ο笪募A。

DFU 文件與二進(jìn)制格式、s-record 格式和十六進(jìn)制文件等其他應(yīng)用記錄格式非常相似。文件格式包括通過(guò) USB 中繼轉(zhuǎn)發(fā)、處理、然后寫入閃存內(nèi)指定位置的地址和數(shù)據(jù)信息。該過(guò)程無(wú)縫連接，使開發(fā)人員很少（如果有的話）需要檢查正被使用的協(xié)議。這些都是在后臺(tái)進(jìn)行的，可幫助降低固件更新過(guò)程和開發(fā)工作的復(fù)雜性。

開發(fā)人員可以使用幾個(gè)不同的工具通過(guò) DFU 將他們的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到微控制器中。dfu-util 是可以使用的一般命令行工具。它在 Linux 和 Windows?上都以開源軟件包形式提供。如果開發(fā)人員使用 STM 工具鏈，他們就可以利用 STMicroelectronics 應(yīng)用 DfuSe（圖 3）。

圖 3： STMicroelectronics DfuSe 工具可用于編程由 GCC 等編譯器生成并加載到適合 DFU 的微控制器中的 DFU 文件。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group）

DfuSe 是 Windows GUI 實(shí)用工具，可檢測(cè)已在 DFU 模式下通電并通過(guò) USB 連接到計(jì)算機(jī)的任何 STM32 設(shè)備。開發(fā)人員可以檢索編程供應(yīng)商和產(chǎn)品 ID 等信息。如果沒(méi)有對(duì)閃存空間采取適當(dāng)?shù)陌踩Ｗo(hù)，他們甚至可以復(fù)制 MCU 的存儲(chǔ)內(nèi)容并使用上傳操作框?qū)⑵浯鎯?chǔ)在計(jì)算機(jī)上。

使用 DfuSe 時(shí)，開發(fā)人員一般只使用“升級(jí)”或“驗(yàn)證操作”部分。在此區(qū)域，開發(fā)人員可以選擇其 DFU 應(yīng)用文件，然后選擇升級(jí)按鈕。然后，DfuSe 將自動(dòng)協(xié)調(diào)固件更新過(guò)程，直到整個(gè)文件已成功加載到 MCU。然后，開發(fā)人員可以選擇驗(yàn)證映像已成功接收。一經(jīng)驗(yàn)證，BOOT 引腳就可以設(shè)置回其默認(rèn)配置，如引導(dǎo)至閃存，然后選擇‘離開 DFU’模式加載并執(zhí)行更新的固件。

在沒(méi)有 DFU 支持的設(shè)備上使用 DFU

只是因?yàn)槲⒖刂破鞑辉?ROM 內(nèi)提供 DFU 引導(dǎo)程序，并不意味著開發(fā)人員仍不能利用 DFU 功能。DFU 屬于 USB 類，在很多 USB 堆棧中都受支持。這表示，開發(fā)人員同樣能向其應(yīng)用框架簡(jiǎn)單的添加 DFU 功能，且仍能執(zhí)行 DFU 更新。

例如，Microchip Technology 的AT32UC3A3不具有內(nèi)置的 DFU 模式（圖 4）。開發(fā)人員可以遵照描述 DFU 工作原理及開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)如何將其微控制器配置為適當(dāng)支持 DFU 的簡(jiǎn)單應(yīng)用說(shuō)明。

圖 4：AT32UC3A3 UC3-A3 XPLD AVR?32 MCU 32 位 AVR 嵌入式評(píng)估板不包括片載 DFU，但可以添加上支持 DFU 固件更新特性的框架 USB 代碼。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

執(zhí)行固件更新的技巧和訣竅

在現(xiàn)場(chǎng)更新固件并不一定只能從適合 DFU 的微控制器中進(jìn)行。開發(fā)人員可以決定更新固件的替代方法是否必要或更加實(shí)用。在這種背景下，開發(fā)人員應(yīng)記住關(guān)于其固件更新過(guò)程的幾個(gè)技巧。其中包括：

• 使用校驗(yàn)和或哈希驗(yàn)證將寫入微控制器內(nèi)存的應(yīng)用。

• 選擇內(nèi)存足夠的微控制器存儲(chǔ)固件的備份件，以便發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以回滾固件版本。

• 驗(yàn)證在微控制器具有內(nèi)置閃存加載程序時(shí)，終端用戶不會(huì)意外觸發(fā)該程序。

• 確保任何軟件引導(dǎo)程序均已編譯且針對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

• 鎖定閃存外設(shè)，使應(yīng)用無(wú)法從內(nèi)存中讀取出且不能被反向工程。

• 務(wù)必確保棧指示器、向量表和程序計(jì)數(shù)寄存器均設(shè)置為適當(dāng)?shù)膽?yīng)用值。

• 考慮按KL46Z Freedom 板的演示使用采用了 USB MSD 的拖放更新之類的替代更新方法（圖 5）。

圖 5： NXP Semiconductor 的 KL46Z Freedom 板是一種低成本開發(fā)板，默認(rèn)不支持 DFU。開發(fā)人員可以使用 USB MSD 之類將新固件映像拖放到內(nèi)存中的替代更新方法。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductor）

總結(jié)

幾乎所有嵌入式系統(tǒng)都需要在現(xiàn)場(chǎng)更新應(yīng)用代碼以避免回調(diào)的方法。從頭開始創(chuàng)建引導(dǎo)程序或者修改現(xiàn)有引導(dǎo)程序可能會(huì)增加開發(fā)周期的復(fù)雜性和集成問(wèn)題。

反之，開發(fā)人員可以使用內(nèi)置到 USB 標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)過(guò)充分證明的 DFU 功能來(lái)快速、高效、毫不費(fèi)力的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。為了讓這個(gè)過(guò)程順利進(jìn)行，開發(fā)人員需要仔細(xì)檢查其微控制器并確定 DFU 是否已內(nèi)置到其微控制器中或者它們是否需要包括支持 DFU 功能的軟件堆棧。