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NCS下基于MCUboot的双通道DFU实现：BLE与UART固件升级实战

news 2026/8/19 4:21:46

1. 项目背景与核心需求：为什么要在NCS下做双通道DFU？

如果你正在用Nordic的nRF52或nRF53系列芯片做产品，并且跑的是基于Zephyr RTOS的NCS（nRF Connect SDK），那么“固件升级”这个功能迟早会摆在你面前。这不是一个“有就更好”的锦上添花，而是一个“没有就麻烦”的刚需。想象一下，产品已经部署到成百上千个终端，你发现了一个必须修复的Bug，或者需要增加一个吸引用户的新功能。难道要派人一个个去现场拆机、用J-Link烧录吗？显然不现实。这时候，无线、远程的固件升级（DFU， Device Firmware Update）能力就成了产品生命线的保障。

Nordic的生态提供了强大的DFU支持，但在NCS这个相对较新的框架下，很多朋友会感到迷茫。官方文档虽然全面，但信息分散；社区方案五花八门，但未必适合你的具体场景。特别是当你的设备同时具备蓝牙和串口（比如通过USB转TTL或RS-232）时，你自然会想：能不能让用户自己选择用手机App（BLE）还是电脑上位机（UART）来升级？这就是“BLE加UART”双通道DFU的核心价值——提供灵活、可靠的升级路径，提升用户体验和产品可维护性。

我最近在一个工业传感器项目上就实现了这个需求。设备安装在难以触及的角落，通过BLE连接手机进行常规配置和数据查看很方便，但当固件包较大（超过1MB）时，BLE的传输速率和稳定性就成了瓶颈。同时，设备也预留了一个调试UART接口。于是，我们设计了一套方案：平时小版本更新用BLE，快速便捷；大版本更新或BLE连接不稳定时，则可以用电脑通过UART进行，速度更快、更可靠。这套基于NCS-Zephyr的方案跑下来非常稳定，今天我就把其中的核心设计、实操步骤以及我踩过的那些坑，毫无保留地分享出来。

2. NCS DFU基础架构深度解析：MCUboot与镜像管理

在动手写代码之前，我们必须彻底理解NCS下DFU的基石——MCUboot。它不是Nordic独有的，而是一个来自Zephyr社区的、经过工业级验证的通用引导加载程序（Bootloader）。你可以把它想象成电脑的BIOS，但它更智能，专门负责验证和启动你的应用程序固件，并管理固件升级。

2.1 MCUboot的核心工作流程

MCUboot遵循“A/B双镜像”或“直接XIP（就地执行）”的升级策略。在资源相对紧张的嵌入式设备上，我们通常使用交换模式（Swap Mode）。我们以nRF52840（1MB Flash）为例，看看Flash是如何被划分的：

Flash区域起始地址（示例）大小用途说明
MCUboot0x0000 000048KB引导程序本身。负责初始化、镜像验证、升级逻辑。
Image-0 (插槽0, Primary)0x0000 C000448KB存放当前正在运行或下次将要运行的固件镜像。
Image-1 (插槽1, Secondary)0x0007 C000448KB存放通过DFU接收到的新固件镜像。升级时，MCUboot会将此镜像与插槽0的镜像交换。
暂存区 (Scratch)0x000F 80004KB一个很小的区域，用于在交换镜像时临时存储元数据，确保掉电安全。

整个升级过程是这样的：

  1. 初始状态：设备运行在插槽0的固件（App）。
  2. 下载新固件：你的App通过BLE或UART，将新的.bin或.hex文件写入到插槽1。注意：MCUboot和App都“知道”插槽1的地址，下载过程由App控制。
  3. 触发升级：下载完成后，App需要向MCUboot“打报告”。它通过一个特定的API（如boot_request_upgrade）或直接设置Flash中的升级标志位，告诉MCUboot：“插槽1里有个新家伙，下次启动你处理一下。”
  4. 重启与交换：设备重启。MCUboot在启动时检查到升级标志，开始执行交换操作：将插槽0的旧镜像与插槽1的新镜像进行交换（实际是交换镜像的“位置”信息，并非物理搬运全部数据，效率很高）。如果交换成功，它清除标志，然后从新的插槽0（即原来的新固件）启动。
  5. 确认与回滚：新固件启动后，应该尽快调用boot_write_img_confirmed()来“确认”本次升级成功。如果新固件启动失败（比如卡死在某个地方，无法发出确认），MCUboot会在下一次重启时，自动执行“回滚”，换回之前稳定运行的旧版本。这是MCUboot提供的最重要的安全特性之一。

2.2 在NCS中配置MCUboot

理解了原理，配置就有的放矢了。NCS通过Kconfig和设备树（DTS）来管理这些配置，这比直接修改代码要清晰和安全得多。

首先，在你的项目目录（如app）下，你需要确保prj.conf文件启用了MCUboot和必要的功能：

# 启用MCUboot引导程序 CONFIG_BOOTLOADER_MCUBOOT=y # 启用对固件镜像的签名验证（强烈建议生产环境开启） CONFIG_MCUBOOT_SIGNATURE_KEY_FILE=\"root-rsa-2048.pem\" # CONFIG_MCUBOOT_ENCRYPTION_KEY_FILE=\"enc-rsa-2048.pem\" # 如果需要加密可启用 # 启用串口控制台，方便MCUboot打印调试信息 CONFIG_SERIAL=y CONFIG_UART_CONSOLE=y CONFIG_CONSOLE=y # 启用Flash操作相关的驱动 CONFIG_FLASH=y CONFIG_FLASH_PAGE_LAYOUT=y CONFIG_STREAM_FLASH=y CONFIG_IMG_MANAGER=y

注意：MCUBOOT_SIGNATURE_KEY_FILE指向你的RSA私钥文件。你需要使用imgtool（NCS自带）生成一对密钥，私钥用于在编译时对固件签名，公钥会被编译进MCUboot。MCUboot在启动时会用公钥验证镜像签名，只有签名正确的镜像才会被启动，这从根本上防止了恶意固件的刷入。

其次，Flash的分区布局是在设备树中定义的。你通常不需要从头写，NCS为Nordic芯片提供了预定义的分区。但你必须理解并检查它。查看<ncs_root>/zephyr/boards/arm/<your_board>/<your_board>.dts文件，找到类似下面的部分：

&flash0 { partitions { compatible = "fixed-partitions"; #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; boot_partition: partition@0 { label = "mcuboot"; reg = <0x00000000 0x0000C000>; // 48KB }; slot0_partition: partition@c000 { label = "image-0"; reg = <0x0000C000 0x00070000>; // 448KB }; slot1_partition: partition@7c000 { label = "image-1"; reg = <0x0007C000 0x00070000>; // 448KB }; scratch_partition: partition@ec000 { label = "image-scratch"; reg = <0x000EC000 0x00004000>; // 16KB， 用作暂存区 }; // ... 可能还有文件系统等其他分区 }; };

你的App代码需要通过标签（如slot1_partition）来获取次级插槽的起始地址和大小，以便向正确的位置写入数据。这是连接MCUboot和你的DFU传输逻辑的桥梁。

3. 构建双通道传输层：BLE DFU与UART DFU的实现

MCUboot准备好了，它只关心“有没有一个有效的镜像在插槽1里”。至于这个镜像是怎么来的，它不管。这就是我们传输层要做的：通过BLE或UART，把固件文件安全、可靠地搬运到插槽1。

3.1 BLE DFU实现：基于Nordic的DFU服务

最省心的方式是使用Nordic提供的Secure DFU Service。这是一个标准的GATT服务，定义了用于控制DFU过程（如选择、创建、接收数据）的特性和用于传输固件包数据的特性。手机端可以使用Nordic的nRF Connect App进行测试，或者集成Nordic提供的移动端SDK（nRF-DFU）到你的App中。

在NCS应用中启用它非常简单：

# 在prj.conf中 CONFIG_BOOTLOADER_MCUBOOT=y CONFIG_MCUBOOT_BOOTLOADER_MODE_DIRECT_XIP=n # 确保使用交换模式 CONFIG_IMG_MANAGER=y CONFIG_IMG_ERASE_PROGRESSIVELY=y # 渐进式擦除，避免长时间阻塞 CONFIG_MCUBOOT_IMG_MANAGER=y # 启用BLE和必要的GATT服务 CONFIG_BT=y CONFIG_BT_PERIPHERAL=y CONFIG_BT_DEVICE_NAME="MyDFUDevice" CONFIG_BT_DFU_SMP=y # 这是关键！启用通过BLE的DFU服务 CONFIG_BT_DFU_SMP_SECURITY_ENABLED=y # 启用安全连接，推荐 CONFIG_BT_GATT_DYNAMIC_DB=y

编译并烧录后，你的设备就会广播并包含DFU服务。用nRF Connect App连接后，你会发现一个名为“Secure DFU Service”的服务，里面包含“DFU Control Point”、“DFU Packet”等特性。你可以通过App直接选择.bin或.hex文件进行升级。

但是，这里有一个巨大的“坑”：Nordic的BT_DFU_SMP服务，其底层默认使用的是MCUmgr协议。MCUmgr是一个设备管理协议，它传输的并不是原始的二进制镜像，而是一个经过CBOR编码、包含哈希、签名等信息的SMP数据包。这意味着，你不能简单地把编译输出的zephyr.bin文件通过这个服务发送。你需要先用imgtool生成一个适合MCUmgr传输的.bin文件，或者使用mcumgr命令行工具。

# 在NCS环境下的操作 # 1. 首先，像往常一样编译你的应用，这会生成zephyr.signed.bin（已签名） west build -b nrf52840dk_nrf52840 # 2. 使用imgtool生成适合MCUmgr的镜像文件 # 假设你的编译输出在build/zephyr目录 cd build/zephyr imgtool create --align 4 --version 1.2.3 --header-size 32 --slot-size 0x70000 --pad-header zephyr.signed.bin dfu_image.bin

生成的dfu_image.bin才是可以通过BLE DFU服务正确传输的文件。手机App（如果使用nRF SDK）内部也会做类似的处理。如果你尝试直接发送zephyr.signed.bin，升级过程很可能会在最后验证失败。

3.2 UART DFU实现：自定义简单可靠的协议

当BLE因为环境、速率或功耗限制不合适时，UART就派上用场了。MCUboot本身支持通过串口进行升级（MCUboot的串口恢复模式），但那通常需要让设备进入一种特殊的引导模式。我们这里要实现的是：在应用程序正常运行期间，通过一个额外的UART接口接收固件数据。这给了我们最大的灵活性。

我们需要自己设计一个简单的、基于UART的DFU协议。它不需要像MCUmgr那么复杂，核心目标是：可靠地将原始二进制数据写入插槽1的Flash。下面是一个我经过实践验证的简单协议框架：

  1. 协议帧格式：为了应对UART的流式特性和可能的数据错乱，我们必须设计帧结构。

    [帧头 0xAA 0x55] [命令字] [数据长度L] [数据...] [校验和]
    • 帧头：固定的两个字节，用于帧同步。
    • 命令字：定义操作，如CMD_START_DFU(0x01),CMD_DATA(0x02),CMD_FINISH(0x03),CMD_RESET(0x04)。
    • 数据长度：后续数据段的长度。
    • 数据：有效载荷，对于CMD_DATA，就是固件数据的片段。
    • 校验和：简单的字节和校验或CRC8，用于验证帧完整性。

  2. 应用层逻辑：

    • 上电后，UART DFU功能处于监听状态。
    • 上位机首先发送CMD_START_DFU帧，其中数据段可以包含固件总大小、版本号等。设备端收到后，需要擦除整个插槽1分区。这是一个关键且耗时的操作，一定要在开始传输数据前完成。
    • 上位机将固件文件（zephyr.signed.bin）分片，例如每片256字节，依次发送CMD_DATA帧。设备端收到后，校验帧，然后将数据写入插槽1的当前偏移地址，并更新偏移量。
    • 传输完成后，上位机发送CMD_FINISH帧。设备端计算已写入数据的哈希值（如SHA-256），并与帧中携带的哈希值对比。如果一致，则向MCUboot设置升级标志（调用boot_request_upgrade函数）。
    • 最后，上位机发送CMD_RESET，设备重启，MCUboot执行镜像交换。

  3. Zephyr中的关键代码片段：

    #include <drivers/flash.h> #include <storage/flash_map.h> #include <dfu/mcuboot.h> #include <sys/crc.h> // 获取slot1分区的信息 const struct flash_area *fa; int err = flash_area_open(FIXED_PARTITION_ID(slot1_partition), &fa); if (err) { /* 处理错误 */ } size_t offset = 0; // 当前写入偏移 // 在收到CMD_START_DFU后，擦除整个分区 err = flash_area_erase(fa, 0, fa->fa_size); // 这是一个阻塞操作，时间较长！ if (err) { /* 发送错误响应给上位机 */ } // 在收到CMD_DATA帧后，写入数据 err = flash_area_write(fa, offset, data_buf, data_len); if (err) { /* 发送错误响应 */ } offset += data_len; // 在收到CMD_FINISH后，验证并设置升级标志 if (hash_matches) { // 注意：boot_request_upgrade需要MCUboot的模式支持 int rc = boot_request_upgrade(BOOT_UPGRADE_TEST); // 或BOOT_UPGRADE_PERMANENT if (rc == 0) { // 发送成功响应 } } // 不要忘记最后关闭flash_area flash_area_close(fa);

重要提示：flash_area_erase和flash_area_write是阻塞操作，在写入Flash期间，CPU无法处理其他任务（包括响应UART中断！）。这会导致数据丢失。解决方案：

  1. 使用双缓冲：开辟两个缓冲区（A和B）。当UART DMA或中断填满缓冲区A时，启动一个线程（如k_work）将A的数据写入Flash，同时UART继续向缓冲区B填充数据。
  2. 控制帧速率：上位机在发送下一帧数据前，必须等待设备端的“ACK”响应。设备端在完成Flash写入后，才发送ACK。
  3. 启用流控：如果硬件支持（RTS/CTS），使用硬件流控是最可靠的方式。

4. 双通道协同与状态机设计

现在我们有BLE和UART两个升级通道，它们不能同时工作，否则会争抢Flash资源，导致数据错乱。我们需要一个全局的DFU状态机来管理。

一个清晰的状态机设计如下：

  • IDLE：正常应用运行状态，两个通道都监听但未激活。
  • BLE_DFU_ACTIVE：BLE连接进入DFU模式，开始接收SMP包。此时应锁定资源，UART DFU收到任何启动命令都应返回“忙”错误。
  • UART_DFU_ACTIVE：UART收到有效的CMD_START_DFU帧，进入该状态。应暂停或拒绝新的BLE DFU连接请求。
  • PROCESSING：固件数据接收完成，正在计算哈希、设置升级标志等。此状态任何新的传输请求都应被拒绝。
  • PENDING_RESET：升级标志已设置，等待设备重启。可以通知用户“升级成功，设备即将重启”。

这个状态机可以用一个全局变量dfu_state来实现，所有相关的函数在操作前都必须检查状态。例如，在UART的解析函数中：

if (dfu_state != IDLE && dfu_state != UART_DFU_ACTIVE) { send_uart_response(STATUS_BUSY); return; } switch(cmd) { case CMD_START_DFU: if (dfu_state == IDLE) { dfu_state = UART_DFU_ACTIVE; // ... 初始化Flash操作 } break; case CMD_DATA: if (dfu_state == UART_DFU_ACTIVE) { // ... 处理数据 } break; // ... }

同时，在BLE DFU服务启动的回调函数中，也要将状态设置为BLE_DFU_ACTIVE。这样，两个通道就实现了互斥访问，保证了升级过程的安全。

5. 实战中的“坑”与优化策略

理论走通只是第一步，实际调试中会遇到各种问题。下面是我总结的几个关键点和优化建议：

5.1 Flash操作阻塞系统与看门狗复位

这是最常遇到的问题。无论是BLE还是UART DFU，向Flash写入几KB的数据都可能需要几十毫秒。在这期间，如果看门狗（WDT）没有被喂食，系统就会复位。

解决方案：

  • 分片与小块写入：不要一次性写入整个帧的数据。将每帧数据再分成更小的块（如64字节）进行写入，在每小块写入间隙喂狗。
  • 使用线程和信号量：将Flash写入操作放在一个低优先级的后台线程中。主线程或中断服务程序收到数据后，将数据放入队列，并释放一个信号量。后台线程等待信号量，然后从队列取出数据写入Flash。在后台线程的循环中定期喂狗。
  • 调整看门狗超时时间：在prj.conf中适当增加看门狗的超时时间，但这不是根本解决办法。
    CONFIG_WDT_NRFX=y CONFIG_WDT_NRF_TIMEOUT=8000 # 超时时间设为8秒

5.2 电源稳定性与掉电保护

升级过程中掉电，可能导致Flash中的数据处于不一致状态，最坏情况是设备“变砖”。

MCUboot的交换机制和暂存区设计已经提供了很好的掉电保护。但为了更安全：

  • 在UART协议中增加断点续传：CMD_START_DFU帧可以携带一个“起始偏移量”参数。如果设备在升级中意外复位，重新连接后，它可以向上位机报告当前已写入的偏移量。上位机可以从该偏移量处继续发送剩余数据，而无需重新擦除和传输整个文件。这需要设备在写入Flash时，定期将当前偏移量保存到非易失性存储（如Flash的另一个小分区或FRAM）中。
  • 使用CONFIG_IMG_ERASE_PROGRESSIVELY：这个配置项会让MCUboot在交换时按需擦除页，而不是一开始就擦除整个目标区域，可以缩短交换过程中的“危险窗口期”。

5.3 镜像验证失败问题排查

升级后重启，MCUboot日志（如果使能了串口输出）报错“Image not valid”或“Signature failed”。

排查步骤：

  1. 检查签名密钥：确保你编译MCUboot时使用的公钥（root-rsa-2048.pem.pub）和编译应用时使用的私钥是配对的。一个常见的错误是：修改了密钥文件，但忘记清理build目录重新编译MCUboot，导致MCUboot里的公钥还是旧的。
  2. 检查Flash写入完整性：在UART DFU中，确保每一帧数据都正确写入了Flash。可以在CMD_FINISH时，从Flash中重新读取整个插槽1的数据，计算哈希并与上位机发送的哈希对比。也可以在代码中开启调试，将每个写入块的地址和数据和校验打印出来。
  3. 检查镜像头：使用imgtool的info命令检查你生成的dfu_image.bin或zephyr.signed.bin文件。
    imgtool info zephyr.signed.bin
    检查镜像大小是否超过插槽1的分区大小，检查版本号等信息是否正确。
  4. 检查分区地址：这是最隐蔽的坑！确保你的App在写入Flash时，使用的slot1_partition的地址，与MCUboot认为的slot1_partition地址完全一致。它们都来自设备树文件。务必检查你的应用项目是否使用了正确的设备树覆盖（overlay）文件，没有错误地覆盖分区表。

5.4 性能优化：提升UART DFU速度

UART的波特率（比如921600）是理论上限，实际速度受限于Flash写入速度、协议开销和流控。

  • 增大数据帧长度：在保证可靠性的前提下，将每帧的数据段长度从256字节提高到512甚至1024字节，可以减少协议头尾的开销比例。
  • 启用DMA：如果MCU的UART支持DMA，务必在Zephyr中启用它。这可以极大减少CPU中断负载，让CPU有更多时间处理Flash写入和喂狗。
    CONFIG_UART_ASYNC_API=y CONFIG_UART_0_ASYNC=y CONFIG_UART_0_NRF_HW_ASYNC=y CONFIG_UART_0_NRF_HW_ASYNC_TIMER=2 # 指定使用的Timer实例
  • 优化Flash写入：flash_area_write函数内部会处理跨页写入。但如果你能保证每次写入的数据块都是页大小（如4KB）的整数倍，并且地址对齐，效率会最高。不过这通常需要在上位机端做分片对齐。

6. 完整开发、测试与生产流程

最后，我们把所有环节串起来，形成一个可重复的流程。

  1. 环境搭建与密钥生成：

    # 安装NCS和工具链（略） # 生成签名密钥对 cd <your_project> imgtool keygen -k root-rsa-2048.pem -t rsa-2048 # 这会生成私钥root-rsa-2048.pem和公钥root-rsa-2048.pem.pub

  2. 编译MCUboot：

    # 进入MCUboot目录（NCS中通常位于bootloader/mcuboot） west build -b nrf52840dk_nrf52840 bootloader/mcuboot/boot/zephyr west flash # 将MCUboot烧录到设备

  3. 编译并生成应用镜像：

    # 进入你的应用目录 west build -b nrf52840dk_nrf52840 # 编译后，在build/zephyr下会生成zephyr.signed.bin（已签名） # 如果需要用于UART DFU，这个文件可以直接用。 # 如果需要用于BLE DFU (MCUmgr)，需要转换： cd build/zephyr imgtool create --align 4 --version 1.2.3 --header-size 32 --slot-size 0x70000 --pad-header zephyr.signed.bin dfu_image.bin

  4. 测试BLE DFU：

    • 使用nRF Connect App连接设备。
    • 进入DFU服务，选择dfu_image.bin文件进行升级。
    • 观察App日志和设备串口日志（如果MCUboot开启了CONFIG_MCUBOOT_SERIAL）。

  5. 测试UART DFU：

    • 编写一个简单的Python上位机脚本，使用pyserial库，按照你定义的协议发送zephyr.signed.bin文件。
    • 脚本应包含帧封装、校验和计算、流控等待（等待设备ACK）和断点续传逻辑。
    • 通过串口助手观察设备打印的调试信息。

  6. 生产部署：

    • 产线首先烧录MCUboot。
    • 然后通过UART（高速、可靠）烧录第一个版本的应用程序（包含完整的双通道DFU功能）。
    • 此后，设备在客户端可以通过BLE或UART进行任意次数的升级。
    • 关键：务必保管好你的私钥（root-rsa-2048.pem），泄露意味着任何人都可以为你的设备签名固件。公钥则被编译进MCUboot，无需保密。

实现NCS下的双通道DFU，就像为你的设备安装了一个永不停机的“软件加油站”。BLE提供了随时随地、无接触的升级便利性，而UART则作为高速、稳定的后备通道，确保了在最恶劣通信环境下升级的可行性。整个方案的核心在于理解MCUboot的分区管理和升级逻辑，然后围绕它构建可靠的数据传输层。过程中最耗费时间的往往是调试Flash写入、协议同步和状态管理这些细节。希望我分享的这些具体步骤和踩坑经验，能帮你更快地打通这条关键路径。当你第一次通过手机App成功让设备在几十秒内完成功能更新时，那种成就感会让你觉得所有的调试都是值得的。

http://www.cnnetsun.cn/news/4092803.html

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