详解蓝⽛空中升级（BLEOTA）原理与步骤
如何实现BLE OTA？什么叫DFU？如何通过UART实现固件升级？⼜如何通过USB实现固件升级？怎么保证升级的安全性？什么叫双区（dual bank）DFU？什么叫单区（single bank）DFU？什么叫后台式（background）DFU？本⽂将对上述问题进⾏探讨。
DFU过程中涉及的所有操作步骤所对应的脚本都放在百度云盘上，云盘链接如下所⽰：
链接: 密码: y8fb
脚本是按照SDK版本进⾏分类的，建议⼤家把⾃⼰SDK版本对应的脚本下载下来，然后跟着第3章的操作步骤⼀步⼀步去实现⾃⼰的DFU。
1.概述
所谓DFU（Device Firmware Update），就是设备固件升级的意思，⽽OTA（Over The Air）是实现DFU的⼀种⽅式⽽已，准确说，OTA的全称应该是OTA DFU，即通过空中⽆线⽅式实现设备固件升级。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，即Firmware OTA，这种称呼意思更明了⼀些）。只要是通过⽆线通信⽅式实现DFU的，都可以叫OTA，⽐如
2G/3G/4G/WiFi/蓝⽛/NFC/Zigbee，他们都⽀持OTA。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。后台式DFU，⼜称静默式DFU（Silent DFU），在升级的时候，新固件在后台悄悄下载，即新固件下载属于应⽤程序功能的⼀部分，在新固件下载过程中，应⽤可以正常使⽤，也就是说整个下载过程对⽤户来说是⽆感的，下载完成后，系统再跳到BootLoader模式，由BootLoader完成新固件覆盖⽼固件的操作，⾄此整个升级过程结束。⽐如智能⼿机升级Android或者iOS系统都是采⽤后台式DFU⽅式，新系统下载过程中，⼿机可以正常使⽤哦。⾮后台式DFU，在升级的时候，系统需要先从应⽤模式跳⼊到BootLoader模式，由BootLoader进⾏新固件下载⼯作，下载完成后BootLoader继续完成新固件覆盖⽼固件的操作，⾄此升级结束。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，整个升级过程中⼿机正常功能都⽆法使⽤。
下⾯再讲双区DFU（dual bank）和单区DFU（single bank），双区或者单区DFU是新固件和⽼固件覆盖的两种⽅式。后台式DFU必须采⽤双区模式进⾏升级，即⽼系统（⽼固件）和新系统（新固件）各占⼀块bank（存储区），假设⽼固件放在bank0中，新固件放在bank1中，升级的时候，应⽤程序先把新固件下载到bank1中，只有当新固件下载完成并校验成功后，系统才会跳⼊BootLoader模式，然后擦除⽼固件所在的bank0区，并把新固件拷贝到bank0中。⾮后台式DFU可以采⽤双区也可以采⽤单区
模式，与后台式DFU相似，双区模式下新⽼固件各占⼀块bank（⽼固件为bank0，新固件为bank1），升级时，系统先跳⼊BootLoader模式，然后BootLoader程序把新固件下载到bank1中，只有新固件下载完成并校验成功后，才会去擦除⽼固件所在的bank0区，并把新固件拷贝到bank0区。单区模式的⾮后台式DFU只有⼀个bank0，⽼固件和新固件分享这⼀个bank0，升级的时候，进⼊bootloader模式后⽴马擦除⽼固件，然后直接把新固件下载到同⼀个bank 中，下载完成后校验新固件的有效性，新固件有效升级完成，否则要求重来。跟⾮后台式DFU双区模式相⽐，单区模式节省了⼀个bank的Flash空间，在系统资源⽐较紧张的时候，单区模式是⼀个不错的选择。不管是双区模式还是单区模式，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。不过双区模式有⼀个好处，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固件⽼系统继续执⾏⽽不受其影响。⽽单区模式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尝试，此时设备的正常功能已⽆法使⽤，从⽤户使⽤这个⾓度来说，你的确可以说此时设备已经“变砖”了。所以说，虽然双区模式牺牲了很多存储空间，但是换来了更好的升级体验。
可参考下⾯三个图来理解上述过程。
如果你是第⼀次接触Nordic nRF5 SDK，那么建议你先看⼀下这篇⽂章：，或者看⼀下这⼀篇⽂章：，以建⽴Nordic nRF5 SDK的⼀些基本知识，然后再往下看以下章节。
2. Nordic nRF5 SDK DFU⼯作原理
如⽂章“”所述，Nordic nRF5 SDK软件架构跟其他家有点不⼀样，程序存储区最开始部分放得不是Bootloader，⽽是蓝⽛协议栈Softdevice，应⽤程序则紧挨着Softdevice，Bootloader则被nRF5 SDK放在程序存储区的最上⾯，整个存储区结构图如下所⽰。如果⽤户还有Flash数据需要存放，那么这些数据紧挨着BootLoader下⾯。
⽬前Nordic SDK默认只提供⾮后台式DFU开箱即⽤的例⼦（SDK16.0开始也⽀持后台式DFU框架），
即系统必须先跳到BootLoader中，然后才能通过BLE/UART/USB去接收新的固件。如上所⽰，如果采⽤双区模式DFU，那么Bank0放的是应⽤程序，即⽼固件，Bank1放的是新固件。平时，Bank1为空或者忽略，系统只跑Bank0⾥⾯的应⽤程序；升级的时候，先跳到BootLoader，然后接收新固件并把它放在Bank1中，最后把Bank1⾥⾯的固件拷贝到Bank0中。如果采⽤单区模式，则没有Bank1这个区。平时，系统只跑Bank0⾥⾯的代码；升级的时候，跳到BootLoader，先擦除Bank0⾥⾯的⽼程序，并把新固件直接放在Bank0中。
歌曲每当我走过老师窗前根据升级时如何跳转到Bootloader，Nordic SDK⼜将DFU分为按键式DFU和⾮按键式（Buttonless）DFU，所谓按键式DFU，就是上电时长按某个按键以进⼊bootloader模式，⽽⾮按键式DFU，就是整个DFU过程中设备端⽆任何⼈⼯⼲预，通过BLE/UART/USB接⼝给应⽤程序发送⼀条指令，应⽤程序收到指令后再⾃动跳⼊bootloader模式。不管是按键式DFU还是⾮按键式DFU，两者只是进⼊BootLoader的⽅式不⼀样，其余基本⼀样，尤其是BootLoader⼯作过程基本上是⼀模⼀样的。后⾯只会阐述⾮按键式DFU的过程，按键式DFU以此类似，就不再赘述。
程序跳到BootLoader后，根据BootLoader需不需要对新固件进⾏验签，Nordic SDK⼜把DFU分为开放式DFU和安全式DFU（⼜称签名DFU）。开放式DFU，BootLoader不做任何验证，直接把新固件接收下来。安全式DFU，BootLoader存有⼀把公钥，BootLoader会先⽤这把公钥验证新固件的签名，只有验签通过，才允许后续的⼯作：⽐如把新固件接收下来；如果验签失败，BootLoader将拒绝升级，重
新跳回应⽤程序。
BootLoader可以通过不同的通信接⼝来接收新的固件，⽬前Nordic SDK⽀持BLE，UART和USB三种接⼝，所以⼤家可以在Nordic SDK中看到如下三种⼯程⽬录：
其中pca0056表⽰nRF52840对应的开发板编号，S140对应Softdevice的型号，然后ble有两个⽬录：⽆debug和有debug，uart和usb也包含同样的两个⽬录。有debug和⽆debug两者功能是⼀样的，两者的区别是：debug版本BootLoader⽀持⽇志打印（⼤家可以通过打印出的⽇志去理解BootLoader的⼯作过程），并可以忽略各种校验，debug版本占据的代码空间要⼤很多；⽆debug版本 BootLoader不⽀持⽇志打印功能并且版本和有效性校验是强制的。正式量产的时候推荐使⽤⽆debug版本以节省代码空间。这⾥要强调⼀下，不管是debug版本还是⽆debug版本，两者都可以⽤Keil进⾏单步和断点调试。
BLE，UART和USB只是通信⽅式不⼀样，他们遵守的DFU流程是⼀模⼀样的，这⾥会以BLE通信接⼝为例，详细阐述DFU过程，UART和USB与之类似，就不再赘述。
讲述DFU升级之前，先讲⼀下nRF52的启动流程，上电后，系统先执⾏softdevice，softdevice通过读取UICR⼀个寄存器的值，来判断⽬前系统是否有BootLoader，如果没有BootLoader，系统直接跳到application；如果有BootLoader，系统先跳到BootLoader，BootLoader再根据⽬前的情况来决定是进⼊升级模式还是跳往application，BootLoader主要判断如下⼏种情况：
按键是否按下
保持寄存器GPREGRET1是否为0xB1
上次DFU过程是否还在进⾏中
应⽤程序校验是否通过
如果按键没有按下，GPREGRET1不为0xB1，本次复位不是上次DFU的继续，并且应⽤程序校验通过，那么BootLoader就会直接跳到application，去执⾏application应⽤程序。那怎么去校验应⽤程序的有效性呢？为此BootLoader引⼊了⼀个放在Flash的结构体参数：
m_dfu_settings_buffer（数据类型：nrf_dfu_settings_t），这个结构体参数虽然只有896字节，但由于Flash只能按页擦除，所以这个参数实际占⽤了⼀个Flash page，这个page称为settings page，settings page放在Flash的最后⼀个页⾯，settings page⽬前有2个版本：版本
1（SDK15.2及以前版本）和版本2（SDK15.3及以后版本），版本2可以兼容版本1，前⾯所述的896字节是指settings page版本2的⼤⼩。Settings page包含的信息⽐较多，⼤家⽤得⽐较多的是：
各种版本信息
DFU升级过程信息
Application image的CRC值和⼤⼩
应⽤程序的bonding信息
Init command内容
application/softdevice的启动校验信息（版本2才有）
版本1的settings page只校验application image的CRC值，如果CRC匹配，则认为application有效。版
本2的settings page不仅可以校验application image的CRC值，还可以校验application/softdevice的CRC值或者hash值或者签名，你可以选择你⾃⼰想要的校验⽅式，只有CRC值或者hash值或者签名校验通过（三选其⼀），应⽤程序才算有效，这时BootLoader才会跳到application去执⾏。为了保证settings page在发⽣意外时，⽐如写settings page过程中发⽣了复位或者掉电，系统也能正确恢复，SDK15及以后版本引⼊了⼀个backup烤生蚝
page，backup page也占⽤⼀个Flash page，内容和settings page⼀模⼀样。
上⾯是没有触发升级的情况下nRF52的正常启动流程，那如果要执⾏DFU升级，流程⼜是怎么样的呢？下⾯详细讲⼀下⽆按键式BLE OTA 的⼯作流程。
1) 正常启动后，系统运⾏在应⽤程序中，此时⼿机通过app发送⼀条开始DFU的指令给设备，设备收到指令后，将GPREGRET1赋值
0xB1，并触发软复位
2) 复位后，系统再次进⼊BootLoader，因为GPREGRET1等于0xB1，BootLoader进⼊DFU模式，等待新固件接收
3) ⼿机先将init packet发送给设备，设备先做前期检验prevalidation，主要是各种版本校验以及签
周亭羽名验签，校验通过后，更新settings
page并准备开始数据接收
4) 接收新固件。每接收4kB数据，回复⼀次CRC校验值，直⾄整个新固件image接收完毕，如果新固件校验通过（版本1校验CRC值，版本2校验hash值），就会去invalidate（⽆效化） bank0⾥⾯的⽼固件，更新settings page，并再次触发软复位
5) BootLoader启动后发现有新固件需要activate（激活），此时会去擦掉bank0⾥⾯的固件，并把bank1⾥⾯的固件拷贝到bank0，然后更新settings page，并再次触发软复位。注：上⾯讲的是dual bank的流程，single bank与之相似，只不过在第3）步的时候就会去擦除⽼固件6) BootLoader再次启动后，检查新image的有效性，校验通过后，跳到新的application去执⾏代码
从上⾯流程可以看出，DFU过程中，系统需要跑两段完全独⽴的代码：Application和BootLoader，Application和BootLoader都⽀持蓝⽛功能，也就是说，两者都有⾃⼰的蓝⽛⼴播和蓝⽛连接。这⾥⾯有⼀个问题：当系统从Application跳到BootLoader后，⼿机怎么辨别两者为同⼀个设备？很多⼈会说，可以让BootLoader和Application两者的⼴播名字⼀样，根据⼴播名字的⼀致性，来判断⼆者来⾃同⼀个设备。这种⽅法存在两个问题：⼀⼤部分⼿机都⽀持GATT cache（缓存）功能，当application跟⼿机相连后，⼿机会把application的GATT数据缓存下来以加快下次连接的速度（这个现象在苹果⼿
机最明显），之后如果系统跳到BootLoader，然后再跟⼿机相连，如果两者的蓝⽛设备地址⼀样，⼿机会认为是同⼀个设备，从⽽跳过服务发现的过程⽽直接使⽤之前缓存下来的GATT数据，这样会导致BootLoader的服务⽆法被⼿机发现，从⽽出现升级失败。⼆如果多个设备同时在升级，⽽我们仅仅依靠⼴播名字来决定两者属不属于同⼀个设备，这会导致设备A application有可能跟设备B的BootLoader进⾏错配。为了解决这个问题，Nordic提出了两套⽅案。⽅案⼀，假设application的蓝⽛设备地址为x，跳到BootLoader后蓝⽛设备地址会变成x+1，这样⼿机就可以通过这种地址+1的⽅式来辨别两者属不属于同⼀个设备，由于application和BootLoader使⽤不同的蓝⽛设备地址，前⾯的GATT缓存问题也就不存在。关于⽅案⼀，有⼀个问题需要特别注意：如果你想修改例⼦默认的蓝⽛设备地址（⽐如使⽤IEEE的public蓝⽛MAC地址），此时⼀定要记得同时更改application和BootLoader的蓝⽛设备地址，使他们满⾜+1的条件，否则Nordic⼿机DFU库⽆法辨别两者是否属于同⼀个设备，以致于⽆法完成OTA过程。⽅案⼆，application和BootLoader的蓝⽛设备地址⼀模⼀样，但设备跟⼿机执⾏配对和bonding操作，设备跟⼿机bonding后，就可以⽀持service changed indicate操作，这样跳到BootLoader后可以让⼿机主动再执⾏⼀次服务发现过程，从⽽解决GATT缓存问题。
化学工程就业前景很多⼈对签名验签不是很理解，这⾥详细说⼀下它的⼯作原理。⾸先，你需要⼀对公私钥，其中私钥⽤来⽣成新固件的签名，公钥⽤来验证签名的有效性，⼤家可以⽤nrfutil来⽣成⾃⼰需要的公私钥对，公私钥制作成功后，私钥⼀定要妥善保管（⼀般放在云端），千万不能丢，否则你⾃⼰也⽆法升级⾃
⼰的设备；也不能被第三⽅知道，否则升级的安全性就不能保证了。公钥可以变成⼀个.c⽂件，并覆盖DFU⼯程下的同名⽂件：dfu_public_key.c 。其次，BootLoader要⽀持签名验签密码算法，这个DFU代码已经有了，并且有四种后端可选：micro-ecc，cc310_bl，Oberon和mbedtls，四选其⼀即可（这4种后端，只有cc310是硬件实现，其余都是软件实现），nRF52840推荐选择cc310作为算法后端，其他nRF52芯⽚推荐选择micro-ecc作为算法后端。micro-ecc效率⾼，占⽤的代码空间最⼩，但它的版权是CPOL，只要你能接受CPOL，那么推荐使⽤micro-ecc；反之，如果接受不了CPOL版权，⽽且硬件⼜不⽀持cc310，那么推荐使⽤Oberon，不过Oberon占⽤的代码空间⽐micro-ecc要⼤⼀些，这个⼤家注意⼀下。再次，⼿机端要⽣成新固件的签名，并把新固件的签名传给设备端。⼤家还是可以⽤nrfutil去⽣成新固件的签名。最后，BootLoader接收到新固件hash值和签名，并使⽤⾃⼰的公钥对该签名进⾏验签。这⾥说⼀下，由于nrfutil是PC端应⽤程序，所以它可以集成各种加密算法库，并完成上⾯提及的公私钥对，hash和签名的⽣成⼯作。
黑上钥匙3. DFU升级步骤详解
3.1 安全式蓝⽛空中升级步骤
如前所述，Nordic SDK已经提供了DFU例⼦，下⾯我们⼀步⼀步给⼤家讲解如何通过Nordic SDK来实现⽆按键式蓝⽛空中升级。欲实现空中升级，设备需要同时下载softdevice，应⽤程序，BootLoader程
夏季养生小常识序，以及BootLoader settings page。其中BootLoader代码位于⽬录：SDK根⽬录\examples\dfu\secure_bootloader，然后在该⽬录下选择你对应的板⼦和⼯程。Application对应的⽬录：SDK根⽬录
\examples\ble_peripheral\ble_app_buttonless_dfu，⽽softdevice所在⽬录：SDK根⽬录\components\softdevice。
下⾯我们以nRF52832/PCA10040和S132/SDK16为例阐述⽆按键式蓝⽛空中升级实现步骤，其他芯⽚/softdevice/SDK原理与之类似，这⾥就不再赘述。当然，不同芯⽚不同softdevice不同SDK，他们的实现脚本还是会有⼀些细微差别，所以强烈建议⼤家去百度⽹盘下载跟⼤家相匹配的脚本，百度⽹盘⾥⾯各个脚本的命名规则请参考3.2节。
安装Python2.7或者Python3.7，下载地址：，安装成功后请确保Windows环境变量包含Python⽬录
通过pip安装最新版的nrfutil，即打开Windows命令⾏⼯具CMD（管理员权限），输⼊如下命令：pip install nrfutil，即可以完成nrfutil的安装。
安装完成后，在Windows命令⾏⼯具输⼊：nrfutil version，如果可以正确显⽰版本信息，说明安装已经成功
2) 通过nrfutil⽣成公私钥对。
私钥⽣成命令：nrfutil keys generate priv.pem （priv.pem就是私钥）
公钥⽣成命令：nrfutil keys display --key pk --format code priv.pem --out_file dfu_public_key.c （dfu_public_key.c就是公钥）
⼤家务必要保存好私钥priv.pem，以后每次升级新固件时，都会通过这个私钥对它进⾏签名，⼀旦priv.pem丢失或者被暴露，DFU将⽆法进⾏或者变得不安全
3) 请确保已按照“”把Nordic nRF5 SDK开发环境搭建成功
4) ⽣成micro-ecc算法库。由于micro-ecc是第三⽅算法库，需要⽤户⾃⼰去安装（这个是版权的要求，没办法直接编译放在SDK中）。请先确保电脑已安装了git和GCC编译器，然后直接点击SDK如下⽬录的build_all脚本，就可以⾃动完成micro-ecc算法库的安装。为了⽅便⼀些开发者评估，我这⾥在⾃⼰电脑上⽣成了micro-ecc算法库，micro-ecc⽬录编排结构有两种：SDK14及以后版本是⼀种⽬录结构（百度云盘压缩包名称：micro_ecc_new.rar），SDK13和SDK12⼜是⼀种⽬录结构（百度云盘压缩包名称：micro_ecc_old.rar），这两个压缩包只是⽬录不⼀样，⾥⾯的算法库内容其实是⼀样的，这两个压缩包⼤家都可以在前⾯的百度云盘中到，以供⼤家评估使⽤。⼤家下载下来后，直接
覆盖同名⽬录即可。注意：百度云盘⾥⾯的micro-ecc库仅供⼤家评估使⽤，如要商⽤，请⼤家按照上⾯步骤去⽣成。
5) 编译bootloader代码。将刚才的dfu_public_key.c取代SDK根⽬录\examples\dfu下的同名⽂件，
然后使⽤Keil编译如下⽬录中的⼯程：SDK根⽬录\examples\dfu\secure_bootloader\pca10040_ble\arm5_no_packs，或者
nRF5SDK160098a08e2\examples\dfu\secure_bootloader\pca10040_s132_ble\arm5_no_packs
，将⽣成的hex⽂件改名为：bootloader.hex（注：本⽂所有项⽬都会采⽤Keil⼯程来讲解，如果你使⽤其他IDE，请选择其对应的⼯程⽂件进⾏编译，不管是Keil还是其他IDE，除了编译时候选择的⼯程⽂件不⼀样，其余都⼤同⼩异，⼤家可以举⼀反三完成其他IDE的相应⼯作）
6) 编译application代码。请编译⼯程：
SDK根⽬录 \examples\ble_peripheral\ble_app_buttonless_dfu\pca10040\s132\arm5_no_packs，将⽣成的hex⽂件改名为：app.hex
7) ⽣成BootLoader settings page。Bootloader settings page存储在Flash最后⼀个page，如前所述，BootLoader settings page有2个版本，他们的⽣成脚本命令如下所⽰：
版本2⽣成命令：
nrfutil settings generate --family NRF52 --application app.hex --application-version 1 --bootloader-version 1 --bl-settings-version 2 settings.hex
版本1⽣成命令：
nrfutil settings generate --family NRF52 --application app.hex --application-version 1 --bootloader-version 1 --bl-settings-version 1 settings.hex
8) 烧写固件。将上⽂⽣成的3个hex⽂件和softdevice hex⽂件merge成⼀个⽂件，然后通过nrfjprog或者nRF Connect桌⾯版进⾏烧写，相关命令如下所⽰：
合并hex⽂件命令：
mergehex --merge bootloader.hex settings.hex --output bl_temp.hex
mergehex --merge bl_temp.hex app.hex s132_nrf52_7.0.1_softdevice.hex --output whole.hex
烧写hex⽂件命令（以nrfjprog为例）：
nrfjprog --eraseall -f NRF52
nrfjprog --program whole.hex --verify -f NRF52
nrfjprog --reset -f NRF52
9) 通过nrfutil⽣成新固件对应的zip包：new_app.zip。zip包包含新固件（新固件⼴播名改为：Nordic_New，其余跟⽼固件⼀模⼀样）和init包，zip包⼀般通过云端下发到⼿机app，⼿机app再通过蓝⽛下载到设备中。⽣成zip包的命令如下所⽰：
nrfutil pkg generate --application app_new.hex --application-version 2 --hw-version 52 --sd-req 0xCB --key-file priv.pem SDK160_app_s132.zip
其中，--application表⽰新固件hex⽂件。--hw-version表⽰板⼦版本，只要BootLoader⾥⾯的hw version和这⾥的hw version对应起来，⼤家可以改成任何⾃⼰想要的值。--key-file 表⽰签名⽤的私钥⽂件。--sd-req表⽰⽼固件运⾏在哪个版本softdevice上，这个值⼀定要跟⾃⼰的softdevice相匹配，否则⽆法升级，各个softdevice版本ID信息可以通过命令“nrfutil pkg generate --help”获得，如下为当前所有softdevice ID 列表：
10) 将“new_app.zip”拷贝到⼿机上。安卓和苹果⼿机都可以通过的‘⽂件传输助⼿’拷过去，⾮常⽅便。请注意，⼿机nRF Connect和nRF Toolbox都⽀持DFU功能，苹果⼿机拷贝的时候可以随便选择其中⼀个app。
11) 通过⼿机版nRF Connect或者nRF Toolbox进⾏蓝⽛空中升级，这⾥以nRF Connect为例阐述升级详细步骤，nRF Toolbox与此类似，就不再赘述
第8）步完成后，开发板就可以正常跑起来，并⼴播为Nordic_Buttonless
连接该设备，使能CCCD（这⼀步可选），然后选择“DFU”，如下所⽰：
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