一文解析FreeRTOS的OTA特性使用技巧與訣竅

Amazon FreeRTOS 可幫助開發(fā)人員簡化將物聯(lián)網 (IoT) 設備連接到云的過程。然而，即使有更簡單的云連接，許多開發(fā)人員面臨的一個主要障礙仍然是如何現場升級其設備的固件。

固件升級常常利用引導程序完成；基于設備架構和可用的通信外設，引導程序可能有多種不同形式。引導程序很普遍，幾乎所有嵌入式系統(tǒng)中都有包括，因此開發(fā)人員需要利用現有解決方案，而不是從頭開始開發(fā)。這樣，他們可以將更多時間投入到產品的差異化和特性上。

本文將探討開發(fā)人員如何利用內置于 Amazon FreeRTOS (a:FreeRTOS) 中的引導程序功能（常被稱為空中升級 (OTA)），來快速實現在其物聯(lián)網設備上運行引導程序解決方案。

Amazon FreeRTOS 的 OTA 升級概述

Amazon FreeRTOS 是一種實時操作系統(tǒng)，其中包含了輕松連接 Amazon Web Services (AWS) 所需的全部庫。Amazon FreeRTOS 本質上是 FreeRTOS 內核，現已包含連接和安全庫，以方便與 AWS 進行安全通信。OTA 特性包含在單獨的 OTA 庫中，必須單獨配置才能包含在 a:FreeRTOS 下載中。

a:FreeRTOS OTA 升級服務包含必要的軟件以便開發(fā)人員可以執(zhí)行如下操作：

• 部署前對固件進行數字簽名和加密
• 將新固件映像安全地部署到單一設備、設備組或整個設備集群
• 當設備加入組中、重新啟動或重新配置時，將固件部署到設備中
• 將新固件部署到設備后驗證其真實性和完整性
• 監(jiān)視部署進度
• 調試失敗的部署

這些特性通過運行各種 AWS 服務來提供，例如：

• OTA 管理器服務
• AWS IoT 作業(yè)服務
• 串流服務
• Amazon FreeRTOS 代碼簽名服務
• OTA 庫和代理

對開發(fā)人員而言，讓所有這些部分協(xié)同工作所需的步驟是相當多的，無法在一篇文章中詳細說明。本文將重點介紹如何入門，以及關于在實驗室中成功設置 a:FreeRTOS 的一些經驗教訓和訣竅。

選擇 OTA 測試硬件

a:FreeRTOS 目前支持多種開發(fā)板。它支持的開發(fā)套件包括：

• Texas Instruments的 SimpleLink Wi-FiCC3220SF Wireless LaunchPad開發(fā)套件
• Microchip Technology的PIC32MZEF Curiosity開發(fā)套件
• STMicroelectronics的STM32L4 Discovery 套件IoT 節(jié)點
• NXP Semiconductors的 LPC54018 IoT 模塊
• Espressif Systems的ESP32-DEVKITC開發(fā)套件

圖 1：Texas Instruments 的 CC3220SF-LaunchXL 是一個可以啟動 Amazon FreeRTOS OTA 的全集成解決方案。該微控制器集成一個 Wi-Fi 模塊，最大限度地減小了物理尺寸并降低能耗。（圖片來源：Texas Instruments）

出于多方面原因，本文將重點介紹 SimpleLink Wi-Fi CC3220SF。首先，CC3220SF 是目前唯一集成了 Wi-Fi 模塊的 a:FreeRTOS 微控制器。雖然其他開發(fā)板具有板載 Wi-Fi 模塊，但 CC3220SF 通過將控制器和 Wi-Fi 功能集成在單一芯片中，節(jié)省了電路板空間和能耗。

其次，CC3220SF 的外部存儲設備可以存儲固件映像并在引導過程中恢復映像，因此其安全特性很有意義且更為復雜。如果讀者能夠在 CC3220SF 上成功設置 OTA，那么在其他平臺上將不會有任何問題。

最后，CC3220SF 是 OTA 演示應用支持的第一款處理器，因此設計人員可以放心，處理器在 CC3220SF 上已經過全面審查。

圖 2：J-Link Ultra+是一款全功能專業(yè)調試器，其特性包括無限制斷點，以及極快的 SWO 和接口時鐘速率。開發(fā)人員可以利用 J-Link Ultra+ 執(zhí)行應用跟蹤，以便了解 OTA 示例如何工作。（圖片來源：Segger Microcontroller Systems）

除了選擇開發(fā)板之外，開發(fā)人員可能還需放棄板載編程器，而使用專業(yè)編程器，例如 Segger Microcontroller Systems 的 J-Link Ultra+。專業(yè)編程器會降低程序速度并提供額外的調試功能，例如應用跟蹤和 RTOS 感知調試，這對理解黑盒應用非常重要。開發(fā)人員也可利用Tag-Connect的TC201510 引腳釘式插頭，輕松將編程器連接到目標板。調試器上可能需要TC2050-ARM201020 引腳適配器來轉接 TC2050，以便連接板側電纜。

圖 3：Tag-Connect 的 TC2050-IDC 10 引腳釘式插頭（左）是一種適配器電纜，可將開發(fā)板或生產電路板上的連接器基底面減到最小。與 SEGGER J-LINK 一起使用時，可能需要 TC2050-ARM2010 20 引腳適配器來轉接 TC2050。（圖片來源：Tag-Connect LLC）

配置 Amazon FreeRTOS 以實現 OTA 升級

默認情況下，OTA 庫未包含在預配置的 a:FreeRTOS 包中。開發(fā)人員必須手動配置這些庫和應用。首先，應登錄AWSIoT 控制臺并進入 Amazon FreeRTOS 菜單。然后，開發(fā)人員可以點擊“Create new（新建）”按鈕開始創(chuàng)建自定義配置（圖 4）。

圖 4：在 AWS IoT 控制臺中，通過單擊軟件配置菜單中的“Create new（新建）”按鈕可以自定義 a:FreeRTOS 設備軟件。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

在配置過程中，開發(fā)人員只需要設置幾項就能配置 OTA 特性。其中包括：

• 選擇硬件
• 選擇所包含的 a:FreeRTOS 庫
• 設置配置名稱

對于本例，開發(fā)人員選擇 CC3220SF-LAUNCHXL（圖 5）。以這種方式選擇硬件平臺將會引入所有特定于電路板的文件，包括驅動程序。但是，選擇電路板并不會自動引入 OTA 特性。在庫部分，開發(fā)人員需要添加 OTA 庫（如圖 6 所示）。這將包含所有 OTA 庫，包括開發(fā)人員可以參考或采納的演示示例。

圖 5：選擇將要配合 a:FreeRTOS OTA 特性使用的硬件配置。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

圖 6：將 OTA 升級庫添加到 a:FreeRTOS 配置中。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

完成此操作后，開發(fā)人員便可創(chuàng)建配置并下載，然后將 aws_demo 項目導入代碼調試器。

設置 OTA 示例代碼

一旦導入 aws_demos OTA 示例，便需要執(zhí)行若干任務。首先，配置終端、證書和安全密鑰。這可以按照 a:FreeRTOS入門指南中的步驟完成。遵循該指南并按原樣運行 aws_demos 項目，以便確認已連接到 AWS，然后再執(zhí)行其他操作。

接下來，修改 OTA 演示非常簡單。打開 aws_demo_runner.c 模塊，找到位于模塊末尾的 DEMO_RUNNER_RunDemos 函數。應對 vStartMQTTEchoDemo 調用添加注釋，而 vStartOTAUpdateDemoTask 調用則取消注釋。然后進行快速編譯以構建項目，在引導程序功能啟用的情況下，項目便可執(zhí)行。

圖 7：將 OTA 演示任務添加到 aws_demos 應用中。（圖片來源：a:FreeRTOS 示例代碼）

配置 Amazon Web Services 以實現 OTA

對嵌入式軟件開發(fā)人員而言，要運行 OTA 示例，進行到這一步驟時將涉及到云端。為了成功運行 OTA 示例，開發(fā)人員需要根據 OTA 先決條件指南配置 AWS。這要求開發(fā)人員：

• 創(chuàng)建 Amazon S3 存儲桶
• 授予 AWS 帳戶 OTA 升級權限
• 創(chuàng)建 OTA 服務角色
• 創(chuàng)建 OTA 用戶策略
• 授予訪問代碼簽名服務的權限

完成這些操作后，依照最終的用戶指南說明運行 OTA a:FreeRTOS 示例。

Amazon FreeRTOS 的 OTA 特性使用技巧與訣竅

使用 a:FreeRTOS 中包含的引導程序功能時，為盡量減少潛在問題，開發(fā)人員可以采用以下幾點技巧和訣竅。其中包括：

• 閱讀“使用 Amazon FreeRTOS 連接到云”以獲取關于如何使用 FreeRTOS 的一般技巧和信息。
• 通讀 Amazon OTA 說明文檔（詳見此處）。
• 在開發(fā)過程中，購買六片開發(fā)板并將它們分成三組，每組兩片。這樣便可試驗現場升級設備和組可采用的不同方法。
• 首先將固件升級部署到較小的設備組，以確保固件升級沒有問題，然后才升級整個設備集群。
• 利用 AWS Amazon Certificate Manager 創(chuàng)建證書并給固件簽名?？梢允褂玫谌?a target="_blank">認證機構，但如果全部在 AWS 內完成，該過程會比較簡單。
• 考慮將 PIC32MZEF Curiosity 板用于 OTA 實驗，因為它是第二款支持 OTA 測試版演示的 a:FreeRTOS 開發(fā)套件。

總結

Amazon FreeRTOS 生態(tài)系統(tǒng)為開發(fā)人員提供了一個現場升級固件的范例。對于可能有不同需求或系統(tǒng)配置的開發(fā)人員，此范例可以輕松擴展。利用現有引導程序可為開發(fā)人員節(jié)省大量開發(fā)時間，以便其專注于產品差異化和價值主張。

如本文所述，Amazon FreeRTOS 的確可提供空中升級解決方案，該方案目前用于 Texas Instruments CC3220，而未來無疑將可用于其他 Amazon FreeRTOS 產品。