DFU/MCUboot 学习笔记

概述

DFU (Device Firmware Upgrade) 和 MCUboot 是 Nordic 设备固件升级的核心技术。

MCUboot 简介

什么是 MCUboot？

MCUboot 是一个开源的、安全的引导加载程序，专为 32-bit 微控制器设计。

核心功能：

固件镜像验证
安全启动
固件升级（A/B 分区交换）
镜像加密支持

启动流程

设备上电 → NSIB (第一级引导) → MCUboot (第二级引导) → 应用程序

Flash 分区布局

双槽架构 (Dual-Slot)

┌─────────────────────────────────┐
│ 0x0: mcuboot (引导程序)          │
├─────────────────────────────────┤
│ Primary Slot (当前运行的固件)    │
│ - mcuboot_pad                   │
│ - app (应用程序)                 │
├─────────────────────────────────┤
│ Secondary Slot (新固件暂存)      │
└─────────────────────────────────┘

分区类型

分区	用途
mcuboot	引导加载程序代码
mcuboot_primary	主槽 - 运行中的应用
mcuboot_secondary	副槽 - 新固件下载区
mcuboot_pad	镜像头/签名区

升级方式

1. Image Swap (镜像交换)

1. 新固件写入 Secondary Slot
2. MCUboot 验证镜像签名
3. 重启时交换 Primary/Secondary
4. 运行新固件

2. Direct XIP (直接执行)

无需交换镜像
副槽中的固件直接执行
节省交换时间和 Flash 磨损

3. Single Application Slot

仅使用主槽
适用于内存受限设备
无回滚能力

DFU 传输方式

方式	协议	适用场景
UART	SMP over Serial	有线调试
USB	SMP over USB CDC	有线调试
BLE	SMP over Bluetooth LE	OTA 升级
LTE/WiFi	HTTP/HTTPS	IoT 云升级

关键 API

DFU Target 库

// 初始化 DFU 目标
int dfu_target_init(int img_type, int img_num, size_t file_size);

// 获取已下载偏移
int dfu_target_offset_get(size_t *offset);

// 写入固件块
int dfu_target_write(const void *buf, size_t len);

// 完成下载
int dfu_target_done(bool successful);

// 调度更新
int dfu_target_schedule_update(int img_num);

典型升级流程

// 1. 初始化
dfu_target_init(img_type, 0, file_size);

// 2. 分块写入
while (data_remaining) {
    dfu_target_write(chunk, chunk_size);
}

// 3. 完成下载
dfu_target_done(true);

// 4. 标记更新
dfu_target_schedule_update(0);

// 5. 重启设备
sys_reboot(SYS_REBOOT_COLD);

配置选项

启用 MCUboot (prj.conf)

# 启用 MCUboot
CONFIG_BOOTLOADER_MCUBOOT=y

# 启用 DFU Target
CONFIG_DFU_TARGET=y

# 启用 MCUMgr (SMP 协议)
CONFIG_MCUMGR=y
CONFIG_MCUMGR_TRANSPORT_BT=y

# 启用设置存储（断电恢复）
CONFIG_SETTINGS=y
CONFIG_DFU_TARGET_STREAM_SAVE_PROGRESS=y

镜像签名

# 生成签名密钥
imgtool keygen -k sign.key -t rsa-2048

# 签名固件
imgtool sign --key sign.key --header-size 0x200 \
  --align 8 --version 1.0.0 --slot-size 0x7a000 \
  app.bin app_signed.bin

工具

nRF Connect Device Manager

手机 App
支持 BLE OTA 升级
扫描、连接、上传固件

nRF Util (命令行)

# 通过 UART 升级
nrfutil dfu serial -pkg app.zip -p /dev/ttyACM0

# 通过 BLE 升级
nrfutil dfu ble -pkg app.zip -d <device_addr>

MCU Manager (mcumgr)

# 列出连接的设备
mcumgr conn add acm0 type="serial" connstring="dev=/dev/ttyACM0,baud=115200"

# 查询镜像信息
mcumgr -c acm0 image list

# 上传固件
mcumgr -c acm0 image upload app.bin

# 标记镜像为待启动
mcumgr -c acm0 image test <hash>

# 重启设备
mcumgr -c acm0 reset

多镜像更新

nRF54L/nRF5340 等多核芯片支持同时更新多个镜像：

应用核固件
网络核固件
调制解调器固件

// 更新应用核
dfu_target_init(DFU_TARGET_IMAGE_TYPE_MCUBOOT, 0, app_size);
// ... 写入应用镜像 ...

// 更新网络核
dfu_target_init(DFU_TARGET_IMAGE_TYPE_MCUBOOT, 1, net_size);
// ... 写入网络镜像 ...

// 一次性调度所有更新
dfu_target_schedule_update(-1);  // -1 = 所有镜像

安全特性

镜像签名验证

RSA-2048 / RSA-3072
ECDSA P-256 / P-384
Ed25519

防降级保护

# 启用硬件单调计数器
CONFIG_BOOT_HW_ROLLBACK_PROT=y

镜像加密

# 启用镜像加密
CONFIG_BOOT_ENCRYPT_RSA=y
# 或
CONFIG_BOOT_ENCRYPT_EC256=y

调试技巧

查看 MCUboot 日志

CONFIG_BOOT_SERIAL_LOG_LEVEL_DBG=y
CONFIG_MCUBOOT_LOG_LEVEL_DBG=y

分区报告

west build -t partition_manager_report

常见错误

错误	原因	解决
`BOOT_MAX_IMG_SECTORS too small`	扇区数不足	增加 CONFIG_BOOT_MAX_IMG_SECTORS
`Cannot upgrade: not a compatible`	外部 Flash 驱动未启用	检查 QSPI 驱动配置
`Signature verification failed`	签名密钥不匹配	检查签名密钥配置

示例项目

smp-svr 示例

位置：zephyr/samples/subsys/mgmt/mcumgr/smp_svr

功能：

UART + BLE 双通道 SMP 服务
支持镜像查询、上传、测试、确认

构建命令

# nRF52840 DK
west build -b nrf52840dk/nrf52840 samples/subsys/mgmt/mcumgr/smp_svr

# nRF54L15 DK
west build -b nrf54l15dk/nrf54l15/cpuapp samples/subsys/mgmt/mcumgr/smp_svr

*小白 🤖 - 2026-03-18*