AVR嵌入式評估板執(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)場更新其固件，從而添加新特性或修復漏洞。然而，固件現(xiàn)場更新可能會頗具挑戰(zhàn)性，因為開發(fā)人員必須編寫自己的引導程序或從第三方元器件供應(yīng)商處購買引導程序。

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

固件更新選項

從頭開始開發(fā)引導程序并非易事。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器以存儲新映像而增加了系統(tǒng)的復雜性。他們還要增加其微控制器上的內(nèi)存容量。

同樣地，軟件本身也會變復雜，因為引導程序需要設(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，但很多無需開發(fā)人員工作量的應(yīng)用可以采用一種固件更新標準：USB 標準的內(nèi)置設(shè)備固件更新 (DFU) 類。這可用于通過其 USB 端口在現(xiàn)場更新微控制器的應(yīng)用代碼，從而大大減少固件升級過程和開發(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。那些沒有提供的，通常會提供如何支持 DFU 的示例代碼。

選擇適合 DFU 的微控制器

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

圖 1： STMicroelectronics STM32 IoT Discovery 節(jié)點基于運行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)計用作 IoT 節(jié)點。（圖片來源：STMicroelectronics）

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

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

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

一個簡單的 DFU 示例

每個微控制器訪問 DFU 的方式都不同。通過一個簡單的示例來看一看開發(fā)人員如何在運行 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 引導程序。要訪問該引導程序，開發(fā)人員需要在 MCU 啟動時拉動其中一個 BOOT 引腳將其接地。BOOT 引腳控制 MCU 啟動時所處的模式，如從閃存、RAM 中啟動，或者我們首選的 DFU USB 模式。

使用 DFU 準備要供用戶下載的應(yīng)用不需要開發(fā)人員進行任何額外的工作。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 文件與二進制格式、s-record 格式和十六進制文件等其他應(yīng)用記錄格式非常相似。文件格式包括通過 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。該過程無縫連接，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。這些都是在后臺進行的，可幫助降低固件更新過程和開發(fā)工作的復雜性。

開發(fā)人員可以使用幾個不同的工具通過 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。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

DfuSe 是 Windows GUI 實用工具，可檢測已在 DFU 模式下通電并通過 USB 連接到計算機的任何 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。如果沒有對閃存空間采取適當?shù)陌踩Ｗo，他們甚至可以復制 MCU 的存儲內(nèi)容并使用上傳操作框?qū)⑵浯鎯υ谟嬎銠C上。

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

在沒有 DFU 支持的設(shè)備上使用 DFU

只是因為微控制器不在 ROM 內(nèi)提供 DFU 引導程序，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)當如何將其微控制器配置為適當支持 DFU 的簡單應(yīng)用說明。

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

執(zhí)行固件更新的技巧和訣竅

在現(xiàn)場更新固件并不一定只能從適合 DFU 的微控制器中進行。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)于其固件更新過程的幾個技巧。其中包括：

• 使用校驗和或哈希驗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固件的備份件，以便發(fā)生錯誤時可以回滾固件版本。

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

• 確保任何軟件引導程序均已編譯且針對尺寸進行優(yōu)化。

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

• 務(wù)必確保棧指示器、向量表和程序計數(shù)寄存器均設(shè)置為適當?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。（圖片來源：NXP Semiconductor）

總結(jié)

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

反之，開發(fā)人員可以使用內(nèi)置到 USB 標準中的經(jīng)過充分證明的 DFU 功能來快速、高效、毫不費力的執(zhí)行現(xiàn)場升級。為了讓這個過程順利進行，開發(fā)人員需要仔細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。