基于 STM32 的开源 Bootloader 框架 RT-THread RT-FOTA
基于 STM32 的开源 Bootloader 框架 RT-THreadRT-FOTA简介
RT-Thread 官方推出了 STM32 系列单片机的通用 bootloader, 在其网站可以通过网页配置就可以生成 bootloader 的烧录文件，使广大嵌入式工程师不用编写一行代码，就能够轻松完成自己产品的 bootloader 功能。但是由于 RTT 官方的 bootloader 软件 RT-OTA 是商用性质，不公开源码，不仅仅限制了在其他平台的移植，而且也不方便加入产品的特定功能。本人软件水平有限，但是基于对开源精神的崇拜和 RTT 多年的感情，蒙发出利用业余时间编写一款开源的且基于 RTT 系统 bootloader 通用软件，贡献给大家。由于 RTT 官方推出的 bootloader 名字叫 RT-OTA，因此为了蹭点 RTT 的流量，我这个 bootloader 名字就叫 RT-FOTA。【RT-FOTA 的需求分析】
[*]开发基于 RTOS 的 bootloader 软件，网上很多牛人会说 bootloader 最好是裸机程序编写，就像 u-boot 一样稳定和可靠。但我个人认为目前 32 位单片机资源丰富，RT-Thread 的稳定和可靠性不言而喻，加之 RTT 的组件丰富，后续功能拓展方便（比如加入网络和 USB 功能）。因此我使用 RT-Thread 的阉割版本 rtt-nano 实现。
[*]兼容 RTT 官方的 rbl 文件：使用 RTT 官方的打包软件生成下载文件，可以实现加密压缩功能。由于个人水平问题，只能做到尽可能的兼容，比如 RBL 文件里面的 HASH_CODE 我就不知道怎么计算出来的。
[*]移植方便：由于 RT-FOTA 基于 RT-Thread 开发，因此只要你的平台被 RT-Thread 支持，就可以很方便的移植到。
【RT-FOTA 主要的功能】
[*]支持 RTT 官方的 RBL 打包软件，使用方式也一致。目前支持包括 CRC32、AES256、quicklz 和 fastlz 功能；
[*]支持命令行模式（FINSH 组件）和出厂固件恢复；
[*]支持 FLASH 分区（FAL 组件）；
[*]支持功能扩展（RTT 组件）；
[*]其他功能可自行方便扩展；
软件开发目录
软件开发目录参照 RTT 的目录形式，如下图所示：我原本计划添加 SCONS 进行编译，但目前对 SCONS 的使用还不熟悉，下次再实现，因此暂时使用 MDK 完成。可以看到我并未按照 RTT 官方推荐的使用 MDK 或 cube 生成 rtt-nano 的工程，原因是我有强迫症，感觉 IDE 生成的目录很不爽。
软件配置说明
RT-FOTA 的软件配置仍然集中在 rtconfig.h 中，其中一些. c 文件中有一些默认的配置宏，但可以根据需求进行修改。
/* RT-Thread config file */
#ifndef RT_CONFIG_H__
#define RT_CONFIG_H__
#define RT_THREAD_PRIORITY_MAX 8
#define RT_TICK_PER_SECOND 1000
#define RT_ALIGN_SIZE 4
#define RT_NAME_MAX 8
/* Kernel Device Object */
#define RT_USING_DEVICE
#define RT_USING_CONSOLE
#define RT_CONSOLEBUF_SIZE 512
#define RT_CONSOLE_DEVICE_NAME "uart1"
#define RT_VER_NUM 0x30102
#define RT_USING_CPU_FFS
/* RT-Thread Components */
#define RT_USING_COMPONENTS_INIT
#define RT_USING_USER_MAIN
#define RT_DEBUG_INIT 0
#define RT_USING_OVERFLOW_CHECK
// #define RT_USING_HOOK
// #define RT_USING_IDLE_HOOK
/* Software timers Configuration */
#define RT_USING_TIMER_SOFT 0
#if RT_USING_TIMER_SOFT == 0
#undef RT_USING_TIMER_SOFT
#endif
#define RT_TIMER_THREAD_PRIO 4
#define RT_TIMER_THREAD_STACK_SIZE 512
#define RT_TIMER_TICK_PER_SECOND 100
/* IPC(Inter-process communication) Configuration */
#define RT_USING_SEMAPHORE
#define RT_USING_MUTEX
//#define RT_USING_EVENT
//#define RT_USING_MAILBOX
//#define RT_USING_MESSAGEQUEUE
/* Memory Management Configuration */
#define RT_USING_HEAP
#define RT_USING_MEMHEAP
#define RT_USING_SMALL_MEM
/* Finsh Configuration */
#define RT_USING_FINSH
#define FINSH_USING_MSH
#define FINSH_USING_MSH_ONLY
#define __FINSH_THREAD_PRIORITY 5
#define FINSH_THREAD_PRIORITY (RT_THREAD_PRIORITY_MAX / 8 * __FINSH_THREAD_PRIORITY + 1)
#define FINSH_THREAD_STACK_SIZE 2048
#define FINSH_USING_HISTORY
#define FINSH_HISTORY_LINES 5
#define FINSH_USING_SYMTAB
#define FINSH_USING_AUTH /* 可配置 FINSH 的 authencation 功能, 防止随意使用 FINSH */
#define FINSH_DEFAULT_PASSWORD "radiation"
#define FINSH_PASSWORD_MIN 6
#define FINSH_PASSWORD_MAX 16
/* Device Drivers */
#define RT_USING_PIN
#define RT_USING_SERIAL
// #define RT_SERIAL_USING_DMA
#define RT_USING_RTC
#define RT_USING_SPI
#define RT_USING_SFUD
#define RT_SFUD_USING_SFDP
#define RT_SFUD_USING_FLASH_INFO_TABLE
#define RT_USING_WDT
/* RTT 组件配置 */
/* fal package */
#define PKG_USING_FAL
#define FAL_DEBUG_CONFIG
#define FAL_DEBUG 0
#define FAL_PART_HAS_TABLE_CFG
#define FAL_USING_SFUD_PORT
#define FAL_USING_NOR_FLASH_DEV_NAME "nor_flash0"
#define PKG_USING_FAL_LATEST_VERSION
#define PKG_FAL_VER_NUM 0x99999
/* Tinycrypt package */
#define TINY_CRYPT_AES
/* Compress package */
#define QLZ_COMPRESSION_LEVEL 3
/* Hardware Drivers Config */
#define SOC_FAMILY_STM32
#define SOC_SERIES_STM32F4
#define SOC_STM32F407ZE
/* On-chip Peripheral Drivers */
#define BSP_USING_GPIO
#define BSP_USING_ON_CHIP_FLASH
#define BSP_USING_ONCHIP_RTC
#define BSP_USING_UART
#define BSP_USING_UART1
#define BSP_USING_SPI
#define BSP_USING_SPI1
/* Onboard Peripheral Drivers */
#define BSP_DATAFALSH_CS_PIN 30
/* Board extended module Drivers */
#define BSP_RS485_DIR_PIN 52
/* RT-FOTA module define */
#define RT_FOTA_SW_VERSION "1.0.0"
/* Enable Ymodem OTA */
#define PKG_USING_YMODEM_OTA
/* 分区名字可以根据自己的需求而定 */
/* FOTA application partition name */
#ifndef RT_FOTA_APP_PART_NAME
#define RT_FOTA_APP_PART_NAME "app"
#endif
/* FOTA download partition name */
#ifndef RT_FOTA_FM_PART_NAME
#define RT_FOTA_FM_PART_NAME "fm_area"
#endif
/* FOTA default partition name */
#ifndef RT_FOTA_DF_PART_NAME
#define RT_FOTA_DF_PART_NAME "df_area"
#endif
/* 此两项密码必须与 RTT 的打包软件设置一致 */
/* AES256 encryption algorithm option */
#define RT_FOTA_ALGO_AES_IV "0123456789ABCDEF"
#define RT_FOTA_ALGO_AES_KEY "0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF"
#endif
RBL 文件说明
使用过 RTT 官方的 RT-OTA 组件的朋友都知道，下载的不是 bin 文件，而是需要通过 RTT 打包软件 “装饰” 成 rbl 文件之后，才能被 RT-OTA 识别。RTT 的打包软件可以设置代码加密和压缩，其配置信息都存在 rbl 文件前 96 字节中：
rt-fota />fota show fm_area 0 96
00000000: 52 42 4C 00 00 02 00 00 5E A9 A4 5D 61 70 70 00
00000010: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 31 2E 30 2E
00000020: 36 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000030: 00 00 00 00 31 2E 30 2E 36 00 00 00 00 00 00 00
00000040: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 43 33 29 0A
00000050: 47 08 F6 DA 84 BB 00 00 1C 84 00 00 C4 3D E3 B5
其具体含义如下：
typedef struct {
char type; /* RBL 字符头 */
rt_uint16_t fota_algo; /* 算法配置: 表示是否加密或者使用了压缩算法 */
rt_uint8_t fm_time; /* 原始 bin 文件的时间戳, 6 位时间戳, 使用了 4 字节, 包含年月日信息 */
char app_part_name; /* app 执行分区名 */
char download_version; /* 固件代码版本号 */
char current_version; /* 这个域在 rbl 文件生成时都是一样的，我用于表示 app 分区当前运行固件的版本号，判断是否固件需要升级 */
rt_uint32_t code_crc; /* 代码的 CRC32 校验值, 它是的打包后的校验值, 即 rbl 文件 96 字节后的数据 */
rt_uint32_t hash_val; /* 估计这个域是指的原始代码本身的校验值，但不知道算法，无法确认，故在程序中未使用 */
rt_uint32_t raw_size; /* 原始代码的大小 */
rt_uint32_t com_size; /* 打包代码的大小 */
rt_uint32_t head_crc; /* rbl 文件头的 CRC32 校验值，即 rbl 文件的前 96 字节 */
} rt_fota_part_head, *rt_fota_part_head_t;
开机界面
RT-FOTA 开机界面如下图：
可以看出使用了 RTT 的 SFUD 和 FAL 组件，同时列出了分区变信息。RT-FOTA 源码公开，你想怎么改就怎么改, 不在受限制：)最后一行是表示在 5 秒钟内，按下 Enter 键，即 0x0d，就可以进入命令行模式：
由于 FINSH 具备 authencation 功能，可以设置 shell 密码。具体详见 RTT 相关文档。
命令行模式
RT-FOTA 的命令行模式使用的 RTT 的 FINSH 组件, 除了 RTT 系统自带命令外，还增加 fota 和 ymdown 命令：**fota 命令 **键入 fota 命令后回车即可看到帮助命令：
rt-fota />fota
Usage:
fota probe - probe RBL file of partiton
fota show partition addr size - show 'size' bytes starting at 'addr'
fota clone des_part src_part - clone src partition to des partiton
fota exec - execute application program
probe 参数可以打印出当分区的 RBL 信息：
rt-fota />fota probe
===== RBL of fm_area partition =====
| App partition name | app |
| Algorithm mode |AES && QLZ |
| Firmware version | 1.0.3 |
| Code raw size | 48004 |
| Code package size| 33824 |
| Build Timestamp |1571072350 |
===== RBL of df_area partition =====
| App partition name | app |
| Algorithm mode |AES && QLZ |
| Firmware version | 1.0.3 |
| Code raw size | 48004 |
| Code package size| 33824 |
| Build Timestamp |1571072350 |
这里列出了 fm_area 和 df_area 分区中 RBL 文件的主要信息项, 便于开发者查询：App partition name: 指的是 RTT 打包文件时设置的分区名Algorithm mode : 指的是 RTT 打包文件使用那些算法：AES256/Quicklz/FastlzFirmware version : 指的是 RTT 打包文件设置的固件版本号Code raw size : 指的代码原始大小Code package size : 指的代码打包后的大小Build Timestamp : 指的代码生成的时间戳show 参数可以显示分区的具体实际数据，方便调试与检查：
rt-fota />fota show app 0 9600000000: C0 08 00 20 E5 57 02 08 5D 04 02 08 5F 04 02 0800000010: 63 04 02 08 67 04 02 08 6B 04 02 08 00 00 00 0000000020: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 6F 04 02 0800000030: 71 04 02 08 00 00 00 00 73 04 02 08 75 04 02 0800000040: FF 57 02 08 FF 57 02 08 FF 57 02 08 49 55 02 0800000050: FF 57 02 08 FF 57 02 08 FF 57 02 08 FF 57 02 08
这里列出了 app 分区 0 到 96 字节的数据**clone 参数是实现分区数据克隆 **
rt-fota />fota clone fm_area df_area
Clone df_area partition to fm_area partition:
#########################################################
#########################################################
#########################################################
#########################################################
############################
Clone partition success, total 1048576 bytes!
这里是将 df _ area 分区数据完整的克隆岛 fm _ area 中。**exec 参数是用于执行 app 分区的应用代码 **rt-fota />fota exec
Implement application now.
LCD ID:5510
**ymdown 命令 **ymdown 是基于 Ymodem 协议的下载命令，使用 RTT 的 ymodem 和 ymodem _ ota 组件实现，其中将 ymodem _ ota.c 中的 DEFAULT_DOWNLOAD_PART 设置为需要默认使用分区名，即在使用 ymdown 不带参数的情况下就下载到 DEFAULT_DOWNLOAD_PART 分区，也可加分区名作为参数指定下载位置。
rt-fota />ymdown
Default save firmware on download partition.
Warning: Ymodem has started! This operator will not recovery.
Please select the ota firmware file and use Ymodem to send.
CCCCCC
Starting ymodem transfer.Press Ctrl+C to cancel.
100% 33 KB 6 KB/s 00:00:05 0 Errors
Download firmware to flash success.
Download firmware verify........
Reset system and apply new firmware.
下载完成后，会自动复位重新启动，将新固件搬运到 app 分区中：
____ _____ _____ _________
|_ \_ _| |___/ _ \ _ _|/ \
| |_) || |_____ | |_|| ||| | / _ \
|_ < | |_____ |_| ||_||| |/ ___ \
|_| \_\|_| |_| \___/|_/_/ \_\
2016 - 2019 Copyright by Radiation @ warfalcon
Version: 1.0.0 build Oct 18 2019
Find a Winbond flash chip. Size is 16777216 bytes.
nor_flash0 flash device is initialize success.
==================== FAL partition table ====================
| name | flash_dev | offset | length|
-------------------------------------------------------------
| app | onchip_flash | 0x00020000 | 0x000e0000 |
| fm_area | nor_flash0 | 0x00000000 | 0x00100000 |
| df_area | nor_flash0 | 0x00100000 | 0x00100000 |
=============================================================
RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.4.0) initialize success.
Please press key into shell mode in 5 secs:
Partition erase start:
Start to copy firmware from fm_area to app partition:
############
Upgrade success, total 48004 bytes.
Copy firmware version Success!
Implement application now.
LCD ID:5510
出厂固件恢复
恢复出厂固件的方式比较多，本人多年的工程实践经验，倾向于使用外部按键长按后进行出厂固件恢复。出厂固件存储在 df _ area 分区中（分区名在代码中任意设置），长按按键 10s 后 (长按时间在代码中任意设置)，RT-FOTA 会自动解密解压 df _ area 分区代码，并搬运到 app 分区进行执行。
Default firmware key pressed:
>>>>>>>>>>
Partition erase start:
Start to copy firmware from df_area to app partition:
############
Upgrade success, total 48004 bytes.
Implement application now.
LCD ID:5510
RT-FOTA 移植
RT-FOTA 移植很简单，只要 RT-Thread 源码包中有你的平台的 BSP 包即可：）RT-FOTA 中使用的各种组件的修改也很简单，比如 FAL 和 SFUD 就可以参照 RTT 官方说明，SignalLED 参照源码包里的 README.md 即可。RT-FOTA 可以直接使用在 RT-Thread 的完整版搭载，只需要将 * rt _ fota.c*、*rt _ fota.h * 和 * rt _ fota_crc.c * 放入工程中即可实现，然后用 env 配置相关组件即可。
编译下载
双击 bootloader.uvprojx 文件，打开 MDK5 工程，编译并下载程序到开发板。工程默认配置使用 JLINK 仿真器下载程序，点击下载按钮即可下载程序到开发板
运行结果
下载程序成功之后，系统 RT-FOTA 会运行：
[*]启动后 LED 会常亮；
[*]如果进入 shell 模式, LED 会 1Hz 闪烁；
[*]如果进入 upgrade 模式, LED 会 10Hz 闪烁；
连接目标板的串口 1 到 PC , 在终端工具里打开相应的串口（115200-8-1-N），复位设备后，可以看到 RT-FOTA 的输出信息: ____ _____ _____ _________
|_ \_ _| |___/ _ \ _ _|/ \
| |_) || |_____ | |_|| ||| | / _ \
|_ < | |_____ |_| ||_||| |/ ___ \
|_| \_\|_| |_| \___/|_/_/ \_\
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Version: 1.0.0 build Oct 18 2019
Find a Winbond flash chip. Size is 16777216 bytes.
nor_flash0 flash device is initialize success.
==================== FAL partition table ====================
| name | flash_dev | offset | length|
-------------------------------------------------------------
| app | onchip_flash | 0x00020000 | 0x000e0000 |
| fm_area | nor_flash0 | 0x00000000 | 0x00100000 |
| df_area | nor_flash0 | 0x00100000 | 0x00100000 |
=============================================================
RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.4.0) initialize success.
注意事项
[*]RT-FOTA 使用正点原子的探索者开发板，如果要运行到其他目标板，可能需要修改相关设置；
[*]代码中使用的硬件有 usart0、spi0、PE4(key0)、PF9（led0）；
[*]由于业余时间开发，文档逐步完善，但只要有一定编程基础的朋友，开代码注释即可知道如果进行相关修改；
gitee源码：https://gitee.com/spunky_973/rt-fota
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