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1. 背景

沒有完美的軟件，因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷、業(yè)務(wù)需求更新，軟件始終都在不斷升級完善。新軟件如何替換正在運(yùn)行的舊軟件就是本文關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是針對電子產(chǎn)品，設(shè)備空中升級OTA，受限于硬件資源，需要選擇不同的方案進(jìn)行軟件升級。

2. 空中升級流程

在線升級流程，簡化就是設(shè)備運(yùn)行舊軟件的同時(shí)，獲取新軟件包，再執(zhí)行特殊操作使用新軟件覆蓋舊軟件，最后運(yùn)行新軟件。圖片根據(jù)硬件資源和系統(tǒng)整體框架，選擇不同的升級方案，方案需要結(jié)合實(shí)際選擇最佳的，技術(shù)層面是次要的。

3. 空中升級的方案

3.1. 整包升級

以STM8單片機(jī)升級為例，單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：圖片要加入在線升級功能，就需要將主應(yīng)用程序拆分，類似有2套程序在設(shè)備內(nèi)運(yùn)行，標(biāo)準(zhǔn)稱呼是bootload+app，其中bootload始終不變，它接收新軟件包并覆蓋app區(qū)域。

整體方案如下圖：

難點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)

單片機(jī)在app收到升級請求，需要重啟進(jìn)入bootload，對于以單片機(jī)為主控的設(shè)備，需要保證單片機(jī)重啟期間網(wǎng)絡(luò)模塊不斷電，所以因升級進(jìn)入bootload要立刻恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)模塊主機(jī)供電,必要時(shí)需要硬件支持。

單片機(jī)ram和rom有限，采用分段接收新軟件包，直接寫入flash，因此在應(yīng)用層協(xié)議上需要確保數(shù)據(jù)包不會錯(cuò)誤或遺漏或重發(fā)，目前采用Ymodem協(xié)議居多。升級包需要轉(zhuǎn)成bin文件，單片機(jī)接收后寫到app的起始地址。

單片機(jī)分段接收后寫入flash，整個(gè)過程需要10秒以上，期間如果斷電，單片機(jī)軟件的app處于損壞狀態(tài)，需要單片機(jī)有超時(shí)機(jī)制重啟，再次開啟升級并主動(dòng)要求網(wǎng)絡(luò)模塊重傳新軟件包。

一般PC軟件無需考慮內(nèi)存和存儲空間，也是采用整包升級，兩個(gè)文件同時(shí)保存。例如app.exe運(yùn)行時(shí)下載新的app_new.exe，下載校驗(yàn)后，app.exe自毀刪除自身，然后將app_new.exe重命名為app.exe并啟動(dòng)。

3.2. 差分升級

差分升級軟件框架同整包升級一樣，區(qū)別在于新軟件包的提供方式不同。

單片機(jī)軟件一般不超過50KB，復(fù)雜微處理器的軟件一般都比較大，但其RAM也大，下載完整的新軟件包耗時(shí)長且浪費(fèi)流量，因此可以基于新舊兩版軟件的差異，將差異文件傳給設(shè)備，由設(shè)備運(yùn)算還原出新軟件包升級。

難點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)

差分包的制作與還原算法驗(yàn)證，在bootload還原出新軟件包時(shí)考慮到RAM，差分包是按塊生成，還原也是按塊執(zhí)行，每塊新軟件寫入前，需要先備份舊塊，防止異常斷電無法還原。圖片萬一出現(xiàn)異常，重啟還是進(jìn)入bootlaod，查詢上次已經(jīng)還原到第幾塊，繼續(xù)后面操作。有些為了再次減小差分包大小，還會對文件進(jìn)行壓縮，還原前先解壓。

升級時(shí)，必須保證生成的差分包是基于當(dāng)前設(shè)備內(nèi)運(yùn)行的版本，如設(shè)備運(yùn)行V01，但是提供的差分包卻是基于V02到V03的，則會導(dǎo)致異常。或者在文件中預(yù)設(shè)特殊版字符，版本匹配才進(jìn)行差分還原升級。而整包沒有該缺點(diǎn)，只要bootlaod正常，任意app軟件版本可以互相升級。

3.3. 動(dòng)態(tài)加載

動(dòng)態(tài)加載在PC軟件中很常見，多個(gè)exe可執(zhí)行文件共用dll庫文件，這樣exe文件很小，缺點(diǎn)是要保證exe正常運(yùn)行，需要在指定的路徑下存放dll文件。圖片對嵌入式平臺，動(dòng)態(tài)加載的可以理解為始終保持底層基礎(chǔ)框架不變，修改或替換不同的上層業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)不同的效果。為保證底層和上層之間調(diào)用關(guān)系，必須固定部分接口地址，也就是兩者中間的接口映射，主要通過鏈接實(shí)現(xiàn)。圖片嵌入式軟件從源碼到可下載到設(shè)備的映像文件，需要經(jīng)過的步驟：圖片動(dòng)態(tài)加載就是在鏈接階段，將上層代碼obj編譯成axf可動(dòng)態(tài)加載的文件，而不是直接與其他obj合并成可執(zhí)行文件。主要是使用armlink配置-entry指定映像文件的初始入口點(diǎn)或者在代碼中使用#pragma arm section code關(guān)鍵字，保證動(dòng)態(tài)的上層有固定的入口地址。凡是上層調(diào)用的底層接口，在編譯階段函數(shù)體指針都賦為空指令保證編譯，后續(xù)再指向底層的真實(shí)地址。圖片

其作用發(fā)生在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，從flash加載到內(nèi)存，整個(gè)文件內(nèi)的接口相對地址不變，整體偏移。這樣，軟件還是可以計(jì)算獲取動(dòng)態(tài)映像文件的入口地址。加載到內(nèi)存區(qū)域，需確保該區(qū)域不會被占用，否則內(nèi)存覆蓋肯定會導(dǎo)致異常。

底層啟動(dòng)后，只能查到動(dòng)態(tài)加載文件的入口函數(shù)，但實(shí)際底層與上層交互的接口肯定不止一個(gè)，而且上層也必然會調(diào)用底層接口，這就需要在第一個(gè)明確地址的函數(shù)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)上下層地址映射。這里有2種方案，一種是函數(shù)指針賦值，一種是根據(jù)字符串查找。底層需要給上層調(diào)用的接口，底層映射接口函數(shù)指針表，按固定順序賦值給上層函數(shù)指針;或者底層只提供上層一個(gè)函數(shù)，但是改函數(shù)體內(nèi)查字符串獲取函數(shù)指針。這樣實(shí)現(xiàn)上層調(diào)用事先固定的底層接口。

上層給底層提供的接口，也是提前固定的函數(shù)指針，也用上面的方法對接。接口映射的核心是動(dòng)態(tài)加載塊有一個(gè)函數(shù)的地址是鏈接時(shí)指定的，在這個(gè)函數(shù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)上下層函數(shù)映射。除函數(shù)外，全局變量也是同樣的使用指針傳遞。

難點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)

前面2種使用bootload+app的方案，屬于比較常規(guī)的方案，其本質(zhì)是一塊芯片運(yùn)行2套互不干擾的軟件，而動(dòng)態(tài)加載的上下層之間有固定的接口，不能使用接口以外的交互。

動(dòng)態(tài)加載對鏈接和arm底層要求高，在升級方向應(yīng)用較少，因?yàn)閷浖_發(fā)接口使用存在限制，但動(dòng)態(tài)加載實(shí)現(xiàn)了上下層隔離，避免代碼調(diào)用混亂，也為跨平臺、多語言開發(fā)提供了基礎(chǔ)。

4. 結(jié)論

在線升級為了產(chǎn)品在不召回的情況下，以較低的成本解決售后問題;升級是為了解決問題，但是一旦失敗則可能導(dǎo)致設(shè)備變磚。前期測試應(yīng)選擇不同設(shè)備模擬升級異常，如強(qiáng)制斷電或軟件包異常，設(shè)備必須有自我恢復(fù)的機(jī)制。

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