WiFi物联中的OTA固件升级设计原理

本文由嵌入式企鹅圈原创团队成员-华南师范大学物联网创新中心Hende_Zhu先生执笔。

在物联网开发中，OTA升级是产品必备功能之一，本篇文章将以庆科EMW3165模块的OTA升级原型为例进行设计原理介绍，以及提供简单的STM32 DEMO实现帮助大家进一步理解。本文为分析WIFI模块固件升级，蓝牙BLE的固件升级设计和分析请看《固件空中升级（OTA）与固件二次引导的原理和设计》。

一、EMW3165硬件架构

（图片来自庆科官网）

         EMW3165内部集成了一个Cortex-M4微控制器以及一个无线射频芯片，其片内Flash容量为512K，RAM为128K，除此之外，通过SPI接口连接2M的片外Flash。现在物联网开发很多都采用这种类似的架构，或者是通过STM32外部连接WiFi模组联网，如串口等。

        OTA升级设计很重要的一个工作就是首先规划好Flash区域的布局，必须清晰地知道Bootloader, Application以及下载的.bin文件在Flash中放置的位置。

二、Bootloader和Application的角色

         OTA固件升级其实就是IAP应用编程，要完成固件升级需要设计两个程序，一个为Bootloader程序，另外一个为Application程序。通常我们是在Application程序中建立socket连接来发起HTTP请求去查询服务器是否有新的固件并进行下载的，并且在片外Flash中修改和存储固件的参数信息，而Bootloader程序主要检查固件的参数信息并且如果需要就负责将Application程序下载的固件从片外Flash搬运到片内Flash，然后跳到那里运行。

1.Bootloader角色主要完成的：

         1）读取固件参数信息；

         2）判断是否需要更新，如果不需要直接跳到Application区域执行；

         3）如果需要更新，则将固件搬到Application区域，并且更新固件参数信息（表示已将更新过该固件了），最后跳到Application区域执行。

         当然，在搬运固件前还需要进行校验如CRC以确保完整性。

2.Application角色主要完成的：

         1）发送HTTP请求查询服务器最新固件信息；

         2）和当前固件做对比，如果需要更新，就进行下载；

         3）将下载的固件写到规划好的OTA固件存储区域；

         4）更新固件参数回写片外Flash，最后进行软件复位；

         这里也相应地首先完成网络上固件下载的完整性校验，以确保在网络下载下来的固件是完整的，然后在写进OTA固件存储区域的时候也需要再进行校验计算，以在Bootloader在搬运固件时校验确保完整性。

三、Flash区域规划

        在OTA升级中我们需要存储更新的固件，如果片内Flash不够大的时候我们需要加片外Flash进行存储，简单介绍一下OTA升级时Flash区域的规划。（这里的地址划分与后面的stm32 demo程序对应，和庆科模块实际位置和大小稍有区别，但是原理都是一样的）

         1.Bootloader放置在片内Flash的0x08000000地址，大小为64K，STM32设备上电后首先跳到这里执行；（主闪存存储器被选为启动区域）

         2.Application放置在片内Flash的0x08010000地址；

         3.PARAMETER_1和PARAMETER_2（备份用）记录固件参数信息的区域，它们放在片外Flash；

         4.OTA_TEMP区域为OTA固件存储区域，放在片外Flash，Application从网络下载bin文件然后写到该区域，而Bootloader从这个区域搬运固件到Application区域。

         从上面可以看出，不管是Bootloader还是Application都需要做好片内Flash驱动和片外的Flash驱动来进行Flash操作。

四、OTA升级过程

         1.Application查询服务器下载固件到OTA_TEMP区域；

         2.Application根据下载的固件修改PARAMETER_1和PARAMETER_2区域的内容，固件参数信息可以简单用一个结构体记录，如：

        3.Application进行软件复位；

         4.Bootloader读取PARAMETER_1区域信息，判断是否有固件需要更新，如判断上述结构体upgrade_type的值；

         5.如果upgrade_type值为’U’，先做一下校验，再将OTA_TEMP区域的固件搬运到片内Flash区域，最后修改PARAMETER_1区域数据如upgrade_type的值改为’0’，设备下次上电后Bootloader就不会再更新固件；

         6.最后Bootloader跳到Application区域执行应用程序；

五、总结

         OTA固件升级设计主要做好几部分工作：清楚芯片启动流程、完成Flash区域规划以及做好Flash驱动，Bootloader主要判断片外是否有固件待更新，如果有就搬到片内Flash，而Application程序主要完成固件的下载，其实固件更新并没有大家想象中的难以实现。

六、STM32 DEMO（内附使用说明）

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