什么是OTA升級技術(shù)呢？OTA升級的原理和實(shí)現(xiàn)方式

前言：

在平常的項(xiàng)目開發(fā)和調(diào)試中，下載程序一般使用的是外部下載器或者串口的方式實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的程序下載和刷新，這種方法在項(xiàng)目的開發(fā)階段是常用的方式。

但是當(dāng)項(xiàng)目開發(fā)完成推向市場的時(shí)候，很多時(shí)候需要對產(chǎn)品進(jìn)行升級，而這個(gè)時(shí)候產(chǎn)品又已經(jīng)是加了外殼的或者被封裝起來了，一般也不會在外面預(yù)留出來下載接口之類的。

如果這個(gè)時(shí)候我想要更新產(chǎn)品的程序的話，可能就得要重新打開產(chǎn)品的外殼，然后通過下載器更新程序，更新完成之后再把外殼裝上，這種做法顯然是不太現(xiàn)實(shí)的。但是我們又必須要給產(chǎn)品進(jìn)行升級，那該怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候就可以考慮使用產(chǎn)品本身預(yù)留的一些外部通信接口（如：USB、RS232、ES485、以太網(wǎng)口等）或者內(nèi)部無線（如：wifi、藍(lán)牙、4/5G網(wǎng)絡(luò)）等對產(chǎn)品進(jìn)行升級。

上面介紹的這種通過外部有線接口或者無線通信的方式進(jìn)行的更新其實(shí)是一種在線更新的方式，即OTA升級技術(shù)。

那問題來了，到底什么是OTA升級技術(shù)呢？待我慢慢道來！

1、OTA 在線升級

OTA：Over-the-Air Technology，字面意思理解：空中下載技術(shù)。

OTA 在線升級：通過OTA的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品軟件更新的一種方式。

所以，簡單而言，通過外部的方式（有線 / 無線）對產(chǎn)品進(jìn)行更新，而不是用傳統(tǒng)的編程器刷入固件的方式就可以稱之為 OTA 在線升級。

嚴(yán)格意義上來講，OTA 指的是空中下載，即只有通過無線的方式進(jìn)行更新的才稱之為 OTA 升級；而那種通過外部的接口接線來實(shí)現(xiàn)的更新，應(yīng)該稱之為本地升級。這兩者還是有點(diǎn)區(qū)別的，只是一般我們都沒有那么嚴(yán)格去區(qū)分罷了！

2、實(shí)現(xiàn)方式

那既然理解了升級的概念了，該怎么去實(shí)現(xiàn)呢？

我們一般的做法是會將這個(gè)升級功能進(jìn)行劃分，分為兩部分：

1） 接收新的升級固件并完成新舊固件的替換，這部分代碼為 BootLoader；

2） 產(chǎn)品功能的正常程序，用于執(zhí)行各種應(yīng)用功能，這部分程序稱為 App。

那就是說，要實(shí)現(xiàn)在線升級，就需要準(zhǔn)備兩份程序，一份是BootLoader ，另一份是App。其中 bootloader 用于將外部傳入的新固件（應(yīng)用程序App）接收到內(nèi)部并存儲，接收完成以后，由 bootloader 用新接收到的固件去替換舊的固件，替換完成之后跳轉(zhuǎn)到新的應(yīng)用程序中進(jìn)行執(zhí)行。這樣就完成了產(chǎn)品的固件更新。

注意：需要將 bootloader 和應(yīng)用程序App的空間分開，兩者是不能發(fā)生重疊的。

3、操作方式

3.1、后臺式升級

后臺式升級的意思是：在進(jìn)行升級的時(shí)候，接收新固件包的方式是在后臺進(jìn)行的，不會影響功能的正常執(zhí)行。等到固件更新完成之后，再跳轉(zhuǎn)到Bootloader中去用新的固件替換舊的固件，替換完成之后呢再跳轉(zhuǎn)到App去執(zhí)行。

比如，現(xiàn)在的智能手機(jī)的在線更新就是后臺式升級的方式。在你升級系統(tǒng)的時(shí)候，接收升級包的過程中，你還是可以正常使用的手機(jī)的，打電話、看視頻、玩游戲等都不耽誤，直到下載完成，你點(diǎn)擊了開始更新之后，手機(jī)才進(jìn)入更新狀態(tài)，不讓你操作，等更新完畢之后重啟就又可以繼續(xù)操作了。

3.2、非后臺式式更新

非后臺式升級的意思是：在進(jìn)行升級的時(shí)候，接收固件時(shí)需要跳轉(zhuǎn)到Bootloader，這個(gè)時(shí)候你不能在使用這個(gè)產(chǎn)品的任何功能，只能一直等著它接收并完成更新，完成之后你才能繼續(xù)操作其他的功能。

4、STM32 的在線升級

本文以STM32為例展開講解怎么實(shí)現(xiàn)OTA升級和操作的方法。

4.1、劃分 Flash 區(qū)域

按照前面講述的有關(guān)在線升級的原理，我們知道是要準(zhǔn)備兩份代碼的，一份是BootLoader，另外一份是App。由于這兩份代碼在STM32中都是要存放在Flash中的，而且它們的空間還不能重疊，要獨(dú)立區(qū)分開。

所以，按照這個(gè)原則，我們可以考慮在Flash中分三個(gè)區(qū)域出來，如下圖所示：

上圖中的三塊Flash分別用于：

（1）用于存放Bootloader程序；

（2）用于存放應(yīng)用程序；

（3）用于存放接收到的新固件。（注：這部分可要可不要，根據(jù)你的設(shè)計(jì)選擇）

注意：上圖中（3）這個(gè)Flash區(qū)域是考慮用于保存在線升級的固件的，作為備份固件。方便用于以后系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，可以從這個(gè)備份固件中重新加載到App中，防止固件丟失！

4.2、實(shí)操1 - Flash空間地址的劃分

首先，我們要知道，在stm32中，flash的地址空間是從0x08000000開始的，在keil中也是默認(rèn)的從這個(gè)位置開始的。

一般而言，Bootloader 是在上電時(shí)默認(rèn)開始執(zhí)行，因此將Bootloader程序可以存放到STM32默認(rèn)執(zhí)行的位置（keil編譯器默認(rèn)從0x08000000地址開始存放）。

應(yīng)用程序從 Bootloader 后開始存放即可，只要不和BootLoader發(fā)生沖突即可。

假設(shè) Bootloader 的大小為10k，即0x2800字節(jié)，那么可以選取 0x08000000 ~ 0x08002800 地址范圍作為BootLoader的存放區(qū)域。

應(yīng)用程序從0x08005000開始存放（至于選多大的范圍，要根據(jù)你的應(yīng)用程序大小進(jìn)行考慮，建議保留一些余量）。

劃分如下圖所示：

4.3、實(shí)操2 - 設(shè)置工程

（1）設(shè)置起始地址和大小

準(zhǔn)備兩個(gè)工程，一個(gè)是bootloader的程序，另外一個(gè)是應(yīng)用程序的工程，并對工程進(jìn)行設(shè)置。bootloader選擇默認(rèn)執(zhí)行的位置，應(yīng)用程序根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置開始存放到flash指定的位置。

比如：App的起始地址設(shè)為0x08005000，大小設(shè)為0x1B000（RAM總大小0x20000-0x5000）。設(shè)置如下圖：

BootLoader 也是一樣的設(shè)置方式，只是地址不同而已。

（2）生成 bin 文件

另外需要注意的，應(yīng)用程序需要轉(zhuǎn)換為bin文件才可以寫入Flash中，能發(fā)送到產(chǎn)品中的固件也是要先轉(zhuǎn)為bin格式的文件的。

編譯器可以選擇生成hex文件，再把hex文件轉(zhuǎn)換為bin文件。還可以使用簡單方法，MDK-Keil中點(diǎn)開User選項(xiàng)卡，設(shè)置如下圖：

即在編譯后直接執(zhí)行fromelf.exe命令將.axf文件轉(zhuǎn)換為.bin文件。生成的bin文件在工程目錄下的out文件夾下。

4.4、實(shí)操3 - 接收固件更新包

接收固件更新包的話，就要根據(jù)你的實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行選擇了。

首先，如果你是后臺式更新的話，那接收固件更新包的功能就要在App中實(shí)現(xiàn)；如果你是非后臺式更新的話，那接收固件更新包的功能就要在BootLoader中實(shí)現(xiàn)。

其次，要考慮接收固件更新包的方式。無線的話用的是wifi、藍(lán)牙、4/5G網(wǎng)絡(luò)還是啥的；有線的話用的是串口UART、Spi、IIC、CAN、以太網(wǎng)還是啥的。

最后，最好的方式是能夠?qū)邮盏降墓碳掳鲆粋€(gè)校驗(yàn)，防止數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致升級后出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

注意：BootLoader 需要提前刷入，不然無法完成在線升級！

4.5、實(shí)操4 - 拷貝程序至Flash

接收成功固件包之后，需要將數(shù)據(jù)寫入到 Flash 的指定位置（比如 0x08005000）完成固件的更新程序?qū)懭搿?/p>

STM32對Flash的操作過程如下：

1） Flash解鎖。（FlashUnclock）

4.6、實(shí)操5 - 跳轉(zhuǎn)至 App 應(yīng)用程序

將接收到應(yīng)用程序全部正確寫入Flash的App指定位置后，Bootloader 需要完成跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序App的開始位置的操作。

跳轉(zhuǎn)過程如下：

1）關(guān)閉中斷，防止在跳轉(zhuǎn)過程中有中斷發(fā)生。

4.7、特別注意 - 設(shè)置向量中斷表偏移

這個(gè)跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序之后，有一個(gè)非常重要的事情要注意，就是要重新設(shè)置App的中斷向量表，否則不能正常運(yùn)行的。

首先要理解STM32的正常運(yùn)行是怎么樣的，如下圖所示：

STM32的內(nèi)部閃存（FLASH）的地址默認(rèn)是從0x8000000開始的，默認(rèn)也是從這個(gè)位置開始執(zhí)行程序的。并且在STM32的內(nèi)部有一張 “中斷向量表” 用于響應(yīng)中斷，程序在啟動以后首先會從中斷向量表取出復(fù)位中斷程序，執(zhí)行完復(fù)位中斷程序以后才會跳轉(zhuǎn)到main( )函數(shù)開始執(zhí)行。

中斷向量表的位置從0x8000004開始，如果采用的是bootloader和應(yīng)用程序的方式的話，bootloader一般放在默認(rèn)開始的位置，所以它的中斷向量表還是正確的。

而APP應(yīng)用程序是放置在其他的位置，那么APP應(yīng)用程序部分的中斷向量表就要發(fā)生偏移，才能為應(yīng)用程序找到并響應(yīng)中斷。

在應(yīng)用程序中，與程序跳轉(zhuǎn)需要注意的是，單片機(jī)從Bootloader程序跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序的復(fù)位向量處開始執(zhí)行，單片機(jī)在執(zhí)行main函數(shù)之前會執(zhí)行一些系統(tǒng)初始化程序。在系統(tǒng)初始化函數(shù)void SystemInit (void)；在該函數(shù)中有對中斷向量表的設(shè)置，如下：

在上圖中VECT_TAB_OFFSET默認(rèn)為0x0，而應(yīng)用程序的中斷向量表需要定位到0x08005000，因此這里需要將VECT_TAB_OFFSET值修改為0x5000。（這里可能跟跳轉(zhuǎn)程序中的設(shè)置中斷向量表的過程重復(fù)，所以需要慎重考慮）。

如下：

 /* Configure the Vector Table location add offset address -配置中斷向量表的起始地址-*/

修改這個(gè)偏移：

#define VECT_TAB_OFFSET  0x5000 /*向量表基本偏移量字段。此值必須是0x200的倍數(shù) */

注意：這個(gè)中斷向量表的偏移一定要在初始化階段去完成！

到此，在線升級的原理和STM32的操作已經(jīng)講完，如果有講的不正確的地方，還請指正！