NORDIC BLE升级

NRF52832 SDK15.3.0

概述：

所谓DFU（Device Firmware Update），就是设备固件升级的意思，而OTA是DFU的一种类型，准确说，OTA的全称应该是OTA DFU，只不过大家为了方便起见，直接用OTA来指代固件空中升级（有时候大家也将OTA称为FOTA）。DFU除了可以通过无线方式（OTA）进行升级，也可以通过有线方式进行升级，比如通过UART，USB或者SPI通信接口来升级设备固件。

不管采用OTA方式还是有线通信方式，DFU包括后台式（background）和非后台式两种模式，目前的智能手机升级Android或者iOS系统都是采用background DFU方式，即新固件在后台悄悄下载，下载成功后，再提示用户升级，整个升级过程中对用户手机使用没有任何影响。而早先的功能机就是采用非后台式 DFU来升级操作系统的，即用户需要先长按某些按键进入bootloader模式，然后再进行升级，在升级过程中，手机的正常功能无法使用。Background DFU必须采用双备份（dual bank）模式进行升级，即老系统（老固件）和新系统（新固件）各占一块存储区，只有当新系统下载完成并校验成功后才会去升级老系统。而非后台式DFU可以采用dual bank或者single bank模式，dual bank的做法是升级时系统先进入bootloader，然后把新系统（新固件）下载下来并校验成功，然后再擦除老系统（老固件）并升级新系统，dual bank方式虽然牺牲了很多存储空间，但是换来了更好的升级体验。Single bank的做法是升级时系统也是先进入bootloader，然后立马把老系统擦除，然后直接把新系统下载到老系统区域，跟dual bank相比，single bank将大大节省Flash存储区域，在系统资源比较紧张的时候，推荐使用single bank方式。不管是single bank还是dual bank，升级过程出现问题后，都可以进行二次升级，都不会出现“变砖”情况。不过dual bank有一个好处，如果升级过程中出现问题或者新固件有问题，它还可以选择之前的老系统继续执行而不受其影响。而single bank碰到这种情况就只能一直待在bootloader中，然后等待二次或者多次升级，此时设备的正常功能就无法使用了，从用户使用这个角度来说，你也可以认为此时设备已经“变砖”了。可参考下面三个图来理解上述过程

SDK软件架构

Nordic nRF5系列产品都是使用Flash存储器的，确切说，是嵌入式可执行代码的Flash存储器，也就是说，代码是可以直接在上面运行的，这个跟很多其他BLE厂商是不一样的（他们使用的是nand Flash，代码是不能直接在nand Flash中运行的，必须先装载到RAM中才能跑，所以你会发现这些厂商的RAM都非常大）。Nordic Flash是带cache机制的，以保证大部分代码执行速度可以达到64MHz，在cache失败的时候，等待周期也只有1个cycle，可以说Flash的执行速度和效率都是非常不错的。另外，Nordic芯片是纯Flash产品，里面没有其他NVM，所有非易失性数据都放在Flash中，包括蓝牙协议栈，这也是为什么Nordic蓝牙协议栈也可以OTA的根本原因所在。

Nordic nRF5 SDK将芯片的存储器划分成如下格局：

Flash结构图 RAM结构图

nrf52832flash分区：

Nordic OTA分dual bank和single bank，application、协议栈、和bootloader都可以升级

dual bank updates：

single bank updates：

MBR了解：如果bootloader存在的话，Master Boot Record（MBR）的作用是为了启动bootloader

从上图可知，Flash存储器最下面放的是softdevice（softdevice就是蓝牙协议栈，图中的MBR也属于softdevice的一部分），中间是application，最上面是bootloader（可选，只有需要OTA的时候，才需要下载bootloader）。这里需要特别指出的是，softdevice是以二进制形式提供给大家的，它占据了Flash的一块固定空间，起始地址为0，结束地址为APP_CODE_BASE。softdevice同时占用了RAM的一块固定空间，起始地址为0x20000000，结束地址为APP_RAM_BASE。Softdevice占用的Flash空间是固定不变的，运行时不可调节，也就是说APP_CODE_BASE是一个固定值，而softdevice占用的RAM空间是动态可调的，跟softdevice配置和蓝牙服务的多少有直接关联，所以APP_RAM_BASE一定要根据应用的实际情况进行调整。

这里说明一下， Softdevice不是以库的形式提供给大家，而是以二进制文件（hex文件）的形式提供给大家，这种方式可以带来很多好处。首先二进制形式可以保证蓝牙BQB认证的版本和发布给客户的版本一模一样（因为库形式的版本每次编译都会产生少许差异！）。其次softdevice不需要跟你的应用一起编译或者链接，大大节省调试时间，更主要的是，Softdevice运行在固定的Flash空间中，使用固定的RAM空间，从而与你的应用完全隔离开，实现了真正的模块分离，从而出现问题时，可以迅速定位是协议栈的问题还是应用的问题。再次二进制形式的 Softdevice开启了保护机制，应用代码是不能对其进行访问的，以保证Softdevice的安全性，防止应用代码误访问或者误擦除某些softdevice区域。最后这种多bin形式使得OTA变得非常灵活，你可以只OTA应用，也可以OTA协议栈和bootloader，或者三者同时OTA。

安装环境：

1、gcc-arm-none-eabi编译环境：GCC编译环境（ https://developer.arm.com/open-source/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads）

升级需要micro_ecc_lib_nrf52.lib，需要使用GCC编译器生成

2、MinGW平台（https://sourceforge.net/projects/mingw/files/latest/download?source）

用于编译makefile文件，产生micro_ecc_lib_nrf52.lib

3、python（https://www.python.org/downloads/）

选择版本在2.7.6~3.0.0之间的版本，用于安装nrfutil工具，nrfutil工具用于产生私匙、公匙以及升级需要的settings信息

4、nrfgo-studio（www.nordicsemi.com）

安装后主要使用"nrfjprog.exe"和"mergehex.exe"，用于合并与下载文件

5、nrf connect app

用于手机端蓝牙APP

安装说明：

1、gcc-arm-none-eabi编译环境

2、mingw 平台安装

安装好后弹出package包安装界面MinGW Installation Manager，按下图所示进行选择

选择后，点击Installationa Apply Changes

3、python安装，nrfutil安装

双击python-2.7.14.amd64.msi安装，注意使用默认路径，安装过程使用默认插件配置直接一直next

添加环境变量：

打开Windows命令行工具CMD，输入如下命令：pip install nrfutil，等待完成nrfutil的安装。安装后nrfutil.exe在C:Python27Scripts中

安装完成后，在Windows命令行工具输入：nrfutil version，其版本应该在3.2.0以上

对于Windows用户，nrfutil运行需要几个特殊的DLL库，而这几个库有些Windows机器是没有的，如此，可往：https://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=40784下载

生成公匙、私匙对

nrfutil keys generate C:Users·Desktoppriv.pem 产生私匙

nrfutil keys display --key pk --format code C:Users·Desktoppriv.pem --out_file C:Users·Desktopdfu_public_key.c 产生公匙

生成的 dfu_public_key.c 文件会拷贝到 dfu 文件夹下供 secure_bootloader 使用

生成micro_ecc_lib_nrf52.lib

执行如下的“build_all.bat”脚本（Windows系统），以生成相应的micro-ecc库（micro-ecc会用来对签名进行验签等安全功能）。请注意，欲成功执行build_all.bat，大家必须先安装好git和gcc编译器

点击后会自动从github上下载micro-ecc

打开MinGW的命令行msys.bat

在批处理框里输入要生成库的gcc算法路径

cd F: RF5_SDK_15.3.0_59ac345externalmicro-ecc rf52hf_keilarmgcc

之后输入make

出现错误后，按照提示修改gcc的Makefile.windows文件如下（根据下载的gcc-arm-none-eabi编译环境安装路径以及版本修改）

再次输入make：

至此micro_ecc_lib_nrf52.lib库生成完成

升级包制作：

升级共需要3个文件以及一个私匙

应用程序文件nrf52832_xxaa_app.hex（F: RF5_SDK_15.3.0_59ac345examplesle_peripheralle_app_buttonless_dfupca10040s132arm5_no_packs）

boot程序文件nrf52832_xxaa_bootloader_s132.hex（F: RF5_SDK_15.3.0_59ac345examplesdfusecure_bootloaderpca10040_blearm5_no_packs）

蓝牙协议栈s132_nrf52_6.1.1_softdevice.hex（F: RF5_SDK_15.3.0_59ac345componentssoftdevices132hex）

私钥priv.pem

打开命令行工具，输入：

生成settings

nrfutil settings generate --family NRF52 --application nrf52832_xxaa_app.hex --application-version 1 --bootloader-version 2 --bl-settings-version 1 settings.hex

合并boot与settings

mergehex.exe --merge nrf52832_xxaa_bootloader_s132.hex settings.hex --output bl_temp.hex

合并bootloader, app and softdevice

mergehex.exe --merge bl_temp.hex nrf52832_xxaa_app.hex s132_nrf52_6.1.1_softdevice.hex --output whole.hex

最终产生whole.hex就是制作的升级程序，将whole.hex下载到设备中就能升级了

升级

生成ZIP文件，需要用户程序nrf52832_xxaa_new_app.hex以及私匙priv.pem

输入nrfutil.exe pkg generate --application nrf52832_xxaa_new_app.hex --application-version 2 --hw-version 52 --sd-req 0xB7 --key-file priv.pem SDK14_app_s132.zip

产生的ZIP文件为SDK14_app_s132.zip