蓝牙空中升级(OTA)原理

15810361152

[color=rgb(51, 51, 51) !important]1. 概述

[color=rgb(51, 51, 51) !important]所谓DFU（Device Firmware Update），就是设备固件升级的意思，而OTA（Over The Air）是实现DFU的一种方式而已，准确说，OTA的全称应该是OTA DFU，即通过空中无线方式实现设备固件升级。只不过大家为了方便起见，直接用OTA来指代固件空中升级（有时候大家也将OTA称为FOTA，即Firmware OTA，这种称呼意思更明了一些）。只要是通过无线通信方式实现DFU的，都可以叫OTA，比如2G/3G/4G/WiFi/蓝牙/NFC/Zigbee，他们都支持OTA。DFU除了可以通过无线方式（OTA）进行升级，也可以通过有线方式进行升级，比如通过UART，USB或者SPI通信接口来升级设备固件。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]不管采用OTA方式还是有线通信方式，DFU包括后台式（background）和非后台式两种模式。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]后台式DFU，又称静默式DFU（Silent DFU），在升级的时候，新固件在后台悄悄下载，即新固件下载属于应用程序功能的一部分，在新固件下载过程中，应用可以正常使用，也就是说整个下载过程对用户来说是无感的，下载完成后，系统再跳到BootLoader模式，由BootLoader完成新固件覆盖老固件的操作，至此整个升级过程结束。比如智能手机升级Android或者iOS系统都是采用后台式DFU方式，新系统下载过程中，手机可以正常使用哦。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]非后台式DFU，在升级的时候，系统需要先从应用模式跳入到BootLoader模式，由BootLoader进行新固件下载工作，下载完成后BootLoader继续完成新固件覆盖老固件的操作，至此升级结束。早先的功能机就是采用非后台式 DFU来升级操作系统的，即用户需要先长按某些按键进入bootloader模式，然后再进行升级，整个升级过程中手机正常功能都无法使用。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]下面再讲双区DFU（dual bank）和单区DFU（single bank），双区或者单区DFU是新固件和老固件覆盖的两种方式。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]后台式DFU必须采用双区模式进行升级，即老系统（老固件）和新系统（新固件）各占一块bank（存储区），假设老固件放在bank0中，新固件放在bank1中，升级的时候，应用程序先把新固件下载到bank1中，只有当新固件下载完成并校验成功后，系统才会跳入BootLoader模式，然后擦除老固件所在的bank0区，并把新固件拷贝到bank0中。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]非后台式DFU可以采用双区也可以采用单区模式，与后台式DFU相似，双区模式下新老固件各占一块bank（老固件为bank0，新固件为bank1），升级时，系统先跳入BootLoader模式，然后BootLoader程序把新固件下载到bank1中，只有新固件下载完成并校验成功后，才会去擦除老固件所在的bank0区，并把新固件拷贝到bank0区。单区模式的非后台式DFU只有一个bank0，老固件和新固件分享这一个bank0，升级的时候，进入bootloader模式后立马擦除老固件，然后直接把新固件下载到同一个bank中，下载完成后校验新固件的有效性，新固件有效升级完成，否则要求重来。跟非后台式DFU双区模式相比，单区模式节省了一个bank的Flash空间，在系统资源比较紧张的时候，单区模式是一个不错的选择。不管是双区模式还是单区模式，升级过程出现问题后，都可以进行二次升级，都不会出现“变砖”情况。不过双区模式有一个好处，如果升级过程中出现问题或者新固件有问题，它还可以选择之前的老固件老系统继续执行而不受其影响。而单区模式碰到这种情况就只能一直待在bootloader中，然后等待二次或者多次升级尝试，此时设备的正常功能已无法使用，从用户使用这个角度来说，你的确可以说此时设备已经“变砖”了。所以说，虽然双区模式牺牲了很多存储空间，但是换来了更好的升级体验。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]可参考下面三个图来理解上述过程。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]

[color=rgb(51, 51, 51) !important]如果你是第一次接触Nordic nRF5 SDK，那么建议你先看一下这篇文章：开发你的第一个BLE应用程序—Blinky，或者看一下这一篇文章：手把手教你开发BLE数据透传应用程序，以建立Nordic nRF5 SDK的一些基本知识，然后再往下看以下章节。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]2. Nordic nRF5 SDK DFU工作原理

[color=rgb(51, 51, 51) !important]如文章“nRF5 SDK软件架构及softdevice工作原理”所述，Nordic nRF5 SDK软件架构跟其他家有点不一样，程序存储区最开始部分放得不是Bootloader，而是蓝牙协议栈Softdevice，应用程序则紧挨着Softdevice，Bootloader则被nRF5 SDK放在程序存储区的最上面，整个存储区结构图如下所示。如果用户还有Flash数据需要存放，那么这些数据紧挨着BootLoader下面。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]

[color=rgb(51, 51, 51) !important]目前Nordic SDK默认只提供非后台式DFU开箱即用的例子（SDK16.0开始也支持后台式DFU框架），即系统必须先跳到BootLoader中，然后才能通过BLE/UART/USB去接收新的固件。