1、需求源起

MCU固件升級(jí)可以通過編程器、調(diào)試器或其他設(shè)備輔助進(jìn)行操作，但這種升級(jí)方式主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)評(píng)估及量產(chǎn)應(yīng)用階段。產(chǎn)品量產(chǎn)或設(shè)備部署后，若面對(duì)大規(guī)模設(shè)備升級(jí)，把產(chǎn)品返廠做升級(jí)將面臨拆機(jī)、人工燒錄等繁瑣流程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品具備無線遠(yuǎn)程通信能力，產(chǎn)生了更多通過遠(yuǎn)程通訊接口進(jìn)行固件升級(jí)的需求。

2、升級(jí)步驟

固件升級(jí)，就是當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行的舊固件有系統(tǒng)漏洞或者要在現(xiàn)有設(shè)備添加新功能時(shí)，將設(shè)備中的舊固件更新為新的固件，使設(shè)備運(yùn)行的程序滿足新的功能需求，從MCU內(nèi)部層面來看就是新固件覆蓋舊固件，如圖1所示。

圖1固件升級(jí)示意圖

獲取新固件：通過NBIoT、WIFI、Bluetooth、LoRa、ZigBee等通信協(xié)議定期查詢新版本或者接收升級(jí)請(qǐng)求。

覆蓋舊固件：將新固件數(shù)據(jù)分塊寫入舊固件所在Flash覆蓋舊固件。

3、全量升級(jí)

通常情況下，在MCU中運(yùn)行的具有升級(jí)功能的程序需要具備兩個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的程序，分別為BootLoader引導(dǎo)程序和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的App應(yīng)用程序。一般情況下BootLoader程序燒錄后不會(huì)再更新，修復(fù)漏洞或者添加功能時(shí)升級(jí)的均為App應(yīng)用程序。Flash全量升級(jí)分區(qū)示意圖如圖2所示。固件可以通過App或者BootLoader進(jìn)行接收，如圖3所示。

圖2Flash分區(qū)示意圖

圖3 固件接收方式分類

3.1 App接收固件

設(shè)備在運(yùn)行時(shí)App查詢到有新版本固件或者收到升級(jí)請(qǐng)求時(shí)，先通過無線通信接口下載新的固件。一般有兩種方式更新固件：一種運(yùn)行App1時(shí)，將新的固件分包接收并下載存至App2 Flash分區(qū)，下載完成后跳轉(zhuǎn)至App2 分區(qū)運(yùn)行新的固件(MCU需要支持雙BANK運(yùn)行)，升級(jí)示意圖如圖4所示；第二種跳轉(zhuǎn)Bootloader程序執(zhí)行固件遷移，將App2固件按塊寫入App1 Flash分區(qū)，待固件遷移無誤后再跳轉(zhuǎn)至App1 Flash分區(qū)運(yùn)行。

圖4 具有備份區(qū)的固件升級(jí)示意圖

3.2BootLoader接收固件

設(shè)備在運(yùn)行App時(shí)查詢到有新版本固件或者收到升級(jí)請(qǐng)求時(shí)，跳轉(zhuǎn)Bootloader程序?qū)⑿碌墓碳职邮詹⑾螺d至App Flash分區(qū)。下載完成時(shí)，舊固件被新固件覆蓋，然后再跳轉(zhuǎn)App Flash分區(qū)運(yùn)行，示意圖如圖5所示。

圖5 單區(qū)固件升級(jí)示意圖

App與BootLoader接收固件都需要完整的下載新的固件包，即便新的固件相較于舊固件改動(dòng)量很小，往往MCU RAM資源有限，需要分包下載，每包數(shù)據(jù)必須正確無誤，如果有錯(cuò)誤或者遺漏則需要重新下載。升級(jí)過程中如果斷電，需要再次請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)重新下載新的固件包，所以整包升級(jí)下載時(shí)間較長(zhǎng)，升級(jí)失敗風(fēng)險(xiǎn)較高。對(duì)一些電池供電的設(shè)備，下載時(shí)間越長(zhǎng)系統(tǒng)功耗越高。

4、差分升級(jí)

在服務(wù)器端基于差分算法將舊固件V1和新固件V2的差異進(jìn)行提取并應(yīng)用壓縮算法計(jì)算出差分包，將差分包由服務(wù)器端傳輸給MCU客戶端，再由差分解壓縮算法還原出新的固件V2，這樣的升級(jí)方式稱為差分升級(jí)，差分升級(jí)的示意圖如圖6所示。

圖6 差分升級(jí)示意圖

一般差分算法核心思想為：對(duì)舊固件新固件文件做子字符串匹配或使用Hash技術(shù), 提取公共部分, 再將新固件文件中剩余的部分打包成差分包；在差分還原時(shí), 用復(fù)制和插入兩個(gè)基本操作將舊固件和差分包合成新固件。對(duì)于固件代碼較大而修改量較小的新固件，使用差分升級(jí)算法，差分包大小相較于新固件會(huì)明顯變小，無線升級(jí)時(shí)下載流量也會(huì)相應(yīng)大幅度降低。

6、差分升級(jí)vs全量升級(jí)

差分升級(jí)和全量升級(jí)各有各的優(yōu)點(diǎn)和適合應(yīng)用的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)者在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中可根據(jù)不同應(yīng)用選擇不同的升級(jí)方式。例如，產(chǎn)品是電池供電，并且數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，則要求產(chǎn)品升級(jí)時(shí)能夠盡可能減少數(shù)據(jù)量的傳輸，節(jié)約功耗，此時(shí)可優(yōu)先采用差分升級(jí)的方式。差分升級(jí)與全量升級(jí)的主要特點(diǎn)比較如圖7所示。

圖7差分升級(jí)與全量升級(jí)的主要特點(diǎn)比較

審核編輯：劉清