Pinetime智能手表Zephyr项目中的MCUboot无线固件升级指南

Pinetime智能手表Zephyr项目中的MCUboot无线固件升级指南

pinetime-zephyr pinetime smartwatch nrf52 zephyr 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/pi/pinetime-zephyr

概述

在嵌入式设备开发中，无线固件升级(FOTA)是一项关键技术，它允许设备在不物理接触的情况下接收并安装新固件。对于基于Zephyr操作系统的Pinetime智能手表项目，实现FOTA需要两个核心组件：

1. MCUboot - 一个轻量级的安全引导加载程序
2. SMP Server - 通过蓝牙传输固件更新的服务

本文将重点介绍MCUboot在Pinetime智能手表上的配置和使用方法。

MCUboot简介

MCUboot是一个开源的、跨平台的引导加载程序，专为微控制器设计。它具有以下特点：

• 支持安全启动验证
• 提供固件回滚机制
• 允许双固件镜像(主镜像和备用镜像)切换
• 体积小巧，适合资源受限设备

环境准备

安装依赖项

在开始使用MCUboot前，需要安装必要的Python依赖包：

pip3 install --user -r scripts/requirements.txt

这些依赖包括用于签名固件的工具和脚本运行所需的库。

构建MCUboot引导程序

构建步骤

1. 进入MCUboot的Zephyr目录
2. 创建并进入构建目录
3. 使用CMake配置Pinetime目标板
4. 使用Ninja进行构建

具体命令如下：

cd boot/zephyr
mkdir build && cd build
cmake -GNinja -DBOARD=pinetime ..
ninja

构建完成后，生成的二进制文件位于build/zephyr/目录下，包括：

• zephyr.bin - 二进制格式
• zephyr.hex - Intel HEX格式
• zephyr.elf - ELF格式

烧录引导程序

构建好的引导程序可以像普通应用程序一样烧录到设备中，但通常需要烧录到设备的特定地址（通常是起始地址）。

为MCUboot构建应用程序

必要配置

要使应用程序能被MCUboot引导，需要在项目的prj.conf配置文件中启用以下选项：

CONFIG_BOOTLOADER_MCUBOOT=y

这个配置会做以下工作：

1. 调整应用程序的内存布局，为引导程序预留空间
2. 生成适合MCUboot的镜像格式
3. 设置正确的向量表偏移

内存布局考虑

启用MCUboot后，应用程序的起始地址会自动偏移，为引导程序预留空间。对于Pinetime智能手表，典型的布局可能是：

• 0x0000-0xC000: MCUboot引导程序
• 0xC000-0x3F000: 主固件镜像(Slot 0)
• 0x3F000-0x72000: 备用固件镜像(Slot 1)

固件签名

签名的重要性

MCUboot支持对固件镜像进行加密签名验证，这是确保固件完整性和来源可信的关键安全措施。

使用示例密钥

MCUboot提供了开发用的示例密钥，位于root-rsa-2048.pem。开发阶段可以使用这些密钥，但生产环境必须使用自己的密钥。

签名命令示例：

./scripts/imgtool.py sign \
    --key root-rsa-2048.pem \
    --header-size 0x200 \
    --align 8 \
    --version 1.0.0 \
    --slot-size 0x3F000 \
    zephyr.bin signed.bin

生产环境密钥管理

对于生产环境：

1. 生成新的密钥对
2. 将公钥编译到MCUboot中
3. 安全保管私钥

烧录应用程序

由于引导程序已经占用设备的起始地址，应用程序需要烧录到偏移后的地址。对于Pinetime：

openocd -f interface/stlink-v2.cfg -f target/nrf52.cfg \
    -c "program application.bin 0xC000"

固件升级流程

1. 将新固件通过蓝牙传输到备用槽(Slot 1)
2. MCUboot验证新固件的签名
3. 如果验证通过，在下一次启动时将备用槽固件交换到主槽
4. 如果新固件启动失败，可以回滚到之前的版本

常见问题解决

1. 签名验证失败：检查使用的密钥是否与MCUboot中配置的一致
2. 烧录地址错误：确认应用程序烧录到了正确的偏移地址
3. 内存不足：检查固件大小是否超过了分配的槽大小

总结

通过MCUboot，Pinetime智能手表可以实现安全的无线固件升级功能。开发过程中需要注意正确的内存布局配置、固件签名和烧录地址。生产环境中务必使用自己的安全密钥，并妥善管理私钥。

MCUboot为嵌入式设备提供了可靠的启动和更新机制，是物联网设备安全性的重要组成部分。

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