YTM32的flash存储器boot-swap功能详解

Introduction
Pricinple & Machenisim
Application
基本的boot swap用例
不更新bootloader的情况
更新bootloader的情况
Conclusion

Introduction

客户在开发量产型的ECU软件时，大多会考虑实现OTA（在线更新）的功能，方便在将ECU设备装车之后，可以利用通信过程更新固件。OTA的实现技术中，为了提升更新过程的安全性，避免在更新过程中因意外中断导致整个ECU软件系统崩溃，通常会考虑备份更新的方式，如果本次更新固件的过程被意外中断，MCU仍可启动至最近一次能够正常运行的固件中，故而在MCU的片内flash中实际会存放至少两份程序，A程序和B程序。

这两份程序存放在不同的存储区，在创建这些application程序时，需要分别调整linker地址，让A程序和B程序映射到指定对应不同的地址区才能正常运行。芯片在上电启动后进入bootloader，经过信息安全检查、完整性检查、有效性检查等一些列判定条件之后，有选择地跳转到存放在不同地址的application程序。而在更新程序的时候，也要分别更新不同区域的程序。

为了简化开发者和用户区分application程序的A / B版本，有些专用于ECU的MCU，设计了硬件支持flash存储的AB面交换功能（boot swap），对应于两块独立的但地址连续拼接的flash存储器（pflash0和pflash1），可以通过软件配置，指定哪块flash存储区被映射到0x0000_0000开始的位置。如此，将用于更新的固件application工程，其linker可以不做调整，始终为一份工程。在bootloader更新固件的过程中，将实际运行地址空间的程序，先写到备份flash存储区（例如flash的后半段）中，在更新成功完毕后，再执行boot swap命令，将备份flash存储区映射到实际运行的地址空间（例如，flash地址区间的前半段）。复位芯片后，就会从备份转正的flash启动，执行新的application了。如此，两个独立的存储区可互为备份。

Pricinple & Machenisim

以YTM32B1MD1微控制器为例，介绍boot swap的机制和用法。

YTM32B1MD1微控制片上集成了2片容量为256KB的flash，称为pflash0和pflash1，总计512KB。默认情况下，pflash0被映射在0x0000_0000开始的地址空间，pflash1拼接在pflash0之后。当执行了boot swap命令后，复位，pflash1的物理存储被映射到0x0000_0000开始的地址空间，pflash0拼接在pflash1之后。

执行boot swap命令的具体操作，就是向EFM模块的CMD寄存器中，写入boot swap的命令码0x30。如图x所示。

而在，EFM模块的STS寄存器中，可以通过查看BOOT_INFO标志位，判定当前0x0000_0000开始的区域映射到哪块pflash上。如图x所示。

切记，只有当芯片复位之后，新的设置才能生效。通常开发者可以在软件中，执行boot swap命令后，再调用NVIC_SystemReset()函数复位生效。

当然，如果不适用boot swap机制，两块拼接在一起的pflash存储器，也可以作为一个地址连续的大存储器。仍然可以适配一些使用回滚策略或者使用复制方式实现的FOTA等机制。

Application

这里提供了一个可运行的用例，展示boot swap的用法。同时还讨论了一些同boot swap功能相结合的bootlaoder方案的策略。

基本的boot swap用例

在展示boot swap基本用法的用例中，在main()函数中编写用例，在同一份代码中，查看BOOT_INFO标志位，然后打印出来，告知开发者当前的程序（总是从0x0000_0000开始）运行在哪块pflash上。

在运行用例时，需要进行两次下载：第一次下载程序，下载到从0x0000_0000开始的pflash0中，运行程序后，0x0000_0000地址切换到pflash1上，此时，还需要再下载一次程序，程序会覆盖到pflash1上。注意，第一次下载程序后运行，从pflash1开始启动，pflash1此时没有可执行的程序，可能会出现“卡死”的状态。

/* main.c */

#include "board_init.h"

/*
 * Functions.
 */
int main(void)
{
    BOARD_Init();
    
    printf("efm_swap_bool_flash.\r\n");

    if (0u == (EFM_FLAG_BOOT_INFO & EFM_GetStatusFlags(BOARD_EFM_PORT)) )
    {
        printf("boot from pflash0.\r\n");
    }
    else
    {
        printf("boot from pflash1.\r\n");
    }

    printf("press any key to launch the EFM_SwapBootFlash() ... \r\n");
    uint8_t ch = getchar();
    putchar(ch); /* echo to check input. */
    
    /* switch the boot flash. */
    EFM_SwapBootFlash(BOARD_EFM_PORT);
    
    printf("EFM_SwapBootFlash() done.\r\n");
    
    printf("NVIC_SystemReset()\r\n\r\n");
    NVIC_SystemReset();

    while (1)
    {
    }
}

进行了两次下载之后，pflash0和pflash1上都存放了相同的一份程序。但运行时，每个pflash的程序会查阅BOOT_INFO标志位，从而打印不同的信息。如此相互交替。如图x所示。

不更新bootloader的情况

在支持A / B面的平台上，设计bootloader + application的存储结构。为了确保程序总是从bootloader开始执行，实际上是在两个pflash的开始位置存放了两个相同的bootloader，对应跳转到自己专属的application。如图x所示。如此，在一个pflash中执行更新另一个pflash中的程序时，仅更新其中application的区域。在执行boot swap和复位操作后，将会直接跳转到相同的一份bootloader，并进一步跳转到新的application，从而实现仅更新application的效果。

这里还讨论了一种使用片上flash存放参数（模拟eeprom）的情形。当存放数据（以地址映射方式访问）在pflash0上后，若执行boot swap命令后，实际存放数据的内存区域，其地址映射发生了变化。但在程序中，若仍使用原来的地址访问数据，则不会访问到正确的存储区。此时，如果仍想用一份固定的代码，以“自适应”的方式访问之前存放数据的区域，一种可行的方式，是借助于BOOT_INFO标志位进行判断。

uint32_t eep0_base_addr = (BOOT_INFO = 1) ? 0x3C000 : 0x1C000;
uint32_t eep1_base_addr = (BOOT_INFO = 0) ? 0x3C000 : 0x1C000;

更新bootloader的情况

如果进一步考虑更新bootloader的情况，就需要在更新策略上，在其中一个pflash中执行更新另一个pflash程序的过程中，连带这另一个pflash中的bootlaoder部分一起更新掉。如此，在执行boot swap和复位操作后，将会直接跳转到新的bootloader，从而实现更新bootloader的效果。

Conclusion

在有A / B分区的存储平台上，设计boot swap是为了实现备份程序和提升更新固件提供了便利。操作简单，效果明显。

作者：安德鲁苏
来源：安德鲁的设计笔记本

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