13.2-“制作一款私有IAP串口下载小工具”之串口IAP的通信协议设计

一、前言

本章以“串口IAP”来讲解IAP的实现过程。因此，在这里讲一下，具体通过怎样的技术与协议，来把“固件”文件传递到芯片的bootloader中。

串口通信方式与参数约定
可以使用“RS232”或“RS485”来组成通信链路。串口通信参数约定如下：

• 波特率：57600
• 数据位：8bits
• 校验：None
• 停止位：1 bit

二、协议约定

1. 协议规则
   CRC校验码 = [命令类型码 + 命令码 + 命令参数]
   一个完整封包 = [包头 + 包长 + 命令类型码 + 命令码 + 命令参数 + CRC校验码 + 包尾]
   包头：FF
   包尾：E3 D1 AC B5
   包长：0A （除去包头和包尾的长度,最长256）
   命令类型码：01：下发数据命令，02：获取数据命令，03：下位机主动反馈命令
   命令码：08
   命令参数（长度可变）：00 11 22 33 …
   CRC校验码：E32F
   注：方括号和空格只为格式化显示，并不实际包含在封包中。
   封包最长长度为：131 + 1 + 4 + 3 + 2 = 141

2. CRC校验算法

void GetCRC(uint8_t *data, int16_t len, uint16_t *crc) {
    uint16_t i,j,carry_flag, temp;
    *crc = 0xffff;
    for (i = 0; i < len; i++) {
        *crc = *crc ^ data[i];
        for (j = 0; j < 8; j ++) {
            temp = *crc;
            carry_flag = temp & 0x0001;
            *crc = *crc >> 1;
            if (carry_flag == 1) {
                 *crc = *crc ^ 0xa001;
            }
         }
    }
}

3. 传输错误的处理方法
   使用失败重试机制，具体实现细节描述如下：
   通信错误的时候，下位机不会给给上位机返回“反馈命令”。
   上位机发送命令后等待接收“反馈命令”，如果等不到，则重发刚才的数据包。
   重发3次失败后，软件提示“下载失败”。

4. 协议设计思想说明
   4.1 这里把封包设计的这么小，其目的在于让这个协议适用于多种“数据传输通道”，包括：串口、蓝牙、Socket、CAN、USB、Zigbee、其他任何无线通信。同时封包比较小，当遇到错误重发某个包的时候，代价相对较小可以接受。 另外，由于有封包的设计，因此接收数据封包方，需要定义一个接收缓存数组来接收完整的一包数据，然后进行校验计算。所以这个封包大小不能太大，否则MCU可能没有这么大的RAM可用。
   4.2 另外给协议加入了crc校验算法，目的是保证通信数据正确，避免数据传输出错。从而提高整个固件下载系统的稳定性。当你使用串口通信等稳定的通信链路来传输数据的时候crc校验显得有些多余。但是当你使用无线通信的时候，这个crc就是必不可少的校验机制。
   4.3 crc校验算法，采用了“计算法”而不是“查表法”。是因为考虑到特殊的芯片，并没有太多的代码储存空间，因此采用“以CPU计算量换储存空间”的策略。

三、命令列表

命令使用简单整体描述：
电脑PC工具先用“握手命令”确认Bootloader的正确存在。
使用“下载开始”命令告诉芯片准备接收下载数据，Bootloader完成擦除Flash。
使用“下载数据”命令下载数据，bootloader把收到的数据写入到Flash中。
使用“固件校验”命令确认下载到flash中的bin文件和要下载的bin文件“完全一至”。
使用“下载结束”命令告诉芯片下载完成了，可以校验app并重启芯片了。

1. 下载固件握手命令：
   功能备注：主要用于上位机下载工具，实现自动查找设备的功能。
   命令类型码：01
   命令：01
   参数：无
   反馈命令：
   命令类型码：01
   命令：01
   参数：01 //版本序号（1，2，3，4，5等）

2. 固件下载开始命令：
   功能备注：用于告诉bootloader要开始下载固件了，请做好准备。准备的内容包括，擦除要烧写固件的flash区域。准备好之后，给上位机反回“反馈命令”即可。
   命令类型码：01
   命令：02
   参数：无
   反馈命令：
   命令类型码：01
   命令：02
   参数：无

3. 件下载结束命令：
   功能备注：用于上位机下载工具，告诉bootloader下载已经完成（之前的校验也成功了，如果不成功是不会发送此命令的），可以写“App存在”的flag到flash中了，同时可以跳转到烧写好的app并运行app了。
   命令类型码：01
   命令：03
   参数：无
   反馈命令：
   命令类型码：01
   命令：03
   参数：无

4. 固件下载数据命令：
   功能备注：用于传输要烧写的bin文件到bootloader中，bootloader按页依次写到flash中。
   命令类型码：01
   命令：04
   参数：数据分片序号（2byte,高位在前 ） + 是否为最后一片（1byte）+需要下载的数据（约定为固定大小128byte）下载8个分片可以组成flash的一页128*8 = 1024
   反馈命令：
   命令类型码：01
   命令：04
   参数：无

5. 固件校验命令：
   功能备注：用于校验所下载到flash中的固件文件与原本的bin文件是“一致的”。用于检测下载是否正确完成。Bootloader校验之后，把结果反回给上位机。
   命令类型码：01
   命令：05
   参数：所下载固件的校验值：0x00, 0x00, 0x00, 0x00（4byte,高位在前 ）+ 分片总数（4byte，高位在前）
   反馈命令：
   命令类型码：01
   命令：05
   参数：0：错误，1：正确

四、协议代码实现说明

协议相对很健壮，因此看起来感觉很复杂，不容易实现。其实这个协议是我在实际项目开发中，总结设计出来的一套协议模板。对应于这个协议，我已经设计并实现了一套对应的“协议数据处理框架”。在本书3.1、3.2、3.3章节进行过详细的说明。当时是使用“网络通信”举例来说明“协议框架”的实现代码。这次借助“串口IAP”的应用场景，完成一个“协议框架”的“串口通信”编码示例。 具体的实现代码，请参考：13.4和13.6章节。