STM32单片机固件更新实战：OTA、Bootloader详解

# 1. 固件更新概述**

固件更新是指对嵌入式设备中存储的可执行代码（固件）进行修改的过程。固件更新对于修复错误、添加新功能以及提高设备性能至关重要。

固件更新有两种主要方法：空中下载（OTA）和引导加载程序。OTA允许设备通过无线连接接收固件更新，而引导加载程序则使用串口或其他物理接口更新固件。

OTA和引导加载程序各有优缺点。OTA更方便，但可能存在安全问题。引导加载程序更安全，但需要物理访问设备。

# 2. OTA固件更新技术

### 2.1 OTA原理及应用场景

**原理：**

OTA（Over-the-Air）固件更新技术是一种通过无线网络（如Wi-Fi、蜂窝网络）远程更新设备固件的方法。它允许设备在不物理连接的情况下接收和安装更新，从而简化了固件更新过程。

**应用场景：**

OTA固件更新技术广泛应用于各种场景，包括：

- **智能家居：**更新智能灯泡、插座和传感器等设备的固件，以添加新功能或修复错误。
- **可穿戴设备：**更新健身追踪器、智能手表和耳机等设备的固件，以改进性能或增加新功能。
- **工业设备：**更新工厂自动化系统、医疗设备和交通运输设备等设备的固件，以提高效率或修复安全漏洞。

### 2.2 OTA更新协议及流程

**协议：**

OTA固件更新通常使用以下协议：

- **HTTP/HTTPS：**用于传输固件文件和更新信息。
- **MQTT：**用于设备与服务器之间的实时通信。
- **CoAP：**用于低功耗设备的固件更新。

**流程：**

OTA固件更新流程通常涉及以下步骤：

1. **设备检测更新：**设备定期连接到服务器，检查是否有可用的固件更新。
2. **服务器验证更新：**服务器验证设备的更新请求，并提供更新文件和安装说明。
3. **设备下载更新：**设备下载更新文件并将其存储在本地。
4. **设备安装更新：**设备在适当的时候安装更新文件，通常是在设备空闲或充电时。
5. **设备重启：**安装完成后，设备重启以应用更新。

### 2.3 STM32 OTA固件更新实现

STM32微控制器提供了一系列硬件和软件功能，支持OTA固件更新。

**硬件：**

- **双银行闪存：**允许在不中断设备操作的情况下更新固件。
- **CRC校验：**确保更新文件在传输过程中没有损坏。

**软件：**

- **STM32CubeMX：**提供图形化配置工具，简化OTA固件更新的实现。
- **STM32CubeProgrammer：**用于下载和安装更新文件。

**代码示例：**

以下代码示例展示了STM32 OTA固件更新的基本实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stm32f4xx_hal_flash.h"

void ota_update(uint8_t *firmware_data, uint32_t firmware_size) {
  // 擦除目标闪存区域
  FLASH_EraseInitTypeDef erase_init;
  erase_init.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
  erase_init.PageAddress = FLASH_START_ADDRESS;
  erase_init.NbPages = FLASH_SIZE / FLASH_PAGE_SIZE;
  HAL_FLASHEx_Erase(&erase_init, &status);

  // 逐页编程固件数据
  for (uint32_t i = 0; i < firmware_size; i += FLASH_PAGE_SIZE) {
    HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_FLASHWORD, FLASH_START_ADDRESS + i, (uint32_t *)(firmware_data + i));
  }

  // 验证固件更新
  for (uint32_t i = 0; i < firmware_size; i += FLASH_PAGE_SIZE) {
    if (memcmp((uint8_t *)(FLASH_START_ADDRESS + i), firmware_data + i, FLASH_PAGE_SIZE) != 0) {
      // 更新失败
    }
  }

  // 重启设备以应用更新
  HAL_NVIC_SystemReset();
}

**参数说明：**

- `firmware_data`：指向固件数据的指针。
- `firmware_size`：固件数据的长度。

**逻辑分析：**

该代码函数通过以下步骤执行OTA固件更新：

1. 擦除目标闪存区域。
2. 逐页编