“NRF52832DK-DFU固件升级教程”的版本间的差异

2020年1月7日 (二) 16:48的版本

DFU是Device Firmware Update的缩写，翻译成中文是设备固件升级。设备固件升级是现在电子设备开发过程中不可规避的问题。下面将以谷雨物联的NRF52832DK评估板为硬件基础，详细介绍DFU的流程。

更新application,SoftDevice和bootloader
认证更新
降级预防
硬件兼容性验证
多种传输方式：（BLE，UART，USBD）
支持application 携带或不带SoftDevice
支持用独立于SoftDevice的固件替换依赖于SoftDevice的固件
支持使用依赖于SoftDevice的固件替换独立于SoftDevice的固件

注：开发者可以查看Nordic的官方原文文档说明。Bootloader and DFU modules章节。

下面是bootloader功能模块的结构框图：

bootloader modules

由上图可以看出它分为nrf_bootloader,nrf_crypto,nrf_dfu和nrf_dfu_transport功能模块。其中nrf_crypto实现安全特性，签名bootloader。在Nordic提供的SDK中，提供Secure Bootloader和Open Bootloader两种类型多种传输方式的bootloader。

注：关于nrf_bootloader,nrf_dfu,nrf_dfu_transport详细说明，可以查看Nordic的nRF5_SDK_15.2.0文档。

2 Bootloader详细说明

在DFU过程中，Bootloader占据作用的位置，这章节将详细说明DFU过程中，Bootloader所做的工用。

Bootloader主要负责的事项：

引导应用程序
激活新固件
进入DFU 模式，激活DFU传输，并交付接收到的新固件
喂狗看门狗定时器

在Nordic提供的SDK中，每个bootloader例子都包含一DFU传输方式。

2.1 Bootloader 设置页信息

这个设置页（settings page）存储在非易失性存储器（flash）中，用于保存bootloader与DFU相关的信息。这个设置页主要包含以下几方面的内容：

当前固件大小，CRC-32校验值
挂起固件大小，CRC-32校验值
固件更新进度
固件激活时度
当前固件版本（应用程序与bootloader）
一些特殊数据

2.2 固件激活（Fireware activation）

固件激活是固件更新最后一步。在启动期间，bootloader将会读取settings page里的相应信息，基于这些信息固件激活会被触发。固件激活涉及到新固件copy，以代替旧固件（如果应用程序是双块区域的，这个将在memory layout会用说明），同时会更改settings page信息，以请允许新固件启动。bootloader 要确保copy过程中断电安全。

2.3 DFU 模式（DFU mode）

在DFU模式，bootloader会打开DFU传输，以便设备接收新的固件。bootloader进入DFU模式，可以通过以下几个条件：

没有有效的应用程序存在
SoftDevice与有效的应用程序都存在时，host请求bootloader进行应用程序更新
进入DFU模式可以通过以下几个源触发：
- Button（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_BUTON）
- Pin reset（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_PINRESET)）
- GPREGRET寄存器设置特定的值（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_GPREGRET）
- 应用程序通过向settings page写入请求（NRF_BL_DFU_ENTER_METHOD_BUTTONLESS）

当进入DFU 模式，不活动定时器被启动。当定时器到期时，bootloader就会复位。任何DFU活动都会使不活动定时器重启。不活动定时器超时时间默认是NRF_BL_DFU_INACTIVITY_TIMEOUT_MS。如果SoftDevice激活后，设备进入DFU模式，不活动定时器超时时间被设置为NRF_BL_DFU_CONTINUATION_TIMEOUT_MS。

2.4 启动应用程序（Starting the application）

基于settings page的信息，bootloader可以确定是否有应用程序存在，处在什么位置。在启动应用程序之前，bootloader会检查程序的完整性。当然完整性检查也可以在特定的情况下跳过以减少启动时间（NRF_BL_APP_CRC_CHECK_SKIPPED_ON_GPREGRET2，NRF_BL_APP_CRC_CHECK_SKIPPED_ON_SYSTEMOFF_RESET）。只要以下之一条件发生，bootloader就会进入DFU模式：

没有application安装
完整性检查失败
没有setttings page

2.5 看门狗定时器支持（Watchdog timer support）

bootloader 检测看门狗是否活动并喂它以阻止看门狗复位。

2.6 Bootloader 依赖（Bootloader dependencies）

Bootloader模块除在传输时，不依赖SoftDevice。只有在使用BLE DFU 传输方式才依赖SoftDevice。

Bootloader也支持系统中根本不存SoftDevice的情况。

2.7 烧录bootloader（Programming the bootloader）

在系统启动期间，如果bootloader已经安装，MBR（主引导记录，Master Boot Record）负责启动bootloader。为此MBR必须知道bootloader的开始地址。bootloader开始地址存放到UICR.BOOTLOADERADDR中，UICR.BOOTLOADERADDR被映射在0x10001014（NRF_UICR_BOOTLOADER_START_ADDRESS）。因此，在烧写bootloader之前必须正确的设置UICR.BOOTLOADERADDR的值（这个操作开发者不用担心，bootloader程序已经做了）。

烧写bootloader程序要求以下几个步骤：

擦除设备
烧写SoftDevice（使用nRFgo Studio工具）
编译bootloader
烧写bootloader

2.8 存储空间布局（Memory layout）

当添加bootloader到设备中时，你必须意识到不同的固件组件放到存储器哪里。

下表展示了不同器件与SoftDevice的存储空间分配：


组件	存储空间范围nRF52832（S132 v6.1.x）	存储空间范围nRF52840（S140 v6.1.x）	存储空间范围nRF52810（S112 v6.1.x）
Bootloader setttings	0x0007 F000 - 0x0008 0000 （4kB）	0x000F F000 - 0x0010 0000 (4 kB)	0x0002 F000 - 0x0003 0000 (4 kB)
MBR parameter storage	0x0007 E000 - 0x0007 F000 (4 kB)	0x000F E000 - 0x000F F000 (4 kB)	0x0002 E000 - 0x0002 F000 (4 kB)
Bootloader	0x0007 8000 - 0x0007 E000 (24 kB)	0x000F 8000 - 0x000F E000 (24 kB)	0x0002 8000 - 0x0002 E000 (24 kB)
Application area(incl. free space)	0x0002 6000 - 0x0007 8000 (328 kB)	0x0002 6000 - 0x000F 8000 (840 kB)	0x0001 9000 - 0x0002 8000 (60 kB)
SoftDevice	0x0000 1000 - 0x0002 6000 (148 kB)	0x0000 1000 - 0x0002 6000 (148 kB)	0x0000 1000 - 0x0001 9000 (96 kB)
Master Boot Record(MBR)	0x0000 0000 - 0x0000 1000 (4 kB)	0x0000 0000 - 0x0000 1000 (4 kB)	0x0000 0000 - 0x0000 1000 (4 kB)

下图展现了nRF52系列器件的默认空间分配。nRF52832有512kB flash大小，nRF52840有1024kB flash大小，nRF52810有192kB flash大小。

Memory layout for nRF52

3 实验前准备

关与DFU流程（nrf_dfu）与DFU协议（nrf_dfu_transport）这里不在详细说明，有兴趣的开发者可以自行查看Nordic的官方文档，可以在谷雨NRF52832DK评估板的资料中下载Noridc的SDK离线文档（推荐，目前最新为nRF5_SDK_15.2.0_offline_doc）。

接下来的说明与操作都基于DFU的secure bootloader中以ble为传输方式的bootloader。其位于Nordic SDK安装路径下/nRF5_SDK_15.2.0_9412B96/examples/dfu/secure_bootloader/pca_10040_ble。开发者安装不同版本的SDK可能会有所差异。

在secure bootloader目录下有多个bootloader工程，这里我们使用pca10040_ble（S132），而pca_10056_ble是S140，RF52832器件不支持S140的SoftDevice。

3.1 辅助工具安装

SDK12以后,DUF功能对升级文件进行了ECDSA签名加密,防止误升级未授权的程序。而Nordic使用micro-ecc开源软件实现ECDSA。

开发者初次安装SDK时，在SDK中是没有micro-ecc源码的，需要开发者去github上下载。如果开发都没有下载micro_ecc源码，则在编译bootloader时，编译器会报各种错误。主要有两个方面的如下：


错误内容	原因
Fatal Error[Pe035]: #error directive: "Debug public key not valid for production. Please see https://github.com/NordicSemiconductor/pc-nrfutil/blob/master/README.md to generate it"	没有有效的签名公钥
各种与micro-ecc的头文件：uECC.h等	没有micro-ecc源码

3.1.1 git安装

micro-ecc是外部开源软件，所以在Nordic的SDK中放到的协议栈目录下的external目录下。在external目录下，开发者会发现有一个micro-ecc目录。进入micro-ecc目录后，确定没有相应的源码，只有不同编译平台链接相关文件。

其中build_all.bat脚本文件（Windows），是用于编译micro-ecc源码的。在运行时会检查当前系统中是否安装了git。如果安装了，会进一步检查当前目录下是否有相应的源码，如果没有会用git去github上去下载。build_all.bat文件内容如下:

 1 @ECHO OFF
 2 
 3 :: This script will use git (must be in %PATH%) and arm-none-eabi tools in combination with GNU Make
 4 :: to both fetch and compile all variants of micro-ecc for the nRF5 families
 5 
 6 WHERE >nul 2>nul git
 7 IF %ERRORLEVEL% NEQ 0 (
 8     ECHO "git is not installed. Please install and append to PATH."
 9 )
10 
11 IF NOT EXIST micro-ecc/uECC.c (
12     ECHO "micro-ecc not found! Let's pull it from HEAD."
13     git clone https://github.com/kmackay/micro-ecc.git
14 )
15 
16 make -C nrf51_armgcc/armgcc
17 make -C nrf51_iar/armgcc
18 make -C nrf51_keil/armgcc
19 make -C nrf52hf_armgcc/armgcc
20 make -C nrf52hf_iar/armgcc
21 make -C nrf52hf_keil/armgcc
22 make -C nrf52nf_armgcc/armgcc
23 make -C nrf52nf_iar/armgcc
24 make -C nrf52nf_keil/armgcc

如果开发者的PC上没有安装git，则需要去网络找到git，并进行安装。此处安装过程不作说明。

安装git完成后，双击build_all.bat文件，此时git就会去下载micro-ecc源码。此时目录下多了一个micro-ecc文件夹，发现里面有相应的uECC.h与uECC.c等相关文件。

回到IAR工程，再次编译，发现没有报缺少micro_ecc相关的文件，只报了没有相应的公钥错。

3.1.2 安装nrfutil

为了解决没有公钥的错误，我们需要public key与priavte key一对密钥对，使用ECDSA_P256_SHA256算法对DFU程序进行签名并加密。