一文读懂OTA差分升级

谈思实验室 2024-06-07 18:02

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随着设备的功能越来越强大，系统也越来越复杂，产品升级也成为了开发过程不可或缺的一道程序。在工程应用中，如何在不更改硬件的前提下通过软件的方式实现产品升级。通过Bootloader来实现固件的升级是一种极好的方式，Bootloader是单片机上电后运行的第一段程序，该程序主要负责固件的更新。

图1 固件升级

对于产品固件的升级，用户可采用AMetal提供的Bootloader单区、双区、差分升级算法及升级示例来进行产品开发。关于Bootloader升级算法的介绍如下：

Bootloader单区升级

单区bootloader通常是将芯片内部的Flash主要划分为bootloader区、APP区和参数区。bootloader用于引导程序，APP扇区是为了存放升级后的应用程序，参数区是用于存储特殊的参数，具体的扇区大小可以根据实际使用情况，进行合理划分。单区升级的典型模型如下：

图2 单区升级模型

【原理说明】

芯片上电后首先从首地址即bootloader开始执行，参数校验无误，跳转到APP扇区。若有升级的请求，程序跳转到首地址，在bootloader中接收新的固件，然后将APP区擦除。在新固件参数校验成功后，程序将从bootloader跳转到APP区执行应用程序，进而完成固件的升级。

【应用场景】

在擦除APP区的过程中，若设备突然断电，会造成APP区的应用程序无法启动。在这种情况下，虽然会重新跳转到bootloader接收新的固件，进而完成固件的升级；但也存在一些不必要的麻烦，即设备需要多次写入固件。因此该种升级算法只适用于本地升级，不能在程序正常运行的过程中升级，常适用于Flash容量较小的场景下。

Bootloader双区升级

【双区升级模型】

以ZLG116芯片为例，该芯片内部主Flash大小为64K(0x0800_0000 - 0x0800_FFFF)，主要将Flash划分了四个部分：bootloader段扇区，应用段扇区，升级扇区（备份区），升级标志扇区。其中bootloader用于引导程序；应用扇区是为了存放升级后的应用程序；升级扇区是为了存储新的固件，用于备份固件；升级标志扇区是用于存储特定的标志等。用户可以根据自身的实际应用情况合理划分各区的大小，双区升级的典型模型如下所示：

图3 双区升级模型

【原理说明】

按照上述的ZLG116 Flash划分，程序首先从地址为0x08000000，即bootloader开始执行，参数校验通过后，跳转到应用区。在接收到升级需求后，先将新的固件写入起始地址为0x0800FC00的备份区，并擦除APP扇区。接着将update（备份区）存储的新固件写入到bootloader中，从而完成新固件的写入。若在擦除APP区的过程中受到其他因素的干扰，用户可以再次将备份区的固件写入bootloader。新固件的参数校验通过后，程序从bootloader跳转到起始地址为0x08003C00的APP区执行应用代码。

【应用场景】

相比于单区升级，双区升级的模型增加了一块备份扇区，用于存放新的固件。因此即使在擦除APP的时候，设备发生断电，双区升级也无需再次在bootloader中接收新固件，只需将备份区存储的固件传入到bootloader即可。该升级方式虽然可以避免单区升级只能在本地升级的苦恼，但无法降低传输固件的流量，不适用于开发板内存空间较小的场景下。并且双区升级不得不需要整个APP进行升级，这给产品升级带来了一些不便。

Bootloader差分升级

【差分包原理】

差分升级是将新老固件具有差异的部分剥离出来，例如固件从V1.1.0升级到V1.1.1，两个固件相比只修改了1K的内容，如下图红色部分为不同部分，将该部分剥离出来生成差分包Diff_V1.1.0~V1.11，通过云端将差分包推送到设备端，设备端接收完成之后，先解压差分包，再通过差分恢复算法，根据差分包中的数据标志，将新老固件进行融合，变成新的固件，从而完成升级。

图4 差分包原理

【差分升级模型】

以基于华大HC32L196芯片设计差分升级为例，该芯片Flash为256K（0x000_0000~0x0003_FFFF），首先需要对Flash进行划分，主要划分为4个部分：BootLoader区、应用区、download区、参数区。BootLoader区用于引导升级，应用区为升级后的应用程序，download区为下载差分包存储区间，参数区用于存储特定参数。各区大小按照实际使用情况，进行合理划分。差分升级的典型模型如下所示：

图5 差分升级模型

【原理说明】

按照图5所示的升级模型，设备上电后首先从bootloader开始执行，参数无误后跳转到应用区。当有升级的需求时，先擦除APP区，并将新老固件进行分包，然后按顺序对分包后的新老固件对应的每个小块进行差分压缩，最后将所有的压缩包合并成一个文件，形成了升级的固件。将新的升级固件存放在download扇区，然后将该固件写入bootloader中，若固件参数校验无误，则跳到应用区执行后续的程序，进而完成产品的升级。

【应用场景】

差分升级的优点是升级固件更小、下载速度也更快，也更加节省内存空间。相对于整包升级方式（单区升级/双区升级），其缺点是依赖特定固件。例如：某一差分包为V1.0固件升级到V1.1固件的差分包Diff_V1.0~V1.1，则该差分包只能用于升级版本号是V1.0固件的设备；对于其他版本号固件的设备不能用它升级。差分升级一般适用于希望降低传输固件的流量，或者开发板内存不足，不依靠特定升级固件的场景中。

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