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BootLoader-ESP8266

Fsallen2025/10/20大约 7 分钟嵌入式技术开发stm32ESP8266BootLoader

BootLoader-ESP8266

概括

由于是stm32主动获取固件，所以我使用了类似于AT指令的架构去处理如何连接wifi，设置固件位置，拉取固件等，将主动权交给stm32
没有云服务器也没关系，可以自己的电脑当作服务器。

视频内效果




ESP8266部分

1. 简介

本固件将 ESP8266 作为 STM32 的 Wi-Fi 协处理器（网关）。它通过串口（UART）接收 STM32 的 AT 指令，负责连接 Wi-Fi、管理配置信息（EEPROM），并从指定的 HTTP 服务器下载固件数据，通过自定义的分包协议传输给 STM32，用于实现 OTA（空中升级）功能。

2. 硬件连接与通信参数

  • 通信接口: UART (Serial)
  • 波特率: 115200 bps
  • 连接方式:
    • ESP8266 TX <--> STM32 RX
    • ESP8266 RX <--> STM32 TX
    • GND <--> GND
    • VCC <--> 5V

3. 启动流程与默认配置

ESP8266 上电后会执行以下操作：

  1. 加载配置: 读取 EEPROM。如果是首次运行（Magic Number 校验失败），将加载默认配置并写入 EEPROM。
  2. 连接 Wi-Fi: 尝试连接配置中的 SSID。
  3. 状态输出:
    • 启动中输出: [ESP8266] Booting...
    • 连接成功输出: [WiFi] Connected! 及 IP 地址。
    • 连接失败输出: [WiFi] Connect Failed
    • 就绪信号: READY (STM32 应在收到此信号后开始发送指令)。
默认配置 (恢复出厂)
  • SSID: aaa
  • Password: aaaaaaaa
  • Version URL: http://111.231.116.18/version.txt
  • Firmware URL: http://111.231.116.18/app.bin

4. AT 指令集

STM32 通过发送字符串指令控制 ESP8266，指令需以换行符 \n 结尾。

4.1 基础指令
指令描述成功响应失败响应
AT测试通信链路OK无响应
4.2 配置指令 (自动保存至 EEPROM)
指令格式描述响应备注
AT+SetWifi=<ssid>,<pwd>设置Wi-Fi名称和密码OK_RECONNECTING 或 ERR_PARAM设置后会立即断开重连
AT+SetVerUrl=<url>设置版本号文件地址OK 或 ERR_LENURL最大长度 127 字节
AT+SetFwUrl=<url>设置固件文件地址OK 或 ERR_LENURL最大长度 127 字节
AT+GetConfig查询当前所有配置SSID: ...

VerURL: ...

FwURL: ...

OK		-
4.3 OTA 功能指令
指令描述响应数据
AT+GetNewVersion获取服务器上的版本号文本成功：<版本号字符串>
失败：ERR <HTTP_CODE>
AT+GetBinSize获取服务器固件大小 (字节)成功：<字节大小>
失败：ERR <HTTP_CODE>
AT+GetBin开始固件下载流程见下方“固件传输协议”

5. 固件数据传输协议 (重点)

当 STM32 发送 AT+GetBin 指令后，ESP8266 进入透传模式。它将利用 HTTP Range 头分块下载固件，并按以下协议打包发送给 STM32。

5.1 数据包结构

每个数据包包含 1024 字节（或最后一块剩余字节）的有效固件数据。

字节索引含义说明
0帧头固定为 0xAA
1长度低位有效数据长度 (Low Byte)
2长度高位有效数据长度 (High Byte)
3 ... (3+n-1)有效数据固件二进制数据 (最大 1024 bytes)
3+nCRC低位CRC16 Modbus 校验 (Low Byte)
3+n+1CRC高位CRC16 Modbus 校验 (High Byte)
3+n+2帧尾固定为 0x55

总包长: DataLen + 6 字节。

5.2 握手流程 (流控)

为了防止 STM32 写入 Flash 速度跟不上串口接收速度，采用“发一答一”的机制：

  1. ESP8266 发送: 发送一个完整的数据包（如上表结构）。
  2. ESP8266 等待: 等待 STM32 回复 OK 字符串。
    • 超时时间：3000ms (3秒)。
    • 如果超时，ESP8266 将输出 ERR_TIMEOUT 并终止传输。
  3. STM32 处理:
    • 接收数据包 -> 校验 CRC -> 写入 Flash。
    • 处理完成后通过串口发送 OK。
  4. 循环: ESP8266 收到 OK 后，下载并发送下一个数据包。
5.3 传输结束

当所有数据传输完毕后，ESP8266 会发送字符串：END

5.4 异常处理

如果在传输过程中出现网络错误或服务器错误，ESP8266 会输出：ERR_HTTP <错误码> 或 ERR_SIZE，随后终止传输。

STM32部分

本项目实现了一个基于 STM32F407（适配代码中的扇区定义）和 ESP8266 的 OTA (Over-The-Air) 在线升级 Bootloader。
Bootloader 运行在 MCU 启动的最前端，负责连接 Wi-Fi、检查服务器是否有新版本的固件。如果有，则下载固件并写入 Flash，最后跳转到用户应用程序（App）运行。

Keil配置

boot keil:

app keil

1.核心功能

  • 网络通信: 通过串口 AT 指令控制 ESP8266 连接 Wi-Fi 和 HTTP 服务器。
  • 版本管理: 对比本地 Flash 与服务器端的版本号，决定是否更新。
  • 固件下载: 支持 HTTP Range 断点续传（分包下载），并通过自定义协议（含 CRC16 校验）接收数据。
  • Flash 操作: 自动擦除 App 区域、写入新固件、更新版本元数据。
  • 程序跳转: 安全跳转至用户 App 运行。

2. 系统内存布局 (Memory Map)

这是 Bootloader 最关键的配置，决定了程序存放在 Flash 的哪个位置。

区域名称起始地址扇区 (STM32F4)用途
Bootloader0x0800 0000Sector 0 ~ 1本代码存放位置，系统上电默认运行。
Metadata0x0800 8000Sector 2 (16KB)元数据区。存储版本号、发布者、更新时间。
Application0x0800 C000Sector 3 ~ 7用户 APP 区。下载的固件会被写入这里。

注意: 用户编写的 APP 程序，其 Keil 工程的起始地址必须设置为 0x0800C000，并且在代码初始化时设置中断向量表偏移 SCB->VTOR = 0x0800C000。

3. 核心数据结构

3.1 AppMetadata_t (版本元数据)

存储在 Flash Sector 2 中，用于记录当前已安装的固件信息。

typedef struct {
    uint32_t magic_word; // 有效标志 (0xA5A5A5A5)，用于判断是否已写入过版本信息
    char version[32];    // 版本号字符串，如 "v1.0.2"
    char publisher[32];  // 发布者
    char date[32];       // 发布日期
} AppMetadata_t;

4. 关键函数详解

4.1 初始化与配置

ESP_Config_Init(void)

  • 功能: 初始化 ESP8266，设置 Wi-Fi 账号密码和服务器 URL。
  • 逻辑:
    1. 发送 AT 检查模块是否在线。
    2. 发送 AT+SetWifi 设置 SSID 和密码。
    3. 发送 AT+SetVerUrl 和 AT+SetFwUrl 设置资源地址。
  • 教学点: 使用了简单的“发送指令 -> 等待特定回复”机制，这是嵌入式与模组通信最常用的方式。
4.2 核心 OTA 逻辑

OTA_CheckAndDownload(void)
这是 main 函数中调用的主业务逻辑，流程如下：

  1. 获取服务器版本: 发送 AT+GetNewVersion。
  2. 版本对比:
    • 读取 Flash 0x08008000 处的本地版本。
    • 如果服务器版本与本地不同，或者本地没有版本信息（Magic Word 不对），则触发更新。
  3. 获取固件大小: 发送 AT+GetBinSize，用于计算下载进度百分比。
  4. 擦除 Flash: 调用 Flash_Erase_App() 擦除 Sector 3 到 Sector 7，为新固件腾出空间。
  5. 下载循环:
    • 发送 AT+GetBin 请求数据。
    • 接收协议包: 头(0xAA) + 长度 + 数据 + CRC + 尾(0x55)。
    • 校验: 计算 CRC16，如果正确则写入 Flash (Flash_Write_Data) 并回复 OK；否则回复错误码。
    • 结束判断: 如果收到字符 END，说明下载完成。
  6. 收尾: 更新元数据 (Flash_Update_Metadata) 并重启 MCU。
4.3 硬件底层操作

JumpToApplication(void)

  • 功能: 从 Bootloader 跳转到 App。这是 Bootloader 的“最后一公里”。
  • 关键步骤:
    1. 检查栈顶地址: if (((*(__IO uint32_t*)APP_ADDRESS) & 0x2FFE0000) == 0x20000000)，确保 APP 地址合法且栈指针在 RAM 范围内。
    2. 关闭中断: __disable_irq()。跳转过程中如果有中断触发会导致 HardFault，必须全局关闭。
    3. 清理现场: 关闭 SysTick，清除 NVIC 中断挂起位。
    4. 重定向向量表: SCB->VTOR = APP_ADDRESS。告诉 CPU 现在的中断向量表在 APP 的起始位置，而不是 Bootloader 的位置。
    5. 设置主堆栈指针 (MSP): __set_MSP(...)。将栈指针恢复到 APP 预设的初始状态。
    6. 跳转: 执行函数指针跳转。
      Flash_Erase_App(void)
  • 功能: 擦除存放 App 的 Flash 区域。
  • 细节: 本代码配置为擦除 FLASH_SECTOR_3 开始的连续 5 个扇区。在 STM32F4 中，Flash 是按扇区擦除的，写入前必须先擦除（将位变为 1）。
4.4 辅助工具

UART_Flush(void)

  • 功能: 清空串口接收缓冲区。
  • 作用: 在发送新指令前，如果缓冲区里还有上次通信残留的垃圾数据（如 \r\n），会导致后续解析出错。此函数通过循环读取寄存器直至清空，保证通信可靠性。
    crc16_modbus(...)
  • 功能: 计算数据的校验和。
  • 作用: 串口传输容易受干扰出错，CRC 校验能确保写入 Flash 的数据与服务器上的文件完全一致，防止变砖。
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