STM32双Bank Flash在OTA升级中的防掉电变砖策略与实现
一、为什么需要双Bank Flash？
传统单Bank Flash升级时，新固件直接覆盖旧固件，一旦写入中途掉电，Flash中既无完整新固件，也无可用旧固件，设备只能变砖。双Bank Flash将Flash划分为两个独立区域（Bank1和Bank2），分别存放当前运行固件和新固件。升级时，新固件写入非活动Bank，完成后通过切换启动地址使系统运行新固件。若写入失败或校验错误，仍可回退到旧Bank，确保设备永不掉线。
二、双Bank Flash原理与硬件支持
STM32系列（如F4、L4、H7等）部分型号支持双Bank模式。以STM32F4为例，Flash容量≥1MB时，可配置为双Bank，每个Bank独立擦写。关键特性：
- Bank切换：通过设置选项字节或操作FLASH_CR寄存器，系统可从Bank1或Bank2启动。
- 原子切换：切换操作在重启后生效，利用复位向量表重映射实现。
- 独立擦写：一个Bank擦写时，另一个Bank可正常执行代码（需注意总线访问）。
硬件连接上，无需额外电路，但需确保电源稳定（建议加掉电检测电路，如通过ADC监测VDD）。
三、总体策略设计
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分区规划：
- Bank1（0x08000000）：当前运行区（App1）
- Bank2（0x08040000）：待升级区（App2）
- 末尾预留标志区（如0x0807F000）存储状态标志。
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状态标志：
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0xA5A5A5A5：Bank1有效，Bank2无效 -
0x5A5A5A5A：Bank2有效，Bank1无效 -
0x00000000：升级中（无效状态）
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升级流程：
- 接收新固件，写入非活动Bank（如当前运行Bank1，则写Bank2）。
- 每写一页校验CRC或哈希。
- 全部写入后，设置标志为“Bank2有效”，然后软复位。
- Bootloader检查标志，跳转到对应Bank。
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掉电恢复：
- 若写入中途掉电，标志仍为“Bank1有效”，重启后继续运行旧固件。
- 若标志已更新但新固件校验失败，Bootloader可回滚标志并启动旧Bank。
四、代码实现（基于STM32F4 HAL库）
1. Flash配置（启用双Bank）
// 在系统初始化时调用，设置双Bank模式
void Flash_EnableDualBank(void) {
FLASH_OBProgramInitTypeDef obInit;
HAL_FLASH_Unlock();
HAL_FLASH_OB_Unlock();
obInit.OptionType = OPTIONBYTE_BANK;
obInit.BANK = FLASH_BANK_1; // 或FLASH_BANK_2，取决于当前配置
obInit.BankConfig = FLASH_BANK_DUAL; // 启用双Bank
HAL_FLASH_OBProgram(&obInit);
HAL_FLASH_OB_Lock();
HAL_FLASH_Lock();
// 需要重新上电或复位生效
NVIC_SystemReset();
}
2. 写入固件到目标Bank
#define APP1_ADDR 0x08000000
#define APP2_ADDR 0x08040000
#define FLASH_PAGE_SIZE 2048 // 根据型号调整
uint32_t Write_Firmware(uint8_t *data, uint32_t len, uint8_t bank) {
uint32_t addr = (bank == 1) ? APP1_ADDR : APP2_ADDR;
uint32_t page_num = (len + FLASH_PAGE_SIZE - 1) / FLASH_PAGE_SIZE;
HAL_FLASH_Unlock();
for (uint32_t i = 0; i < page_num; i++) {
// 擦除页
FLASH_EraseInitTypeDef erase;
erase.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
erase.Banks = (bank == 1) ? FLASH_BANK_1 : FLASH_BANK_2;
erase.Page = i;
erase.NbPages = 1;
uint32_t pageError = 0;
if (HAL_FLASHEx_Erase(&erase, &pageError) != HAL_OK) {
HAL_FLASH_Lock();
return 1;
}
// 写入数据（按双字对齐）
for (uint32_t offset = 0; offset < FLASH_PAGE_SIZE; offset += 8) {
uint64_t data64 = 0;
memcpy(&data64, data + i*FLASH_PAGE_SIZE + offset, 8);
if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_DOUBLEWORD, addr + i*FLASH_PAGE_SIZE + offset, data64) != HAL_OK) {
HAL_FLASH_Lock();
return 2;
}
}
}
HAL_FLASH_Lock();
return 0;
}
3. 设置启动标志并切换Bank
#define FLAG_ADDR 0x0807F000
#define FLAG_BANK1_VALID 0xA5A5A5A5
#define FLAG_BANK2_VALID 0x5A5A5A5A
void Set_BootFlag(uint32_t flag) {
HAL_FLASH_Unlock();
// 擦除标志页
FLASH_EraseInitTypeDef erase;
erase.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
erase.Banks = FLASH_BANK_2; // 标志区位于Bank2末尾
erase.Page = (FLAG_ADDR - 0x08000000) / FLASH_PAGE_SIZE;
erase.NbPages = 1;
uint32_t pageError;
HAL_FLASHEx_Erase(&erase, &pageError);
// 写入标志
uint64_t data = flag;
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_DOUBLEWORD, FLAG_ADDR, data);
HAL_FLASH_Lock();
}
void Jump_To_App(uint8_t bank) {
uint32_t app_addr = (bank == 1) ? APP1_ADDR : APP2_ADDR;
// 检查栈顶地址是否合法
if (*(uint32_t*)app_addr > 0x20000000 && *(uint32_t*)app_addr < 0x20020000) {
// 设置主栈指针
__set_MSP(*(uint32_t*)app_addr);
// 跳转到复位向量
void (*app_reset)(void) = (void (*)(void))(*(uint32_t*)(app_addr + 4));
app_reset();
}
}
4. Bootloader主逻辑
void Bootloader_Main(void) {
uint32_t flag = *(uint32_t*)FLAG_ADDR;
if (flag == FLAG_BANK2_VALID) {
// 验证Bank2固件（如CRC）
if (Verify_Firmware(APP2_ADDR) == 0) {
Jump_To_App(2);
} else {
// 校验失败，回滚
Set_BootFlag(FLAG_BANK1_VALID);
Jump_To_App(1);
}
} else {
// 默认运行Bank1
Jump_To_App(1);
}
}
五、注意事项
- 中断向量表重映射：App固件需在启动时设置SCB->VTOR为自身Bank起始地址，否则中断异常。
- Flash擦写时间：双Bank擦写时，若代码从另一Bank执行，需确保总线不冲突（F4支持并行访问）。
- 掉电检测：建议在升级前检测电压，低于阈值时暂停写入。
- 标志区可靠性：标志写入前先擦除，且使用双字写入，防止半字写入掉电。
- 固件校验：写入时逐页计算CRC，并在跳转前整体校验，避免损坏固件运行。
- 测试回滚：实际测试中，模拟写入中途断电，验证设备能正常回退。
六、总结
双Bank Flash方案通过空间换可靠性，结合标志位和Bootloader跳转，实现了OTA升级的原子性。即使升级过程中掉电，设备也能自动回退到旧版本，彻底解决变砖问题。该策略在工业、物联网等领域具有极高实用价值，是嵌入式OTA设计的核心进阶技术。