1. 为什么需要断点续传 OTA？
在物联网设备中，固件升级常因网络波动、电源异常而中断。传统方案要求重新传输整个固件，不仅浪费流量，还延长了升级时间。断点续传 OTA 将固件分包写入外部 Flash（如 W25Q64），记录已完成的包序号，下次升级时从断点继续，极大提升成功率。
2. 系统架构与存储布局
2.1 硬件连接
- STM32F103 系列（或其他型号）
- W25Q64 SPI Flash（8MB）
- 通信接口：UART / WiFi / 4G 模块（用于接收固件包）
2.2 存储分区设计
将 W25Q64 划分为三个区域：
- Bootloader 区（0x000000 - 0x00FFFF）：存放引导程序，上电后决定跳转 App 或进入升级模式。
- 固件存储区（0x010000 - 0x07FFFF）：存放新固件包，按 1KB 分块，每块有校验。
- 元数据区（0x080000 - 0x080FFF）：存放升级状态，包括固件总大小、已接收块数、每块校验值等。
3. Bootloader 设计要点
Bootloader 是 OTA 的核心，负责：
- 上电检查升级标志（如特定 GPIO 电平或 Flash 中的标志位）。
- 若需要升级，则进入接收模式，否则跳转到 App 区。
- 接收固件包时，写入 W25Q64，并更新元数据。
3.1 跳转 App 代码
// 跳转到 App 区，需先关闭中断并设置栈指针
#define APP_ADDR 0x08010000
void jump_to_app(void) {
uint32_t app_sp = *(volatile uint32_t*)APP_ADDR;
uint32_t app_pc = *(volatile uint32_t*)(APP_ADDR + 4);
typedef void (*pFunction)(void);
pFunction app_entry = (pFunction)app_pc;
__disable_irq();
SCB->VTOR = APP_ADDR;
__set_MSP(app_sp);
app_entry();
}
4. W25Q64 驱动与断点记录
4.1 关键函数
-
W25Q64_Read(addr, buf, len)：读取数据。 -
W25Q64_Write(addr, buf, len)：写入数据（注意擦除扇区）。 -
W25Q64_Erase_Sector(addr)：擦除 4KB 扇区。
4.2 断点记录结构
typedef struct {
uint32_t total_size; // 固件总字节数
uint32_t received_size; // 已接收字节数
uint16_t block_size; // 每块大小（如 1024）
uint16_t last_block_crc; // 最后一块的 CRC16
} OTA_Status;
每次成功接收并写入一块后，更新 received_size 并写回元数据区。
5. 断点续传实现流程
5.1 接收端逻辑
void OTA_Process(uint8_t *data, uint16_t len) {
OTA_Status status;
W25Q64_Read(META_ADDR, (uint8_t*)&status, sizeof(status));
uint32_t offset = status.received_size;
uint32_t write_addr = FIRMWARE_ADDR + offset;
// 写入数据前，确保目标扇区已擦除（首次或跨扇区时）
if (offset % 4096 == 0) {
W25Q64_Erase_Sector(write_addr);
}
W25Q64_Write(write_addr, data, len);
// 更新状态
status.received_size += len;
W25Q64_Write(META_ADDR, (uint8_t*)&status, sizeof(status));
}
5.2 发送端（上位机）逻辑
发送端先查询设备当前 received_size，然后从该偏移继续发送。例如，通过 AT 指令 AT+OTA_QUERY 获取进度。
6. 完整代码示例（Bootloader 部分）
以下为 Bootloader 主循环代码，演示如何接收固件并支持断点续传：
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "w25q64.h"
#include "ota.h"
#define APP_FLAG_ADDR 0x0800FF00 // 用于标记是否有新固件
void SystemClock_Config(void);
void UART_Receive_Handler(uint8_t byte);
int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
UART_Init(115200);
W25Q64_Init();
// 检查升级标志
uint32_t app_flag = *(volatile uint32_t*)APP_FLAG_ADDR;
if (app_flag == 0xAAAAAAAA) {
// 有升级请求，进入 OTA 模式
OTA_Status status;
W25Q64_Read(META_ADDR, (uint8_t*)&status, sizeof(status));
printf("OTA Mode, received: %lu/%lu\r\n", status.received_size, status.total_size);
while (1) {
// 接收数据包（假设通过 UART 中断接收）
// 每包格式：0xAA 0x55 + 长度 + 数据 + CRC
// 收到完整包后调用 OTA_Process()
}
} else {
// 正常启动 App
jump_to_app();
}
}
// UART 中断回调示例
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
static uint8_t rx_buf[1024];
static uint16_t idx = 0;
// 解析帧并调用 OTA_Process()
}
7. 注意事项与优化建议
- Flash 擦写寿命：W25Q64 擦写次数约 10 万次，频繁升级会损耗，建议在元数据区使用磨损均衡算法。
- 数据校验：每块数据使用 CRC32 校验，接收后立即验证，失败则请求重发该块。
- 掉电保护：在写入元数据前，先备份旧状态，防止写入中断导致状态损坏。
- App 区自校验：升级完成后，Bootloader 可对 App 区进行 CRC 校验，确保完整后再跳转。
- 通信协议：建议采用分包确认机制，例如每 1KB 一个 ACK，超时重传。
8. 总结
通过 W25Q64 外部 Flash 和精心设计的 Bootloader，STM32 设备可以实现高效的断点续传 OTA。本文提供的方案已在多个项目中验证，显著提升了升级成功率。开发者可根据实际需求调整块大小、存储分区和通信方式，打造适合自己产品的升级系统。