RT-Thread STM32F4通用BootLoader 的制作和使用（串口YModem协议升级方式）

RT-Thread Studio IDE简单介绍

链接: RT-Thread官网.
RT-Thread Studio 是上海睿赛德电子科技有限公司发布的一款用于RT-Thread 系统的编译器，我目前使用起来感觉还是比较好用的可以编写裸机和RT-Thread 的程序，建议大家可以尝试一下。

RT-Thread 通用BootLoader介绍

前言-编写本文原因说明

RT-Thread 通用BootLoader 是由RT-Thread 提供的可以无需代码编写直接配置的BootLoader程序。
链接: RT-Thread官网通用BootLoader说明资料.
在其官网资料也有对配置方式的说明，可能有一些人刚刚接触BootLoader，会看了一遍仍旧不太懂的人，我下面会更加详细的从头一步一步的来讲解如何使用 RT-Thread 通用BootLoader。
建议大家看本文之前可以先看一下官网资料，再来看本文可以加深理解。本文编写以STM32F413VGTX为例进行讲解。

准备工具

软件：xshell软件（可以直接去官网申请免费教育版），RT-thread studio 软件 ，keil MDK 软件，rt_ota_打包器

流程说明

我们可以把制作通用BootLoader分为以下几步：

• 1. 先制作出通用BootLoader，并根据打印信息确认BootLoader的分区正确
• 2. 再根据，BootLoader的分区，使用RT-thread studio 编译器 编写APP程序
• 3. 添加APP的FAL组件并配置分区表，调试完成确认和添加YModem的组件和OTAYModem组件并调试确认
• 4. 打包工具的使用
• 5. 进行程序串口YModem 通讯升级调试

OTA升级介绍

OTA 工作原理

OTA 升级其实就是 IAP 在线编程。在嵌入式设备 OTA 中，通常通过串口或者网络等
方式，将升级数据包下载到 Flash，然后将下载得到的数据包搬运到 MCU 的代码执行区域
进行覆盖，以完成设备固件升级更新的功能。
嵌入式设备的 OTA 升级一般是不基于文件系统的，而是通过对 Flash 划分为不同的功
能区域来完成 OTA 升级功能。
在嵌入式系统方案里，要完成一次 OTA 固件远端升级，通常需要以下三个核心阶段：

1. 上传新固件到 OTA 服务器
2. 设备端下载新的 OTA 固件
3. bootloader 对 OTA 固件进行校验、解密和搬运（搬运到可执行程序区域）

流程图，摘自《RT-Thread-OTA 用户手册》 链接: Rt-thead OTA资料gitee地址.


这个流程图有兴趣可以研究一下。

rt_ota 介绍

rt_ota 是 RT-Thread 开发的跨 OS、跨芯片平台的固件空中升级技术（FirmwareOver-the-Air Technology），轻松实现对设备端固件的管理、升级与维护。
RT-Thread 提供的 OTA 固件升级技术具有以下优势：
• 固件防篡改：自动检测固件签名，保证固件安全可靠
• 固件加密：支持 AES-256 加密算法，提高固件下载、存储安全性
• 固件压缩：高效压缩算法，降低固件大小，减少 Flash 空间占用，节省传输流量，降低下载时间
• 差分升级：根据版本差异生成差分包，进一步节省 Flash 空间，节省传输流量，加快升级速度
• 断电保护：断电后保护，重启后继续升级
• 智能还原：固件损坏时，自动还原至出厂固件，提升可靠性
• 高度可移植：可跨 OS、跨芯片平台、跨 Flash 型号使用，不依赖具体的 OTA 服务器

通用BootLoader配置

1. 准备工作

• 需要知道目前自己使用芯片的ROM大小和RAM大小。这里有个简单的办法就是直接查看Keil软件的介绍，点击Pack installer：如下图
  

2. 注册

进入通用BootLoader配置网站：链接: 通用BootLoader配置网站. 注册并新建一个产品。

3.硬件配置选项

点击生成BootLoader，进入BootLoader编辑界面,第一个界面如下：

名称	说明
1	选择芯片系列，我们使用的是STM32F413芯片
1-1	表示ROM大小，一般都是用内部FLASH，则为内部FLASH大小
1-2	表示RAM大小，根据芯片对应值添加即可
3	支持SPI Flash ，表示使用外部SPI Flash ，我们不计划使用外部FLash 因此不要勾选
4	恢复出厂引脚，按下此引脚保持10s ，BootLoader会将备份的出厂程序，恢复到APP分区。

说明：由于我们使用的是串口升级方式，因此填写串口输出引脚即可
这里只填写串口输出口的原因是：
我们采用串口接收的逻辑程序并不在BootLoader内，而是在APP程序内，因此这里只是填写串口输出端口，用于输出打印的信息，除此外没有别的作用

4. 分区表配置：

名称	说明
1	这个分区配置比较容易出错，根据红色字体描述，片内FLash起始地址是0x8000000，F4芯片BootLoader默认占用前128K字节，因此APP分区的起始偏移地址为0x20000（128K）
2	这个表示APP分区的大小为512K
3.	这个表示download分区的起始偏移地址，0xA0000（128K+512K）
4.	这个表示download分区大小为384k

说明： 根据以上分区设置，下面罗列出分区的表格

分区名称	起始地址	占用大小
BootLoader分区	0x8000000	128K
APP分区	0x8020000	512K
download分区	0x80A0000	384K

这样分区配置完成了

5. 加密压缩和log 邮箱配置

名称	说明
固件加密	这个是对APP升级文件的加密
固件压缩	这个是对APP升级文件的压缩
更换Log	可以填写自己的log或者采用默认rt-thread的log
输入邮箱	填写自己的邮箱，点击生成BootLoader后，系统会把生成的BootLoader发到这个邮箱

下图是三种压缩方式的压缩比例，其中没有gzip，我试了gzip压缩率在40%左右

6. BootLoader 程序验证

根据以上的操作，目前通用BootLoader程序已经制作好了，下面我们使用JFLASH将BootLoader的bin文件烧录到芯片中，并监控打印的信息，以下为打印信息截图。

以下为详细文本信息

/*********USART2-TX-PD5**********/
/*******************************/
Powered by RT-Thread.
V0.9.2 build Apr 18 2020
[D/FAL] (fal_flash_init:63) Flash device |    onchip_flash_16k_part | addr: 0x08000000 | len: 0x00020000 | blk_size: 0x00004000 |initialized finish.
[D/FAL] (fal_flash_init:63) Flash device |             onchip_flash | addr: 0x08020000 | len: 0x000e0000 | blk_size: 0x00020000 |initialized finish.
[I/FAL] ==================== FAL partition table ====================
[I/FAL] | name     | flash_dev    |   offset   |    length  |
[I/FAL] -------------------------------------------------------------
[I/FAL] | app      | onchip_flash | 0x00000000 | 0x00080000 |
[I/FAL] | download | onchip_flash | 0x00080000 | 0x00060000 |
[I/FAL] =============================================================
[I/FAL] RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.4.0) initialize success.
[I/FAL] System initialization successful.
[I]RT-Thread OTA package(V0.2.1) initialize success.
[E]Get firmware header occur CRC32(calc.crc: 7b93c5c8 != hdr.info_crc32: ffffffff) error on 'download' partition!
[E]Get OTA download partition firmware header failed!
[E]Get firmware header occur CRC32(calc.crc: 7b93c5c8 != hdr.info_crc32: ffffffff) error on 'app' partition!
[I]Begin to execute the program on app partition.
[E/FAL] Can't find user firmware on app partition. (Address: 0x08020000, Data: 0x4404fb31)
[E/FAL] Bootloader stop.

下面我们对打印的内容进行分析：
第一部分

内容（内容次序从左到右，从上到下）	分析
Powered by RT-Thread.	这句话之前的为打印的log文本信息
fal_flash_init:63	表示fal组件初始化，63表示驱动的id
onchip_flash_16k_part	表示当前的flash驱动在 16k Flash 块上
addr: 0x08000000	表示当前FLASH驱动的起始地址
len: 0x00020000	表示当前FLASH驱动的长度
blk_size: 0x00004000	表示当前FLASH驱动的FLASH块的大小
onchip_flash	表示在芯片128K FALSH 块上
addr: 0x08020000	表示当前FLASH驱动的起始地址
len: 0x000e0000	表示当前FLASH驱动的长度
blk_size: 0x00020000	表示当前FLASH驱动的FLASH块的大小

第二部分 FAL partition table

name	flash_dev	offset （以0x8000000为偏差起始地址）	length
app （分区名称）	onchip_flash （表示当前FLASH驱动为 onchip_flash ）	0x00000000	0x00080000
download（分区名称）	onchip_flash （表示当前FLASH驱动为 onchip_flash ）	0x00080000	0x00060000

这个分区名称很重要，以后使用打包工具的分区名称填写要与这个名称一致
第三部分：
检查download分区的校验码，如果一致则说明可以进行固件搬运，不一致则直接跳转到APP分区的起始地址运行程序。
以上是打印信息的基本分析，关键要确认app和download分区与设置的否是一致。

APP程序编写

说明：
APP程序的编写，我是采用rt-thread studio 进行编写，直接生成程序和添加删除组件非常方便。下面我们开始进行程序编写。

APP程序建立和FAL组件添加和配置

APP程序建立

打开rt-thread studio 选择新建程序，并选择对应的型号的系统版本如下图：

特别注意：串口的发送和接收管脚要对应正确

添加FAL组件

FAL组件是分区配置组件，rt系统的在线升级功能是基于这个组件的，因此FAL组件配置很关键。

建立程序后，RT-thread Settings 页面

点击软件包添加，搜索 FAL组件 ，然后添加FAL组件。然后保存并编译。此时在packages文件夹下会有一个名为 fal-v0.4.0的文件夹，这个是fla组件的文件。

此时编译是会报错的

提示缺少fal_cfg.h这个文件，这是因为默认的fal组件没有提供这个文件，我们可以自己在samples/porting 文件夹 下找到一个fal_cfg.h文件，将此文件复制到fal-v0.4.0/inc 文件夹下，

之后将，复制的文件内容修改为以下内容

#ifndef _FAL_CFG_H_
#define _FAL_CFG_H_

#include 
#include 
//flash 块 大小宏定义
#define FLASH_SIZE_GRANULARITY_16K   (4*16*1024)
#define FLASH_SIZE_GRANULARITY_64K   (64*1024)
#define FLASH_SIZE_GRANULARITY_128K  (7*128*1024)
//flash 块 块起始地址  宏定义
#define STM32_FLASH_START_ADRESS_16K  STM32_FLASH_START_ADRESS
#define STM32_FLASH_START_ADRESS_64K   (STM32_FLASH_START_ADRESS+FLASH_SIZE_GRANULARITY_16K)
#define STM32_FLASH_START_ADRESS_128K  (STM32_FLASH_START_ADRESS_64K+FLASH_SIZE_GRANULARITY_64K)
//外部 fal flash 驱动 声明
extern const struct fal_flash_dev stm32_onchip_flash_16k ;
extern const struct fal_flash_dev stm32_onchip_flash_64k ;
extern const struct fal_flash_dev stm32_onchip_flash_128k ;

/* flash device table */
#define FAL_FLASH_DEV_TABLE                                          \
{                                                                    \
   &stm32_onchip_flash_16k,                                           \
   &stm32_onchip_flash_64k,                                                     \
   &stm32_onchip_flash_128k,                                                     \
}
/* ====================== Partition Configuration ========================== */
#ifdef FAL_PART_HAS_TABLE_CFG
/* partition table */
#define FAL_PART_TABLE                                                               \
{                                                                                    \
    {FAL_PART_MAGIC_WORD,       "app", "onchip_flash_128k",   0*1024,  512*1024, 0}, \
    {FAL_PART_MAGIC_WORD,  "download", "onchip_flash_128k", 512*1024, 384*1024, 0}, \
}
#endif /* FAL_PART_HAS_TABLE_CFG */

#endif /* _FAL_CFG_H_ */

关键在于 FAL_PART_TABLE 的内容修改。关键点为：

• “app” 和“download”关键字要与通用BootLoader的app分区关键字保持一致
• “onchip_flash_128k” 要与外部 fal flash 驱动 声明下图的 名称保持一致

分区名	分区位置	分区在flash块的起始地址	分区长度
“app”	“onchip_flash_128k”	0*1024	512*1024
“download”	“onchip_flash_128k”	512*1024	384*1024

注意这个起始地址是 分区在flash块的起始地址，并不是相对于 整个芯片FLASH 0x8000000 的起始地址。
因此这个APP的分区起始地址就是0*1024，长度是512K,下面的download分区也是一样
然后将fal_init()函数添加到main函数初始化里面

按照以上步骤配置好了以后可以进行编译，此时不会再报错。

接下来要修改APP程序的起始地址和中断向量映射地址：

下图是修改程序下载起始地址：按照0x20000（BootLoader占用大小）的大小偏移的地址是APP程序的起始地址

下图是修改中断向量映射地址的：同样按照0x20000大小进行偏移

接上串口监控后，上电可以看到串口的信息输出：

串口信息：

//前面的为 BootLoader输出信息，不再重复贴出来
\ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     4.0.2 build Apr 17 2020
 2006 - 2019 Copyright by rt-thread team
[D/FAL] (fal_flash_init:63) Flash device |         onchip_flash_16k | addr: 0x08000000 | len: 0x00010000 | blk_size: 0x00004000 |initialized finish.
[D/FAL] (fal_flash_init:63) Flash device |         onchip_flash_64k | addr: 0x08010000 | len: 0x00010000 | blk_size: 0x00010000 |initialized finish.
[D/FAL] (fal_flash_init:63) Flash device |        onchip_flash_128k | addr: 0x08020000 | len: 0x000e0000 | blk_size: 0x00020000 |initialized finish.
[I/FAL] ==================== FAL partition table ====================
[I/FAL] | name     | flash_dev         |   offset   |    length  |
[I/FAL] -------------------------------------------------------------
[I/FAL] | app      | onchip_flash_128k | 0x00000000 | 0x00080000 |
[I/FAL] | download | onchip_flash_128k | 0x00080000 | 0x00060000 |
[I/FAL] =============================================================
[I/FAL] RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.4.0) initialize success.
[D/main] Hello RT-Thread! Version 1.1.1
msh >

请注意 FAL partition table 下面的分区信息一定与BootLoader的FAL partition table 输出信息保持一致。

此时FAL组件相关的内容就添加和修改完毕了，下面开始添加
ota_downloader和YModem组件

添加ota_downloader和YModem组件

添加ota_downloader 如下图：

添加YModem组件

添加完成后，编译，并烧录程序，进入finsh控制台，按下tab按键，就可以看到下图：

查看ymodem_ota函数

打包工具的使用

此时还不能传输升级文件，因为我们在设置通用BootLoader的时候，把APP文件设置为压缩文件，必须要传输压缩好的文件过去，此时要使用RT-thread 自己的打包工具，下载地址：链接: OTA打包工具地址.

关键点：

• 固件分区名称：要写APP分区的名称
• 固件版本：这个版本号内容要保证每次升级的固件版本名称与前一次的固件版本名称不一样，才可以正常的升级
  打包完成后，打包的文件为.rbl后缀

进行程序串口YModem 通讯升级调试

此时打开xshell的串口监控界面，在显示界面右键点击，选择传输，选择YMODEM发送，选择打包好的文件，发送，可以看到传输界面

下图是传输完成后的界面，

总结

以上就是通用本文的所有内容，我是采用串口升级的方式，通用BootLoader有很多优势，在前面开头已经讲过了，但是对于某些程序自身占用flash比较大的情况就很难来满足应用需求了，因此有的时候使用自己编写的BootLoader的也是必须的。例如：APP的bin文件大小超过了5125K，甚至更多，这个时候就不能使用通用BootLoader来升级了，接下来我会总结下，使用RT-thread来自己编写BootLoader的内容，来跟大家分享。