物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線固件升級

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的規(guī)模給部署帶來了許多挑戰(zhàn)。僅在我們的家中，我們就看到連接設(shè)備的數(shù)量急劇增加，從路由器和幾臺個人電腦到遠程鎖門、激活百葉窗、控制照明、管理溫度和濕度以及更多的。為了使眾多設(shè)備保持相關(guān)性和安全性，無線 （OTA） 固件升級必須成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的一部分。

想象一個巨大的市場，其中部署信標提供有關(guān)展示產(chǎn)品的信息。這些信標的位置可能不容易訪問，并且這些信標的數(shù)量使得它們不可能在部署后單獨編程。因此，當(dāng)出現(xiàn)需要重新部署的新功能或缺陷時，OTA 固件升級成為一項重要的省時功能。

通過 BLE 進行 OTA 固件升級

OTA 的有效性已在手機等應(yīng)用中得到證明，這些應(yīng)用通過定期升級接收新功能并修復(fù)錯誤，而相對較新的 OTA 固件升級功能與藍牙低功耗 （BLE） 為物聯(lián)網(wǎng)帶來了同樣的能力。

在 IoT 環(huán)境中，推動 OTA 固件升級超過 BLE 要求的主要原因有三個：

廣泛和異構(gòu)的設(shè)備部署

設(shè)備的數(shù)量和不同類型的設(shè)備在分布式網(wǎng)絡(luò)中起著非常重要的作用。標準化的 OTA 接口可確?？绮煌?jié)點重用架構(gòu)?？紤]體育場中的智能照明：雖然巨大的泛光燈和走廊燈的功能可能不同，但可以在它們之間重復(fù)使用基于 BLE 的標準 OTA 接口。這意味著跨這些異構(gòu)設(shè)備推送新固件的主機設(shè)備可以是一個通用平臺。這也意味著體育場內(nèi)所有不同類型的燈都可以從一個控制室進行升級，而不是通過多個單獨的升級。

不斷變化的需求和新功能

物聯(lián)網(wǎng)是一個不斷增長且瞬息萬變的市場，具有新的產(chǎn)品需求，并且會定期添加新的 BLE 功能。安全威脅和隱私泄露是推動這些變化的一些最大因素。為了防止新的病毒攻擊，設(shè)備固件可以通過 OTA 固件升級過程包含修復(fù)和更安全的算法。在任何物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，都有兩部分：硬件和固件。在基于 SoC 的實現(xiàn)中，OTA 固件升級功能不僅可以更新固件，還可以重新配置片上硬件資源。

關(guān)鍵的上市時間需求

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計周期非常短，需要不斷創(chuàng)新和部署最新功能。一般的開發(fā)過程是對硬件進行過度設(shè)計，以在更長的時間內(nèi)維持不斷擴大的市場需求。OTA固件升級支持分階段部署解決方案。例如，恒溫器系統(tǒng)的初始設(shè)計只需一個熱傳感器就可以快速推出，然后進行更新以啟用濕度傳感器。請注意，使用這種方法，硬件設(shè)計是一個深思熟慮的過程，從硬件角度在架構(gòu)階段考慮未來的推出。

然而，雖然 OTA 固件升級有利于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但產(chǎn)品團隊必須注意并避免一些陷阱?，F(xiàn)場升級固件的能力以及對上市時間的極端要求可能會導(dǎo)致過快發(fā)布固件的壓力。例如，爭取實現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模部署可能會促使市場營銷依賴于固件可以稍后更新的事實。這反過來可能導(dǎo)致發(fā)布尚未完全驗證或優(yōu)化的不穩(wěn)定軟件或產(chǎn)品。此外，最終用戶可能不會很好地接受頻繁的更新。產(chǎn)品團隊?wèi)?yīng)仔細權(quán)衡此類決定的影響，并限制過度使用 OTA。

OTA基礎(chǔ)

在基礎(chǔ)方面，OTA 固件升級與任何其他引導(dǎo)加載程序沒有什么不同，例如 UART 引導(dǎo)加載程序或 USB 引導(dǎo)加載程序。圖 1 顯示了基于固件的可升級系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

【圖1 | UART bootloader系統(tǒng)架構(gòu)］

如圖所示，目標器件的非易失性存儲器分為兩部分——引導(dǎo)加載程序和可引導(dǎo)加載。引導(dǎo)加載程序是存儲負責(zé)設(shè)備引導(dǎo)操作的代碼的內(nèi)存部分；檢查主機是否有可引導(dǎo)加載部分的更新固件映像；通過 UART 接口從主機接收更新的固件映像；并將更新后的映像寫入內(nèi)存的可引導(dǎo)加載部分。內(nèi)存的可引導(dǎo)加載部分是定義系統(tǒng)功能的實際應(yīng)用程序代碼。

同樣，要了解 OTA 固件升級，內(nèi)存可以分為 bootloader 和 bootloadable 部分。這里的主要區(qū)別在于通信接口用于從主機接收新的固件映像。在 OTA 固件升級的情況下，無線通信接口，如 WiFi、ZigBee、藍牙等，用于通過無線接收更新的固件圖像。無論接口如何，過程和基本原理都是相同的。

如今，BLE 無處不在，因為它提供了更低的功耗，并且在大多數(shù) PC 和手機中都得到了支持。這種廣泛的可用性使其成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的首選。話雖如此，BLE 是一個不斷發(fā)展的標準。幾乎每年都會發(fā)布一個新版本，以包含更多功能來滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷變化的需求。

在這個競爭激烈的市場中，芯片供應(yīng)商競相提供符合新版規(guī)范的解決方案。在大多數(shù)情況下，芯片供應(yīng)商在多個 BLE 堆棧/IDE 版本上分階段支持這些功能。此外，不斷變化的規(guī)范為版本之間的廣泛測試留下了最少的時間，因此硅供應(yīng)商的每個新 BLE 堆棧版本通常都有由客戶報告或在測試或開發(fā)期間在內(nèi)部捕獲的缺陷修復(fù)。因此，當(dāng) BLE 用于使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備保持最新時，應(yīng)用程序代碼可能需要升級，但核心 BLE 堆棧也可能需要更新。強大的引導(dǎo)加載程序架構(gòu)應(yīng)該能夠支持這些不同的用例，并且足夠靈活以適應(yīng)不斷變化的應(yīng)用需求。

OTA 引導(dǎo)加載程序架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)空間是多種多樣的，應(yīng)用程序和最終解決方案的要求也是如此。為了保持靈活性，產(chǎn)品團隊?wèi)?yīng)選擇滿足其應(yīng)用需求的 OTA 引導(dǎo)加載程序架構(gòu)。

有兩種類型的 OTA 引導(dǎo)加載程序架構(gòu)可用于基于 BLE 的設(shè)備：

固定堆棧 OTA 引導(dǎo)加載程序

在固定堆棧 OTA 引導(dǎo)加載程序?qū)嵤┲?，堆棧不會升?- 只能升級特定于應(yīng)用程序的固件。通過這樣的實現(xiàn)，堆棧存儲在內(nèi)存的寫保護/引導(dǎo)加載程序部分。圖 2 顯示了一個典型的固定堆棧 OTA 引導(dǎo)加載程序?qū)崿F(xiàn)。

【圖2 | 基于 BLE 的固定堆棧 OTA 引導(dǎo)加載程序］

固定堆棧 OTA 引導(dǎo)加載程序的優(yōu)點是升級固件所需的時間更少，因為只能升級特定于應(yīng)用程序的代碼。另一方面，缺點是即使部署后發(fā)現(xiàn)嚴重錯誤，也無法升級堆棧代碼。

可升級堆棧 OTA 引導(dǎo)加載程序

在可升級堆棧引導(dǎo)加載程序?qū)嵤┲?，堆棧和?yīng)用程序固件都可以升級。盡管引導(dǎo)加載程序的實際實現(xiàn)可能因供應(yīng)商而異，但在典型的可升級堆棧實現(xiàn)中，內(nèi)存分為三個部分：

啟動器： 啟動器基本上是一個沒有通信接口的引導(dǎo)加載程序。它檢查是否需要引導(dǎo)加載并將控制權(quán)相應(yīng)地傳遞給堆?；驊?yīng)用程序部分。如果有新圖像可用，它還負責(zé)升級存儲堆棧的內(nèi)存部分。

堆棧： 此部分存儲 BLE 堆棧。當(dāng)主機設(shè)備有新的固件映像時，堆棧部分負責(zé)與主機設(shè)備通信。此外，此部分與 BLE 連接應(yīng)用程序共享。實際上，這部分就像一個引導(dǎo)加載程序和一個可引導(dǎo)加載程序。該部分由啟動器通過向該部分寫入新的堆棧固件來引導(dǎo)加載。然后，此部分引導(dǎo)加載應(yīng)用程序部分。

應(yīng)用程序： 這部分是實際的應(yīng)用程序代碼，就像上面提到的任何其他實現(xiàn)一樣。

一個可升級棧OTA bootloader的操作可以通過三步來理解：

步驟1： 圖 3 顯示了目標設(shè)備（即需要無線升級的設(shè)備）和主機設(shè)備（即具有新固件并負責(zé)將其發(fā)送到目標設(shè)備的設(shè)備）。目標使用其現(xiàn)有的 BLE 協(xié)議棧接收新的 BLE 協(xié)議棧。這個新的 BLE 協(xié)議棧存儲在內(nèi)存的特定應(yīng)用固件部分。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常具有有限的內(nèi)存，因此特定應(yīng)用的固件部分被新的 BLE 協(xié)議棧覆蓋。額外的內(nèi)存會增加設(shè)備成本，并且不能僅用于引導(dǎo)加載目的。請注意，不能直接覆蓋現(xiàn)有的 BLE 協(xié)議堆棧，因為這會破壞當(dāng)前與主機通信的現(xiàn)有堆棧代碼，從而在升級完成之前中斷通信。

【圖3 | 第 1 步：現(xiàn)有堆棧從主機接收新堆棧并寫入特定于應(yīng)用程序的內(nèi)存］

第 2 步： 啟動器從特定應(yīng)用固件部分復(fù)制新的 BLE 協(xié)議棧，并將其寫入 BLE 協(xié)議部分（參見圖 4）。到這一步結(jié)束時，BLE 協(xié)議部分就有了新的 BLE 協(xié)議棧。

【圖4 | 第 2 步：Launcher 用新堆棧覆蓋現(xiàn)有堆棧］

第 3 步： 目標設(shè)備使用新的 BLE 協(xié)議棧從主機設(shè)備接收新的特定應(yīng)用固件，并將其寫入特定應(yīng)用固件存儲器（參見圖 5）。

【圖5 | 第 3 步：新堆棧正在接收新的特定于應(yīng)用程序的固件并寫入特定于應(yīng)用程序的部分］

完成此步驟后，目標設(shè)備固件配置如圖 6 所示，堆棧和特定于應(yīng)用程序的固件升級均已完成。

【圖6 | 升級完成后，內(nèi)存具有新的 BLE 堆棧和特定于應(yīng)用程序的固件］

可升級堆棧引導(dǎo)加載程序的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它允許在部署產(chǎn)品后升級堆棧和應(yīng)用程序。

基于內(nèi)存的 OTA 引導(dǎo)加載程序分類

OTA 引導(dǎo)加載程序也可以根據(jù)用于存儲更新固件映像的內(nèi)存進行分類：

內(nèi)部存儲器 OTA 引導(dǎo)加載程序

使用這種類型的引導(dǎo)加載程序，更新的固件映像（新的 BLE 堆棧和特定于應(yīng)用程序的固件或只是新的特定于應(yīng)用程序的固件）被直接寫入設(shè)備的內(nèi)部閃存。到目前為止，本文討論的引導(dǎo)加載程序架構(gòu)結(jié)構(gòu)都基于使用內(nèi)部存儲器。這種引導(dǎo)加載程序的優(yōu)點是不需要外部存儲器，因此降低了實現(xiàn)升級功能的有效成本。

外部存儲器 OTA 引導(dǎo)加載程序

使用外部存儲器 OTA 引導(dǎo)加載程序，現(xiàn)有堆棧可以接收新的特定于應(yīng)用程序的固件或新的堆棧固件和特定于應(yīng)用程序的固件。這些存儲在外部存儲器中。稍后，設(shè)備根據(jù)存儲器類型（可以是 I2C 或 SPI 或任何其他串行存儲器）使用有線接口從外部存儲器讀取新固件，然后升級內(nèi)部閃存。這種實現(xiàn)增加了外部存儲器的總系統(tǒng)成本。當(dāng)設(shè)備的內(nèi)部內(nèi)存有限并需要升級其堆棧時使用它。請注意，對于某些應(yīng)用程序用例，堆棧大小可能大于特定于應(yīng)用程序的固件的大小。

結(jié)論

在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選擇組件時，研究芯片和開發(fā)工具支持的 OTA 固件升級方法非常重要。在評估具有內(nèi)部閃存的設(shè)備時，基于內(nèi)部存儲器的 OTA 升級提供了一種經(jīng)濟的方法。某些設(shè)備可能不允許堆棧升級，只允許特定應(yīng)用程序的固件升級。一些可升級堆棧 OTA 引導(dǎo)加載程序?qū)嵤┛赡苤辉试S獨立升級堆棧和特定于應(yīng)用程序的固件，以減少升級時間。在為您的應(yīng)用選擇設(shè)備時，提前了解這些限制非常重要。

在無線升級設(shè)備固件時，數(shù)據(jù)是通過無線傳輸?shù)模苋菀妆?a target="_blank">黑客入侵。因此，驗證并確保主機設(shè)備僅與預(yù)期的目標設(shè)備通話非常重要。通過空中發(fā)送的數(shù)據(jù)也應(yīng)該加密，以便其他監(jiān)聽 BLE 通信的設(shè)備無法解碼數(shù)據(jù)。BLE 4.2 改進了安全機制，增強了對中間人攻擊和被動竊聽的保護，以減少黑客對 IP 盜竊和接管設(shè)備的處理。如果使用的是舊版本的 BLE，明智的做法是手動添加加密層以保護您的 IP 免受被動竊聽者的侵害。

物聯(lián)網(wǎng)市場產(chǎn)品需求的變化速度快于傳統(tǒng)產(chǎn)品的需求。此外，廣泛采用的 BLE 通信接口標準仍在不斷發(fā)展，芯片供應(yīng)商需要大量時間來支持新功能。還有更快進入市場的壓力，這可能會影響產(chǎn)品的測試時間和現(xiàn)場試驗。由于這些原因，無線固件升級可以讓開發(fā)人員隨著時間的推移增強產(chǎn)品功能并在產(chǎn)品部署后推出缺陷修復(fù)，從而為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品增加顯著價值。

審核編輯：郭婷