幾乎所有的嵌入式系統都需要能夠在現場更新其固件，從而添加新特性或修復漏洞。然而，固件現場更新可能會頗具挑戰性，因為開發人員必須編寫自己的引導程序或從第三方元器件供應商處購買引導程序。

有一個較為簡單的方法。本文將介紹如何使用很多微控制器都會內置但通常會被忽視的設備固件更新(DFU)功能。

固件更新選項

從頭開始開發引導程序并非易事。開發人員需要解析他們的閃存空間，以便多個應用可以共存。然后，他們還需要開發幾種方法在不使用編程工具的情況下將其編譯的二進制程序轉移到微控制器中。這需要他們開發自己的通信協議或者需要添加外部存儲器以存儲新映像而增加了系統的復雜性。他們還要增加其微控制器上的內存容量。

同樣地，軟件本身也會變復雜，因為引導程序需要設置系統狀態及確定跳轉到應用代碼是否安全。

使用定制引導程序可以為開發人員提供其應用非常需要的靈活性，但很多無需開發人員工作量的應用可以采用一種固件更新標準：USB標準的內置設備固件更新(DFU)類。這可用于通過其USB端口在現場更新微控制器的應用代碼，從而大大減少固件升級過程和開發周期。

DFU已經普遍使用，這使得一些微控制器供應商（如STMicroelectronics）甚至都提供了執行硬編碼到其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的最簡單方法是選擇一個已經在其ROM中包含DFU的微控制器，如STMicroelectronics的STM32IoTDiscovery節點和STM32F429Discovery套件上的設備。

圖1：STMicroelectronicsSTM32IoTDiscovery節點基于運行STM32L475MCU（其中包含用于固件更新的DFU模式功能）的ARM?Cortex?-M4核。此特定設備設計用作IoT節點

STM32IoTDiscovery節點是一種低成本開發板，設計用作IoT傳感器節點。該開發板包括幾個不同的接口，用于連接Wi-Fi和藍牙等板。讓人感興趣的是，板載STM32L475為開發人員提供在設計用于連接互聯網的設備上測試和使用DFU功能的能力。

對于只想在獨立的正常設備上測試DFU的開發人員來說，STM32F429Discovery套件是STM32F4系列微控制器的知名、低成本開發套件。我們來討論開發人員如何著手開始在這些微控制器上測試DFU。

圖2：STMicroelectronicsSTM32F429Discovery套件基于ARM?Cortex?-M4核。這個低成本開發板的MCU還包括用于進行固件更新的DFU模式功能。

一個簡單的DFU示例

每個微控制器訪問DFU的方式都不同。通過一個簡單的示例來看一看開發人員如何在運行STM32L475MCU的設備上更新其固件。

如前所述，STM32微控制器包括內置到其ROM中的DFU引導程序。要訪問該引導程序，開發人員需要在MCU啟動時拉動其中一個BOOT引腳將其接地。BOOT引腳控制MCU啟動時所處的模式，如從閃存、RAM中啟動，或者我們首選的DFUUSB模式。

使用DFU準備要供用戶下載的應用不需要開發人員進行任何額外的工作。GNU編譯器收集(GCC)以及很多其他工具鏈支持在編譯應用時生成DFU文件。在這里，開發人員的唯一訣竅是確定該文件的存儲位置：跟所有典型應用一樣，要找到.dfu文件，可以參見調試或對象文件夾。

DFU文件與二進制格式、s-record格式和十六進制文件等其他應用記錄格式非常相似。文件格式包括通過USB中繼轉發、處理、然后寫入閃存內指定位置的地址和數據信息。該過程無縫連接，使開發人員很少（如果有的話）需要檢查正被使用的協議。這些都是在后臺進行的，可幫助降低固件更新過程和開發工作的復雜性。

開發人員可以使用幾個不同的工具通過DFU將他們的應用轉移到微控制器中。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。如果開發人員使用STM工具鏈，他們就可以利用STMicroelectronics應用DfuSe（圖3）。

圖3：STMicroelectronicsDfuSe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

DfuSe是WindowsGUI實用工具，可檢測已在DFU模式下通電并通過USB連接到計算機的任何STM32設備。開發人員可以檢索編程供應商和產品ID等信息。如果沒有對閃存空間采取適當的安全保護，他們甚至可以復制MCU的存儲內容并使用上傳操作框將其存儲在計算機上。

使用DfuSe時，開發人員一般只使用“升級”或“驗證操作”部分。在此區域，開發人員可以選擇其DFU應用文件，然后選擇升級按鈕。然后，DfuSe將自動協調固件更新過程，直到整個文件已成功加載到MCU。然后，開發人員可以選擇驗證映像已成功接收。一經驗證，BOOT引腳就可以設置回其默認配置，如引導至閃存，然后選擇‘離開DFU’模式加載并執行更新的固件。

在沒有DFU支持的設備上使用DFU

只是因為微控制器不在ROM內提供DFU引導程序，并不意味著開發人員仍不能利用DFU功能。DFU屬于USB類，在很多USB堆棧中都受支持。這表示，開發人員同樣能向其應用框架簡單的添加DFU功能，且仍能執行DFU更新。

例如，MicrochipTechnology的AT32UC3A3不具有內置的DFU模式（圖4）。開發人員可以遵照描述DFU工作原理及開發人員應當如何將其微控制器配置為適當支持DFU的簡單應用說明。

圖4：AT32UC3A3UC3-A3XPLDAVR?32MCU32位AVR嵌入式評估板不包括片載DFU，但可以添加上支持DFU固件更新特性的框架USB代碼

執行固件更新的技巧和訣竅

在現場更新固件并不一定只能從適合DFU的微控制器中進行。開發人員可以決定更新固件的替代方法是否必要或更加實用。在這種背景下，開發人員應記住關于其固件更新過程的幾個技巧。其中包括：

使用校驗和或哈希驗證將寫入微控制器內存的應用。

選擇內存足夠的微控制器存儲固件的備份件，以便發生錯誤時可以回滾固件版本。

驗證在微控制器具有內置閃存加載程序時，終端用戶不會意外觸發該程序。

確保任何軟件引導程序均已編譯且針對尺寸進行優化。

鎖定閃存外設，使應用無法從內存中讀取出且不能被反向工程。

務必確保棧指示器、向量表和程序計數寄存器均設置為適當的應用值。

考慮按KL46ZFreedom板的演示使用采用了USBMSD的拖放更新之類的替代更新方法（圖5）。

圖5：NXPSemiconductor的KL46ZFreedom板是一種低成本開發板，默認不支持DFU。開發人員可以使用USBMSD之類將新固件映像拖放到內存中的替代更新方法

總結

幾乎所有嵌入式系統都需要在現場更新應用代碼以避免回調的方法。從頭開始創建引導程序或者修改現有引導程序可能會增加開發周期的復雜性和集成問題。

反之，開發人員可以使用內置到USB標準中的經過充分證明的DFU功能來快速、高效、毫不費力的執行現場升級。為了讓這個過程順利進行，開發人員需要仔細檢查其微控制器并確定DFU是否已內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。