幾乎所有的嵌入式系統(tǒng)都需要能夠在現(xiàn)場(chǎng)更新其固件，從而添加新特性或修復(fù)漏洞。然而，固件現(xiàn)場(chǎng)更新可能會(huì)頗具挑戰(zhàn)性，因?yàn)殚_發(fā)人員必須編寫自己的引導(dǎo)程序或從第三方元器件供應(yīng)商處購買引導(dǎo)程序。
有一個(gè)較為簡(jiǎn)單的方法。本文將介紹如何使用很多微控制器都會(huì)內(nèi)置但通常會(huì)被忽視的設(shè)備固件更新 (DFU) 功能。
固件更新選項(xiàng)
從頭開始開發(fā)引導(dǎo)程序并非易事。開發(fā)人員需要解析他們的閃存空間，以便多個(gè)應(yīng)用可以共存。然后，他們還需要開發(fā)幾種方法在不使用編程工具的情況下將其編譯的二進(jìn)制程序轉(zhuǎn)移到微控制器中。這需要他們開發(fā)自己的通信協(xié)議或者需要添加外部存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)新映像而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。他們還要增加其微控制器上的內(nèi)存容量。
同樣地，軟件本身也會(huì)變復(fù)雜，因?yàn)橐龑?dǎo)程序需要設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)及確定跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用代碼是否安全。
使用定制引導(dǎo)程序可以為開發(fā)人員提供其應(yīng)用非常需要的靈活性，但很多無需開發(fā)人員工作量的應(yīng)用可以采用一種固件更新標(biāo)準(zhǔn)：USB 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置設(shè)備固件更新 (DFU) 類。這可用于通過其 USB 端口在現(xiàn)場(chǎng)更新微控制器的應(yīng)用代碼，從而大大減少固件升級(jí)過程和開發(fā)周期。
DFU 已經(jīng)普遍使用，這使得一些微控制器供應(yīng)商（如 STMicroelectronics）甚至都提供了執(zhí)行硬編碼到其 ROM 中的更新所需的軟件。那些沒有提供的，通常會(huì)提供如何支持 DFU 的示例代碼。
選擇適合 DFU 的微控制器
支持 DFU 的最簡(jiǎn)單方法是選擇一個(gè)已經(jīng)在其 ROM 中包含 DFU 的微控制器，如 STMicroelectronics 的 STM32 IoT Discovery 節(jié)點(diǎn)和 STM32F429 Discovery 套件上的設(shè)備。
圖 1： STMicroelectronics STM32 IoT Discovery 節(jié)點(diǎn)基于運(yùn)行 STM32L475 MCU（其中包含用于固件更新的 DFU 模式功能）的 ARM? Cortex?-M4 核。此特定設(shè)備設(shè)計(jì)用作 IoT 節(jié)點(diǎn)。（圖片來源：STMicroelectronics）
STM32 IoT Discovery 節(jié)點(diǎn)是一種低成本開發(fā)板，設(shè)計(jì)用作 IoT 傳感器節(jié)點(diǎn)。該開發(fā)板包括幾個(gè)不同的接口，用于連接 Wi-Fi 和藍(lán)牙等板。讓人感興趣的是，板載 STM32L475 為開發(fā)人員提供在設(shè)計(jì)用于連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備上測(cè)試和使用 DFU 功能的能力。
對(duì)于只想在獨(dú)立的正常設(shè)備上測(cè)試 DFU 的開發(fā)人員來說，STM32F429 Discovery 套件是 STM32F4 系列微控制器的知名、低成本開發(fā)套件。我們來討論開發(fā)人員如何著手開始在這些微控制器上測(cè)試 DFU。
圖 2： STMicroelectronics STM32F429 Discovery 套件 基于 ARM? Cortex?-M4 核。這個(gè)低成本開發(fā)板的 MCU 還包括用于進(jìn)行固件更新的 DFU 模式功能。（圖片來源： STMicroelectronics）
一個(gè)簡(jiǎn)單的 DFU 示例
每個(gè)微控制器訪問 DFU 的方式都不同。通過一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來看一看開發(fā)人員如何在運(yùn)行 STM32L475 MCU 的設(shè)備上更新其固件。
如前所述，STM32 微控制器包括內(nèi)置到其 ROM 中的 DFU 引導(dǎo)程序。要訪問該引導(dǎo)程序，開發(fā)人員需要在 MCU 啟動(dòng)時(shí)拉動(dòng)其中一個(gè) BOOT 引腳將其接地。BOOT 引腳控制 MCU 啟動(dòng)時(shí)所處的模式，如從閃存、RAM 中啟動(dòng)，或者我們首選的 DFU USB 模式。
使用 DFU 準(zhǔn)備要供用戶下載的應(yīng)用不需要開發(fā)人員進(jìn)行任何額外的工作。GNU 編譯器收集 (GCC) 以及很多其他工具鏈支持在編譯應(yīng)用時(shí)生成 DFU 文件。在這里，開發(fā)人員的唯一訣竅是確定該文件的存儲(chǔ)位置：跟所有典型應(yīng)用一樣，要找到 .dfu 文件，可以參見調(diào)試或?qū)ο笪募A。
DFU 文件與二進(jìn)制格式、s-record 格式和十六進(jìn)制文件等其他應(yīng)用記錄格式非常相似。文件格式包括通過 USB 中繼轉(zhuǎn)發(fā)、處理、然后寫入閃存內(nèi)指定位置的地址和數(shù)據(jù)信息。該過程無縫連接，使開發(fā)人員很少（如果有的話）需要檢查正被使用的協(xié)議。這些都是在后臺(tái)進(jìn)行的，可幫助降低固件更新過程和開發(fā)工作的復(fù)雜性。
開發(fā)人員可以使用幾個(gè)不同的工具通過 DFU 將他們的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到微控制器中。dfu-util 是可以使用的一般命令行工具。它在 Linux 和 Windows? 上都以開源軟件包形式提供。如果開發(fā)人員使用 STM 工具鏈，他們就可以利用 STMicroelectronics 應(yīng)用 DfuSe（圖 3）。
圖 3： STMicroelectronics DfuSe 工具可用于編程由 GCC 等編譯器生成并加載到適合 DFU 的微控制器中的 DFU 文件。（圖片來源：Beningo Embedded Group）
DfuSe 是 Windows GUI 實(shí)用工具，可檢測(cè)已在 DFU 模式下通電并通過 USB 連接到計(jì)算機(jī)的任何 STM32 設(shè)備。開發(fā)人員可以檢索編程供應(yīng)商和產(chǎn)品 ID 等信息。如果沒有對(duì)閃存空間采取適當(dāng)?shù)陌踩Ｗo(hù)，他們甚至可以復(fù)制 MCU 的存儲(chǔ)內(nèi)容并使用上傳操作框?qū)⑵浯鎯?chǔ)在計(jì)算機(jī)上。
使用 DfuSe 時(shí)，開發(fā)人員一般只使用“升級(jí)”或“驗(yàn)證操作”部分。在此區(qū)域，開發(fā)人員可以選擇其 DFU 應(yīng)用文件，然后選擇升級(jí)按鈕。然后，DfuSe 將自動(dòng)協(xié)調(diào)固件更新過程，直到整個(gè)文件已成功加載到 MCU。然后，開發(fā)人員可以選擇驗(yàn)證映像已成功接收。一經(jīng)驗(yàn)證，BOOT 引腳就可以設(shè)置回其默認(rèn)配置，如引導(dǎo)至閃存，然后選擇‘離開 DFU’模式加載并執(zhí)行更新的固件。
在沒有 DFU 支持的設(shè)備上使用 DFU
只是因?yàn)槲⒖刂破鞑辉?ROM 內(nèi)提供 DFU 引導(dǎo)程序，并不意味著開發(fā)人員仍不能利用 DFU 功能。DFU 屬于 USB 類，在很多 USB 堆棧中都受支持。這表示，開發(fā)人員同樣能向其應(yīng)用框架簡(jiǎn)單的添加 DFU 功能，且仍能執(zhí)行 DFU 更新。
例如，Microchip Technology 的 AT32UC3A3 不具有內(nèi)置的 DFU 模式（圖 4）。開發(fā)人員可以遵照描述 DFU 工作原理及開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)如何將其微控制器配置為適當(dāng)支持 DFU 的簡(jiǎn)單應(yīng)用說明。
圖 4： AT32UC3A3 UC3-A3 XPLD AVR?32 MCU 32 位 AVR 嵌入式評(píng)估板不包括片載 DFU，但可以添加上支持 DFU 固件更新特性的框架 USB 代碼。（圖片來源：Microchip Technology）
執(zhí)行固件更新的技巧和訣竅
在現(xiàn)場(chǎng)更新固件并不一定只能從適合 DFU 的微控制器中進(jìn)行。開發(fā)人員可以決定更新固件的替代方法是否必要或更加實(shí)用。在這種背景下，開發(fā)人員應(yīng)記住關(guān)于其固件更新過程的幾個(gè)技巧。其中包括：
使用校驗(yàn)和或哈希驗(yàn)證將寫入微控制器內(nèi)存的應(yīng)用。
選擇內(nèi)存足夠的微控制器存儲(chǔ)固件的備份件，以便發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以回滾固件版本。
驗(yàn)證在微控制器具有內(nèi)置閃存加載程序時(shí)，終端用戶不會(huì)意外觸發(fā)該程序。
確保任何軟件引導(dǎo)程序均已編譯且針對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。
鎖定閃存外設(shè)，使應(yīng)用無法從內(nèi)存中讀取出且不能被反向工程。
務(wù)必確保棧指示器、向量表和程序計(jì)數(shù)寄存器均設(shè)置為適當(dāng)?shù)膽?yīng)用值。
考慮按 KL46Z Freedom 板的演示使用采用了 USB MSD 的拖放更新之類的替代更新方法（圖 5）。
圖 5： NXP Semiconductor 的 KL46Z Freedom 板是一種低成本開發(fā)板，默認(rèn)不支持 DFU。開發(fā)人員可以使用 USB MSD 之類將新固件映像拖放到內(nèi)存中的替代更新方法。（圖片來源： NXP Semiconductor）
總結(jié)
幾乎所有嵌入式系統(tǒng)都需要在現(xiàn)場(chǎng)更新應(yīng)用代碼以避免回調(diào)的方法。從頭開始創(chuàng)建引導(dǎo)程序或者修改現(xiàn)有引導(dǎo)程序可能會(huì)增加開發(fā)周期的復(fù)雜性和集成問題。
反之，開發(fā)人員可以使用內(nèi)置到 USB 標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)過充分證明的 DFU 功能來快速、高效、毫不費(fèi)力的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。為了讓這個(gè)過程順利進(jìn)行，開發(fā)人員需要仔細(xì)檢查其微控制器并確定 DFU 是否已內(nèi)置到其微控制器中或者它們是否需要包括支持 DFU 功能的軟件堆棧。
