嵌入式设备OTA空中升级原理

Posted 2022-05-26 strongerHuang

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转自 | 嵌入式系统

1. 背景

没有完美的软件，因为设计缺陷、业务需求更新，软件始终都在不断升级完善。新软件如何替换正在运行的旧软件就是本文关注的重点，尤其是针对电子产品，设备空中升级OTA，受限于硬件资源，需要选择不同的方案进行软件升级。

2. 空中升级流程

在线升级流程，简化就是设备运行旧软件的同时，获取新软件包，再执行特殊操作使用新软件覆盖旧软件，最后运行新软件。根据硬件资源和系统整体框架，选择不同的升级方案，方案需要结合实际选择最佳的，技术层面是次要的。

3. 空中升级的方案

3.1. 整包升级

以STM8单片机升级为例，单片机最小系统运行流程如下：要加入在线升级功能，就需要将主应用程序拆分，类似有2套程序在设备内运行，标准称呼是bootload+app，其中bootload始终不变，它接收新软件包并覆盖app区域。

硬件限制	解决方案
单片机自身没有网络连接功能，只能基于外挂的网络模块从远端服务器下载新软件包，再通过串口传输给单片机	由外挂主机下载新软件包，并通知单片机进入升级模式
单片机内部RAM小，不能进行复制运算或者缓存大量数据；单片EEPROM小，不能保存完整的新软件包	只能在Bootload期间分段接收新软件并立刻写入flash

整体方案如下图：

难点与风险

1. 单片机在app收到升级请求，需要重启进入bootload，对于以单片机为主控的设备，需要保证单片机重启期间网络模块不断电，所以因升级进入bootload要立刻恢复网络模块主机供电,必要时需要硬件支持。

2. 单片机ram和rom有限，采用分段接收新软件包，直接写入flash，因此在应用层协议上需要确保数据包不会错误或遗漏或重发，目前采用Ymodem协议居多。升级包需要转成bin文件，单片机接收后写到app的起始地址。

3. 单片机分段接收后写入flash，整个过程需要10秒以上，期间如果断电，单片机软件的app处于损坏状态，需要单片机有超时机制重启，再次开启升级并主动要求网络模块重传新软件包。

4. 一般PC软件无需考虑内存和存储空间，也是采用整包升级，两个文件同时保存。例如app.exe运行时下载新的app_new.exe，下载校验后，app.exe自毁删除自身，然后将app_new.exe重命名为app.exe并启动。

3.2. 差分升级

差分升级软件框架同整包升级一样，区别在于新软件包的提供方式不同。单片机软件一般不超过50KB，复杂微处理器的软件一般都比较大，但其RAM也大，下载完整的新软件包耗时长且浪费流量，因此可以基于新旧两版软件的差异，将差异文件传给设备，由设备运算还原出新软件包升级。

难点与风险

1. 差分包的制作与还原算法验证，在bootload还原出新软件包时考虑到RAM，差分包是按块生成，还原也是按块执行，每块新软件写入前，需要先备份旧块，防止异常断电无法还原。万一出现异常，重启还是进入bootlaod，查询上次已经还原到第几块，继续后面操作。有些为了再次减小差分包大小，还会对文件进行压缩，还原前先解压。

2. 升级时，必须保证生成的差分包是基于当前设备内运行的版本，如设备运行V01，但是提供的差分包却是基于V02到V03的，则会导致异常。或者在文件中预设特殊版字符，版本匹配才进行差分还原升级。而整包没有该缺点，只要bootlaod正常，任意app软件版本可以互相升级。

3.3. 动态加载

动态加载在PC软件中很常见，多个exe可执行文件共用dll库文件，这样exe文件很小，缺点是要保证exe正常运行，需要在指定的路径下存放dll文件。对嵌入式平台，动态加载的可以理解为始终保持底层基础框架不变，修改或替换不同的上层业务逻辑，实现不同的效果。为保证底层和上层之间调用关系，必须固定部分接口地址，也就是两者中间的接口映射，主要通过链接实现。嵌入式软件从源码到可下载到设备的映像文件，需要经过的步骤：动态加载就是在链接阶段，将上层代码obj编译成axf可动态加载的文件，而不是直接与其他obj合并成可执行文件。主要是使用armlink配置-entry指定映像文件的初始入口点或者在代码中使用#pragma arm section code关键字，保证动态的上层有固定的入口地址。凡是上层调用的底层接口，在编译阶段函数体指针都赋为空指令保证编译，后续再指向底层的真实地址。

其作用发生在系统启动阶段，从flash加载到内存，整个文件内的接口相对地址不变，整体偏移。这样，软件还是可以计算获取动态映像文件的入口地址。加载到内存区域，需确保该区域不会被占用，否则内存覆盖肯定会导致异常。

底层启动后，只能查到动态加载文件的入口函数，但实际底层与上层交互的接口肯定不止一个，而且上层也必然会调用底层接口，这就需要在第一个明确地址的函数体内实现上下层地址映射。这里有2种方案，一种是函数指针赋值，一种是根据字符串查找。底层需要给上层调用的接口，底层映射接口函数指针表，按固定顺序赋值给上层函数指针；或者底层只提供上层一个函数，但是改函数体内查字符串获取函数指针。这样实现上层调用事先固定的底层接口。

上层给底层提供的接口，也是提前固定的函数指针，也用上面的方法对接。接口映射的核心是动态加载块有一个函数的地址是链接时指定的，在这个函数内实现上下层函数映射。除函数外，全局变量也是同样的使用指针传递。

难点与风险

1. 前面2种使用bootload+app的方案，属于比较常规的方案，其本质是一块芯片运行2套互不干扰的软件，而动态加载的上下层之间有固定的接口，不能使用接口以外的交互。

2. 动态加载对链接和arm底层要求高，在升级方向应用较少，因为对软件开发接口使用存在限制，但动态加载实现了上下层隔离，避免代码调用混乱，也为跨平台、多语言开发提供了基础。

4. 结论

在线升级为了产品在不召回的情况下，以较低的成本解决售后问题；升级是为了解决问题，但是一旦失败则可能导致设备变砖。前期测试应选择不同设备模拟升级异常，如强制断电或软件包异常，设备必须有自我恢复的机制。

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