引言

在工業(yè)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)乃至物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)中，固件在線升級(jí)（OTA）已成為產(chǎn)品生命周期管理的標(biāo)配。然而傳統(tǒng)OTA往往伴隨停機(jī)、風(fēng)險(xiǎn)與低效。瑞薩電子MCU中的Dual?Bank閃存架構(gòu)為工程師帶來(lái)了幾乎“零感知”的升級(jí)體驗(yàn)。本文以RX26T為例，拆解無(wú)感OTA的實(shí)現(xiàn)思路、代碼框架與實(shí)測(cè)情況，幫助開(kāi)發(fā)者在自家項(xiàng)目中快速落地。

一、MCU傳統(tǒng)Flash架構(gòu)與OTA挑戰(zhàn)

1.1.單Bank Flash架構(gòu)

大部分傳統(tǒng)MCU使用的是單一Bank Flash設(shè)計(jì)：

應(yīng)用程序存放在一片連續(xù)的Code Flash區(qū)域內(nèi)

CPU取指（Fetch）和Flash擦寫(xiě)/編程使用同一個(gè)物理通道

這就導(dǎo)致了一個(gè)先天矛盾：

Flash進(jìn)入擦除/寫(xiě)入模式時(shí)，不能讀取指令，這會(huì)CPU無(wú)法正常執(zhí)行代碼，更不要說(shuō)響應(yīng)中斷請(qǐng)求

傳統(tǒng)的解決方案：

把代碼拷貝到RAM區(qū)域執(zhí)行，包括擦寫(xiě)Flash的代碼以及需要在Flash處于擦除和編程期間正常執(zhí)行的其他代碼，如下圖所示：

1.2.OTA中的具體問(wèn)題

在OTA場(chǎng)景下，這種單Bank架構(gòu)會(huì)帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)：

問(wèn)題

影響

需要停機(jī)升級(jí)

業(yè)務(wù)中斷（比如停止電機(jī)運(yùn)行），系統(tǒng)不可用或者性能受限（大部分中斷需要間歇關(guān)閉）

升級(jí)過(guò)程遇到意外斷電風(fēng)險(xiǎn)

一旦擦寫(xiě)過(guò)程中斷電，MCU固件受損，有可能會(huì)變磚

缺乏回退機(jī)制

新固件有BUG，

無(wú)法快速恢復(fù)舊版本，

只能重刷

這種架構(gòu)下，即使想做OTA，也必須設(shè)計(jì)復(fù)雜的 Bootloader流程、校驗(yàn)機(jī)制，還要小心翼翼控制電源和升級(jí)時(shí)機(jī)，總體開(kāi)發(fā)成本高、可靠性低。

二、瑞薩的無(wú)感OTA解決方案

2.1.為什么需要Dual-Bank？

如果能讓MCU有兩個(gè)獨(dú)立的程序區(qū)，一個(gè)邊跑應(yīng)用，一個(gè)邊刷固件，中間互不干擾，升級(jí)自然就可以做到：

不中斷現(xiàn)有業(yè)務(wù)

把新固件寫(xiě)好后，一鍵切換啟動(dòng)區(qū)

即使升級(jí)失敗，也能自動(dòng)回到老固件

這正是Dual-Bank閃存架構(gòu)帶來(lái)的革命性變化。

2.2.Dual-Bank方案簡(jiǎn)介

瑞薩電子在RX系列、RL78系列、RA系列等MCU 中，均提供了支持Dual-Bank架構(gòu)設(shè)計(jì)的型號(hào)，可適配工業(yè)、汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

在本篇中，我們以RX26T為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

RX26T內(nèi) 512 KB Code Flash被物理劃分為 Bank 0/1，各256 KB

Bank 0正常運(yùn)行應(yīng)用，Bank 1在后臺(tái)擦除/寫(xiě)入新固件

升級(jí)完成后，通過(guò)切換Bank方式修改啟動(dòng)設(shè)置，軟復(fù)位切換到新固件

如升級(jí)中斷或失敗，可以靈活切換回退到原有 Bank啟動(dòng)，保障設(shè)備持續(xù)運(yùn)行

這一機(jī)制讓MCU升級(jí)過(guò)程真正做到"無(wú)感知"，極大提升了系統(tǒng)可維護(hù)性和用戶(hù)體驗(yàn)。

三、RX26T無(wú)感OTA實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

3.1.硬件環(huán)境

MCK-RX26T開(kāi)發(fā)套件

USB轉(zhuǎn)UART工具，用于PC傳輸更新的固件

邏輯分析儀抓取關(guān)鍵測(cè)試波形

3.2.軟件環(huán)境

IDE：E2Studio2023-07（23.7.0）

編譯器：CC-RX V3.06

BSP以及相關(guān)外設(shè)驅(qū)動(dòng)包：

3.3.Flash驅(qū)動(dòng)配置

為了正常使用Dual-Bank功能，需要在Flash組件中使用以下配置，使用BGO模式，并且讓自編程庫(kù)運(yùn)行在Code Flash中，無(wú)需拷貝到RAM中運(yùn)行。

3.4.Flash操作關(guān)鍵代碼說(shuō)明

Dual-Bank架構(gòu)可以支持Flash的操作庫(kù)在后臺(tái)運(yùn)行，可以定義一個(gè)回調(diào)函數(shù)注冊(cè)，這樣當(dāng)Flash完成擦除和寫(xiě)入命令時(shí)，就直接進(jìn)入后臺(tái)操作，不會(huì)阻塞主循環(huán)和中斷。

擦除時(shí)--->只需發(fā)起一次整體擦除，后臺(tái)等待標(biāo)志位完成

寫(xiě)入時(shí)--->每接收一塊數(shù)據(jù)，發(fā)起一次寫(xiě)入，后臺(tái)等待標(biāo)志完成，循環(huán)直至所有數(shù)據(jù)寫(xiě)入完畢

主要代碼示例如下：

A、Flash回調(diào)函數(shù)

左右滑動(dòng)查看完整內(nèi)容

voidu_cb_function(void*event)
{
flash_int_cb_args_t *ready_event =event;
switch(ready_event->event)
{
caseFLASH_INT_EVENT_ERASE_COMPLETE:
    ERASE_COMPLETE_f =1;
caseFLASH_INT_EVENT_WRITE_COMPLETE:
    WRITE_COMPLETE_f =1;
caseFLASH_INT_EVENT_TOGGLE_BANK:
break;
default:
break;
}
}

B、Flash初始化

左右滑動(dòng)查看完整內(nèi)容

e_fwup_err_tmy_flash_open_function(void)
{
if(FLASH_SUCCESS !=R_FLASH_Open())
{
return(FWUP_ERR_FLASH);
}
#if(FLASH_BGO_MODE == 1)
flash_interrupt_config_tcb_func_info;
cb_func_info.pcallback = u_cb_function;
cb_func_info.int_priority =1;
if(FLASH_SUCCESS !=R_FLASH_Control(FLASH_CMD_SET_BGO_CALLBACK,(void*)&cb_func_info))
{
return(FWUP_ERR_FLASH);
}
#endif/* (FLASH_BGO_MODE == 1) */
return(FWUP_SUCCESS);
}
}

C、Flash擦除操作

左右滑動(dòng)查看完整內(nèi)容

staticvoidfwup_erase_step(void)
{
 if(!g_erase_started)
  {
    ERASE_COMPLETE_f =0;
   R_FLASH_Erase(FLASH_CF_BLOCK_22,22);
    g_erase_started =true;
  }
 else
  {
   if(!g_erase_done)
    {
     if(ERASE_COMPLETE_f ==1)
      {
        ERASE_COMPLETE_f =0;
        g_erase_done =true;
        g_write_addr =BANK_LO_ADDR;
        g_write_offset =0;
        g_total_writes_completed =0;
        g_fwup_state =FWUP_STATE_WRITE;
      }
    }
  }
}

D、Flash寫(xiě)入操作

左右滑動(dòng)查看完整內(nèi)容

staticvoidfwup_write_step(void)
{
 if(g_write_offset >= TOTAL_DATA_SIZE)
  {
    g_fwup_state = FWUP_STATE_DONE;
   return;
  }
 if(!g_write_in_progress && FWUP_UART_RTS)
  {
   uint8_t*buf =malloc(g_write_chunk_size);
   if(!buf)return;
   uint32_tchunk = (s_flash_buf.cnt >= g_write_chunk_size) ? g_write_chunk_size : s_flash_buf.cnt;
   memcpy(buf, s_flash_buf.buf, chunk);
   if(chunk < g_write_chunk_size)?memset(&buf[chunk],?0xFF, g_write_chunk_size - chunk);
? ? ? ? WRITE_COMPLETE_f =?0;
? ? ? ??R_FLASH_Write((uint32_t)buf, g_write_addr, g_write_chunk_size);
? ? ? ??free(buf);
? ? ? ? g_write_in_progress =?true;
? ? }
? ??elseif?(g_write_in_progress && WRITE_COMPLETE_f)
? ? {
? ? ? ? WRITE_COMPLETE_f =?0;
? ? ? ? g_write_in_progress =?false;
? ? ? ? g_total_writes_completed++;
? ? ? ? g_write_addr += g_write_chunk_size;
? ? ? ? g_write_offset += g_write_chunk_size;
? ? ? ??if?(s_flash_buf.cnt > g_write_chunk_size)
    {
      s_flash_buf.cnt -= g_write_chunk_size;
     memmove(s_flash_buf.buf, &s_flash_buf.buf[g_write_chunk_size], s_flash_buf.cnt);
    }
   elses_flash_buf.cnt =0;
    FWUP_UART_RTS =false;
  }
}

3.5.無(wú)感OTA流程示意圖

四、RX26T無(wú)感OTA實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.1.邏輯分析儀測(cè)試波形

加入測(cè)試代碼

在主循環(huán)100us定時(shí)翻轉(zhuǎn)IO口

中斷10us定時(shí)翻轉(zhuǎn)IO口

在擦除函數(shù)進(jìn)入前后加入翻轉(zhuǎn)IO口

在寫(xiě)入函數(shù)進(jìn)入前后加入翻轉(zhuǎn)IO口

通過(guò)波形可以看到整體對(duì)中斷基本無(wú)影響，主循環(huán)在寫(xiě)操作中間偶爾會(huì)有短時(shí)間的延時(shí)，實(shí)測(cè)25us左右，為Flash庫(kù)進(jìn)入BGO操作之前的準(zhǔn)備時(shí)間。

4.2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際性能，把電機(jī)驅(qū)動(dòng)也加入到代碼中來(lái)，設(shè)計(jì)2個(gè)軟件版本，其中：

版本1.1.1上電后，啟動(dòng)電機(jī)，并控制轉(zhuǎn)速到2000RPM，打印信息

版本6.0.0上電后，啟動(dòng)電機(jī)，并控制轉(zhuǎn)速到500RPM，打印信息

首先燒錄版本1.1.1，上電后可以看到電機(jī)正常運(yùn)行，打印信息如下：

這時(shí)通過(guò)PC端的Tere Term發(fā)送版本6.0.0版本的BIN文件，并進(jìn)入OTA流程，可以觀察到電機(jī)保持運(yùn)行，同時(shí)持續(xù)接收新的固件并寫(xiě)入到Bank1的對(duì)應(yīng)地址，當(dāng)寫(xiě)入完成后，切換bank并進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位過(guò)程電機(jī)會(huì)有幾秒鐘的時(shí)間停下來(lái)，當(dāng)新的軟件版本啟動(dòng)后，電機(jī)會(huì)重新啟動(dòng)加速并控制轉(zhuǎn)速在500RPM運(yùn)行

五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

RX26T的Dualbank+BGO模式為固件升級(jí)提供了一個(gè)完美的解決方案。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：

升級(jí)過(guò)程中不影響當(dāng)前程序運(yùn)行

防止升級(jí)失敗導(dǎo)致系統(tǒng)”變磚”

升級(jí)過(guò)程安全可靠，支持?jǐn)嚯姳Ｗo(hù)

實(shí)現(xiàn)真正的”無(wú)感”升級(jí)體驗(yàn)

這種升級(jí)方案特別適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，能夠在不影響正常工作的情況下完成固件更新，是工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)的理想選擇。

六、注意事項(xiàng)

1.BGO模式使用要點(diǎn)：

初始化時(shí)必須正確配置回調(diào)函數(shù)

每次操作前檢查Flash狀態(tài)

合理使用對(duì)齊的緩沖區(qū)

2.狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)原則：

狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯要清晰

單個(gè)狀態(tài)處理時(shí)間要短

使用標(biāo)志位跟蹤進(jìn)度

3.調(diào)試建議：

使用GPIO觀察關(guān)鍵時(shí)序

保留關(guān)鍵日志輸出

4.拓展說(shuō)明

切換Bank進(jìn)行軟件復(fù)位的時(shí)間非常短，在1秒以?xún)?nèi)即可運(yùn)行到主函數(shù)

如果有極限的要求，即核心業(yè)務(wù)在OTA過(guò)程中要求不受任何影響，也有解決方案，就是在切換Bank之前，把核心業(yè)務(wù)處理函數(shù)以及相關(guān)的中斷都拷貝到RAM中運(yùn)行，這樣就可以不受軟件復(fù)位的影響，無(wú)縫切換到新的固件版本