Nordic BLE SOC 软件入门-OTA升级的使用
Nordic BLE SOC从出道至现在，所有型号都支持OTA升级功能，只不过使用上可能有些限制。随着SDK的不断升级（当前最新版本为16.0），OTA升级方式也经过了几个阶段发展，直到SDK13之后OTA的原理和方法总算是固定下来。下面的介绍基于当前最新的SDK16.0进行。
OTA升级原理简介
OTA是over the air的缩写，OTA升级可以理解为无线升级。使用官方OTA升级时，SDK13至SDK16的Flash的分部都如下图所示。
bootloader占用24KB，bootloader settings和MBR paramter storage共存储占用8KB，它们是用来存储校验等相关信息的。
也就是说只要使用官方的OTA升级功能，就会多消耗32KB的Flash。由于bootloader相当于一个单独的应用程序，所以不会额外消耗RAM。
上图中各个区域对应不同的协议栈版本和芯片地址如下表所列。区域四是用户数据存储区域，由于nRF52系列的Flash是4kB一页，所以用4XkB表示用户使用的大小。
当未烧录bootloader，仅烧录了协议栈和应用的时候，芯片复位运行时序是：区域7→区域5。
当烧录了对应的bootloader和协议栈的时候，芯片复位运行时序是：区域7→区域3，然后在bootloader中判断：
- 应用程序是否存在，其校验是否通过。
- OTA标志是否打开。
若判断无需留在bootloader中则会跳转到应用程序中运行，运行顺序是区域7→区域3→区域5。若需要留在bootloader中则会开启OTA的BLE广播。
需要留在bootloader中的情况一般有：应用程序未烧录、应用程序校验不通过、OTA标志被置位等。OTA标志可以使用Flash、RAM、寄存器、IO状态等等非常多的方式；官方SDK默认是使用GPREGRET寄存器和 IO状态判断两种方式，用户最常用的是GPREGRET寄存器方式。
进入应用程序后若想要OTA更新应用程序，需要在应用程序中将OTA标志置位，然后跳转（重启）到bootloader中，在bootloader中开启OTA的BLE广播。
下图描述了烧录协议栈与bootloader的时，芯片成功OTA的主要流程（单区域）。若OTA失败，芯片将重启。
实际传输和更新应用固件的操作都是在bootloader中完成的，而应用程序负责的是：接收升级指令，应用程序准备（根据应用内容可选），OTA标志置位，跳转（复位）到bootloader。
官方APP中简化了一些操作，用户只需要连接待升级的设备，选择OTA文件，启动升级三个步骤。操作过程中蓝牙断开应用程序，再扫描连接bootloader，向bootloader发送升级指令等过程都是APP自动完成的。
升级文件的传送和更新过程，SDK中都已经做好了，用户不必做任何修改，下面是具体流程图。
此图仅做了解，可以不看。
单区域方式指的是升级过程中，没有对原先的固件进行备份。Bootloader会先将区域5擦除，然后一边接收新固件一边更新区域5。
双区域方式指的是升级过程中，将原先的固件进行备份，新固件接收完成之后再擦除旧固件。Bootloader会先将新的固件接收到Bank1区域并校验，再擦除区域5，之后再将新的固件搬入区域5。
这种方式安全性高于单区域方式，但需要足够的Bank1的区域大小。
当前的SDK中，单双区域的切换和选择一般由bootloader自己完成，它通过判Free区域的大小来选择，用户也可以强行选择。一般让bootloader自行选择即可。
OTA升级操作流程
下文使用nRF52832开发板 PCA10040 和 SDK16.0 进行说明。
1.在应用程序中添加Nordic DFU蓝牙服务和相关处理代码。
SDK中的ble_app_buttonless_dfu例程是OTA升级功能的演示应用程序。
实际开发中，可以将ble_app_buttonless_dfu 例程的服务和相关代码挪到自己的工程中。
此例程在SDK路径 examples\ble_peripheral\ble_app_buttonless_dfu 下。
2.制作bootloader。
SDK中有现成的bootloader例程，在路径examples\dfu\secure_bootloader 下。
目录下有非常多的文件夹，BLE开发请根据所开发的芯片和协议栈，选择带不带DEBUG后缀的文件夹。
例如开发nRF52832 BLE OTA升级功能，使用pca10040_s132_ble文件夹下的工程。工程目录：examples\dfu\secure_bootloader\pca10040_s132_ble\arm5_no_packs
mirco ecc库文件制作
bootloader工程需要使用到mirco ecc的lib，版权原因SDK中并没有提供，需要用户自己下载micro-ecc的源文件并编译出lib文件。
每个SDK版本使用的micro ecc lib文件可能不一样。
制作lib的方法在Nordic infocenter上有介绍，需要下载micro-ecc的源文件，安装gnu，安装交叉编译器。
方法参考infocenter或SDK帮助文档：nRF5_SDK_16.0.0_offline_doc/nrf5/lib_crypto_backend_micro_ecc.html#lib_crypto_backend_micro_ecc_install
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或者可以使用网盘中编译好的，仅供学习使用。
关注公众号 LazycatRadio ，发送 “ECC” 获取参考代码！
解压覆盖到external\mirco-ecc ，如下图
micro-ecc文件夹中包含了3种编译器和 带浮点/不带浮点的几种lib，用户根据项目情况选择。例如使用KEIL开发nRF52810/811等时使用nrf52nf_keil中的lib，使用KEIL开发nRF52832/840/833等时选择nrf52hf_keil中的lib。
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key文件制作
bootloader和升级包之间需要签名认证，这个过程在传送升级固件之前，目的是防止其他人往SoC中升级其他的固件。
在bootloader代码中，我们需要放入公钥（public key），升级包中需要放入私钥（private key）。这两个key文件是成对的，升级包中如果没有对应的私钥将无法成功升级。
制作key文件需要使用nrfutil，安装步骤参考：nordic-ble-soc开发环境-安装。
在命令行中输入如下命令，也可以制作批处理bat文件来执行。
nrfutil keys generate priv.pem
nrfutil keys display –key pk –format code –out_file dfu_public_key.c priv.pem
如下图运行上述命令之后会产生2个文件：
dfu_public_key.c 用于制作bootloader的固件。需要替换掉SDK中原本的这个文件（或在编译器中重新选择文件）。
priv.pem 用于制作OTA升级包。
制作bootloader固件
若上述两个步骤完成，打开工程后可以正常编译，产生bootloader的固件。若编译错误，请先检查key文件和micro-ecc库文件路径是否正确。
项目路径：nRF5_SDK_16.0.0_98a08e2\examples\dfu\secure_bootloader\pca10040_s132_ble\arm5_no_packs
前面的介绍中有提到一些芯片是否需要停留在bootloader中的判断条件，这些判断条件的使能在sdk_config.h中，根据需要选择。
区域4用于存储应用中的数据，如果需要保留也请输入区域4的大小，需要注意整体的Flash空间是否够用，因为如果区域4过大，新的固件也过大，这很可能导致空间不够无法升级。
如果没有特殊要求其他关于OTA的选项可以保持默认。
如果应用中开启了看门狗bootloader将帮你喂狗.
另外若硬件上没有低频晶振，需要切换为内部低频时钟源，方法参考链接：nordic-ble-soc-软件入门-协议栈 。
制作应用固件
应用固件千差万别，这里用ble_app_buttonless_dfu 例程说明。
路径：\examples\ble_peripheral\ble_app_buttonless_dfu\pca10040\s132
编译之后，得到应用的固件。
制作settings文件
此处要制作区域1和区域2的两个部分的hex，总共8kB。
Settings文件是根据应用固件产生的，它存储了应用的信息，不同的应用固件产生的settings文件不同。并且它将在bootloader中用于校验应用固件，校验不通过将不会启动应用程序。
将上面步骤中生成的应用hex文件，通过nrfutil的命令生成这个settings文件。同样可以在命令行下输入命令，或者使用批处理。
nrfutil settings generate –family NRF52 –application nrf52832_xxaa_S132_app.hex –application-version 3 –bootloader-version 2 –bl-settings-version 1 settings.hex
注意“–family”的参数需要根据芯片选择，它决定了settings文件在Flash中的位置。可选的参数有NRF52，NRF52840，NRF52810 等等，具体的可以输入–help来查询。
下图中可以看到settings文件的其实地址为0x0007F000，与前文例举的地址相同。
合并固件
此步骤需要将四个hex文件：协议栈、应用固件、bootloader固件、settings文件 合并为一个hex ，方便烧录。
合并它们的工具使用mergehex，安装步骤参考：nordic-ble-soc开发环境-安装。
（为了方便区分，将应用固件和bootloader固件的文件名修改了）
将四个hex文件放入同一个文件夹中，用下面命令制作批处理合成。一次合成2个，用三个步骤。
mergehex.exe -m nrf52832_xxaa_S132_app.hex s132_nrf52_7.0.1_softdevice.hex -o sd_and_app.hex
mergehex.exe -m sd_and_app.hex nrf52832_xxaa_s132_boot.hex -o sd_and_app_and_boot.hex
mergehex.exe -m sd_and_app_and_boot.hex settings.hex -o sd_app_boot_setting_complete.hex
运行批处理之后，我们将得到最终的完整固件（蓝色）。这个过程中产生了2个中间固件（红色和黄色），可以删除。
烧录
烧录完整固件可以使用nRFgoStudio，nRF Connect等等方式，这里使用nrfjprog通过批处理烧录，方便快捷。
nrfjprog的安装步骤参考：nordic-ble-soc开发环境-安装。
使用下面的命令制作批处理文件，电脑连接开发板后，烧录完整固件。
nrfjprog.exe –family NRF52 –eraseall
nrfjprog.exe –family NRF52 –program sd_app_boot_setting_complete.hex –verify –reset
正确完成烧录步骤之后，可以看到开发板LED1闪烁，并能用手机APP （nRF connect） 搜索到广播：Nordic_Buttonless 。
制作升级包
为了演示效果，首先修改ble_app_buttonless_dfu工程的广播名字为 Nordic_Buttonless_2，编译后得到hex文件nrf52832_xxaa_S132_app2.hex 。
将前文得到的私钥文件与新的应用固件放在一个文件夹，并用下面批处理制作升级包。
文件nrf52832_xxaa_S132_app2.zip 就是新固件的升级包。
nrfutil pkg generate –application nrf52832_xxaa_S132_app2.hex –application-version 0xFF –hw-version 52 –sd-req 0xCB –key-file priv.pem nrf52832_xxaa_S132_app2.zip
需要注意“–sd-req”的参数是当前使用的协议栈版本代号，s132 v7.0.1的代号为0xCB。其他版本协议栈的代号可以在命令行中使用下面命令查询。
nrfutil pkg generate –help
查询到的结果如下图：
使用手机升级
手机上需要安装APP nRF connect，安装参考：nordic-ble-soc开发环境-安装。
1.将前文制作的升级包nrf52832_xxaa_S132_app2.zip 发送到手机上
2.打开nRF connect，连接开发板的广播 Nordic_Buttonless。
3.点击顶部DFU按钮（若应用程序无DFU服务，则无此DFU按钮），选择升级文件。
4.正确选择文件后，APP自动开始升级过程。如果华为手机选择文件后没有开始升级，出现文件错误的提示，请安装第三方文件系统，通过第三方文件系统选择文件。可以参考：nordic-ble-soc开发环境-安装 。若一直停留在“DFUTARG”选项卡，可能是APP卡在“DFUTARG”选项卡中没有跳转到“NORDIC_BUTTONLESS”选项卡，用户可以手动切换过去。升级完成之后APP下方会给出提示，并自动连接开发板。到此OTA升级就成功了！
5.断开APP的蓝牙连接，切换到扫描界面。可以看到广播名字已经更新为“Nordic_Buttonless2”。蓝牙地址与步骤1中相同。若想重新体验升级过程，可以继续点击“CONNECT”升级。
拓展
Nordic BLE SoC 不仅支持升级应用程序，还支持升级bootloader 和 协议栈！
官方例程中的升级方式也不仅仅有OTA，还有串口升级！
有兴趣的朋友可以继续探究！
