CN111769962A - 一种mcu固件ota升级方法 - Google Patents

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Abstract

一种MCU固件OTA升级方法，包括如下步骤：S1将将软件打包成固件;对所有固件划分升级紧迫性等级;各个固件均由多个固件块组成;在固件块中设定一个配置信息存储固件，将所有固件块的自身信息存储在该配置信息存储固件中；S2按照紧迫性等级从高到底对固件进行升级；对固件所在的设备进行检测，判断设备当前状态是否适合升级，不适合则等待至适合状态；S3设备比对符合要求则进行升级;S4升级完成后，将服务器的配置信息存储固件中相关信息更新到设备中。本发明采用根据升级紧迫性划分升级顺序，可以显著降低服务器网络带宽和硬件要求；根据对比终端和服务器中配置区域信息选择性下载对应固件块区，避免了整包下载中的带宽浪费和无效数据传输。

Description

一种MCU固件OTA升级方法
技术领域
本发明属于软件技术领域，涉及固件升级方法，具体涉及一种MCU固件OTA升级方法。
背景技术
终端AI芯片主要用于推理，即是指利用训练好的模型，使用数据推理出各种结论。即借助现有神经网络模型进行运算，利用新的输入数据来一次性获得正确结论的过程。
人工智能的快速发展，边缘计算和物联网的兴起，对终端设备的要求越来越高。基于终端AI芯片的设备功能更加智能化、场景化和需求碎片化、个性化。无论是CNN、RNN、DNN等模型，均需根据算法优化进行模型迭代，以达到为用户提供更好体验的目的。这样需要急需针对每台终端设备，在不同场景下进行软件升级。
固件是指设备内部保存的设备“驱动程序”，通过固件，操作系统才能按照标准的设备驱动实现特定机器的运行动作;固件（firmware）一般存储于设备中的电可擦除只读存储器EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)或FLASH芯片中，一般可由用户通过特定的刷新程序进行升级的程序。
OTA（英文全称：Over the Air Technology）空中下载技术。是指通过网络（例如:wifi、蓝牙、2G/3G/4G/5G等）下载升级包，进行软件更新。以达到降低维护成本和提供更加完善的功能。当前主流OTA升级方式分为：整块升级和差分包升级。
现有的OTA升级技术中有如下问题。
第一． OTA服务器仅仅管理固件和版本。不具有如下功能：
（1）未根据BUG( 软件错误)严重程度对待升级的固件划分升级顺序,公司服务器带宽是有限的，例如语音空调、语音冰箱、语音抽烟机等。很短时间内都需要进行固件更新，怎么确定哪些固件是最迫切的，期望优先升级致命BUG的固件，然后顺序升级其他固件。
（2）每个设备的特征信息，例如对于某款语音AI芯片的产品（语音空调），这批设备分别销售到，四川、广东。如果需要优化识别“打开空调”这一语音命令，将方言识别更新进现有固件中，按照以往方式，需要区分出四川话和广东话需要大量人力去确认设备信息并且匹配对应固件。
（3）每个设备终端的运行状态，例如对于某款语音AI芯片的设备，当前正在播放音乐，此时升级会导致用户体验变差。
第二.目前通用的OTA升级方式方案采用整体和差分包升级。差分包升级方式是在PC上进行差分制作，终端设备根据差分算法、差分包和之前固件对比生成新的固件，但这里需要足够的ROM空间放置差分包所生成的新固件。对于终端AI芯片来说，会加大成本。
第三.未对固件进行分块，导致如果写FLASH错误，需要重新加载备份区域固件。
第四.未能根据需要选择性备份，目前传统方式都是完全备份所有FLASH，导致FLASH利用率低下,例如 16M FLASH如果采用全备份方式，实际可用区域可能只有8M。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明公开了一种MCU固件OTA升级方法。
本发明所述MCU固件OTA升级方法,包括如下步骤：
S1.将软件打包成固件; 对所有固件划分升级紧迫性等级;
各个固件均由多个固件块组成;在固件块中设定一个配置信息存储固件块，将所有固件块的自身信息存储在该配置信息存储固件中；
在服务器和待升级的设备中按照相同方式对固件进行打包分块;
S2.按照紧迫性等级从高到底对固件进行升级；对设备进行检测，判断设备当前状态是否适合升级，不适合则等待至适合状态；
对固件中某一固件块的升级过程具体为：
S3.设备读取自身及服务器配置信息存储固件中的固件自身信息，并进行比对,比对符合要求则进行升级;
S4.升级完成后，将服务器的配置信息存储固件中相关信息更新到设备中;
重复步骤S3-S4,直至所有固件块升级完毕。
优选的，所述固件自身信息包括固件块性质、版本号、分块大小、起始地址和校验结果值;
所述步骤S3中的比对中,按照如下方式:
读取固件的版本号,判断设备与服务器中对应固件的版本号信息是否相同;相同则退出升级,不同则继续判断包括分块大小、起始地址和校验结果值在内的其他信息,全部一致则退出升级,任意信息不一致则进行升级。
优选的，所述服务器的配置信息存储固件中存储有根据CRC32算法得到的校验和，所述步骤S4中，还包括校验步骤，对完成升级的固件块计算其校验和，将其与服务器预存的值比较一致则校验合格，否则表示升级不成功；
升级不成功则重复步骤S4再次升级，直至升级成功。
优选的，服务器与设备之间的数据交换通过无线网络进行。
优选的，所述步骤S4中对升级包采用HTTP断点续传方式下载升级。
优选的，所述步骤S3中设备固件升级具体为：
服务器发送升级信号，读取固件的存储起始地址和固件大小，随后设备开始擦除以起始地址为起点且大小相符的存储区域，随后将通过HTTP方式下载得到的数据写入擦除后的地址，写入完成后，设备向服务器发送升级结束信号。
优选的，所述设备中包括存储固件内容相同的用户代码存放区固件和用户代码备份区固件,所述步骤S4中,首先升级用户代码存放区固件,如果该固件升级不成功, 则在终端重新上电时将用户代码备份区的固件重新加载在用户代码存放区,如果升级成功,则继续升级用户代码备份区固件。
优选的，所述步骤S2中，服务器对于各个固件按照紧迫性等级的升级排序方式具体为：
S21服务器接收到的更新固件中包含该固件的紧迫性等级信息及该固件对应的全部可升级设备UID信息；
S22服务器将紧迫性等级最高的固件按照其UID信息更新到服务器数据库中,并生成URL链接;
S23设备上传自身UID信息,服务器根据UID信息,从数据库中调取URL链接并下发到设备;设备根据URL链接开始进行数据下载和升级；
S24设备升级完成后上报服务器,该紧迫性等级下的全部可升级设备UID信息对应的所有设备升级完成后,服务器中已升级完成的固件被清除，重复步骤S22-S23
采用本发明所述MCU固件OTA升级方法，具有如下优越性：
一. 软件发布人员根据BUG情况设置升级优先级，服务器根据优先级区分升级顺序，降低了升级网络带宽和硬件要求。
二.终端设备通过读取本机FLASH和服务器中固件中配置区域信息，可以精确下载需要更新的固件块，避免了整包下载中的带宽浪费和无效数据传输。
三.服务器根据设备状态决定是否允许升级，提高了升级可靠性并避免造成用户体验下降。
四.对升级的固件块进行校验，并和服务器中对应固件块的校验值对比，避免升级错误导致全部加载所有备份区软件。
五.采用分块备份，避免备份区域过大，而导致芯片成本过高。
附图说明
图1为本发明中服务器对不同QOS参数固件升级流程的一个典型实施方式示意图。
图2为本发明中服务器根据终端特性结合已上传的固件特性，将固件更新到终端设备对应的数据库中的一个典型流程示意图。
图3为本发明设备和服务器之间利用WIFI进行OTA升级的数据交换示意图 。
图4为本发明所述MCU固件OTA升级方法的一个具体实施方式示意图。
图5为本发明所述对固件进行打包分块的一种具体实施方式示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述MCU固件OTA升级方法，包括如下步骤：
S1对所有固件划分升级紧迫性等级，将各个固件分别进行打包分块成多个固件块,在固件块中设定一个配置信息存储固件块，将所有固件的自身信息存储在该配置信息存储固件块中；
在服务器和待升级的设备中按照相同方式对固件进行打包分块;
按照相同方式是指打包使服务器中和终端设备中固件的分布形势完全一样,即固件的数量,分布区域,存储信息的类别等都一样。
S2按照紧迫性等级从高到底对固件进行升级；对设备进行检测，判断设备当前状态是否适合升级，不适合则等待至适合状态；；
某一固件块的升级过程具体为：
S3设备读取自身及服务器配置信息存储固件中的固件自身信息，并进行比对,比对符合要求则进行升级;
S4升级完成后，将服务器的配置信息存储固件中相关信息更新到设备中;
重复步骤S3-S4,直至所有固件块升级完毕。
本发明中，在服务器和设备中均按照相同方式对软件进行打包形成固件,每个固件由多个固件块组成,例如服务器和设备的存储器,通常是FLASH存储器中都由打包软件将软件打包成如图5所示的固件块形式。
紧迫性等级一般是指固件中的BUG严重程度,BUG严重程度越高,升级紧迫性等级越高。
本发明对于芯片中固件块升级时，一个典型的具体实施方式如下文所述。
软件发布人员将待升级的固件上传服务器时，根据BUG严重程度划分升级优先级，如图1所示，以自定义的Qos参数表示升级优先级，其中Qos值越小表示优先级越高。
例如：
（1）Qos = 0，表示重大BUG,需要最短时间升级成功。
（2）Qos = 1，表示BUG有一定影响，但不致命，需要尽快升级成功。
（3）Qos = 2，表示BUG有一定影响，在OTA服务器空闲时升级。
Qos等级由软件发布人员根据固件修改BUG情况设定，在设定时需要将固件按照BUG等级分类，不允许将所有固件设定在同一等级上，从而避免升级带宽过大。
Qos 参数主要用于判断待升级固件的紧迫性，服务器端可以根据该值并结合当前网络状况，判断出优先升级哪一类固件。如图1给出给不同QOS参数的固件的升级顺序流程，首先选择Qos=0的固件升级，如果没有则继续选择QOS=1的固件升级，没有则再选QOS=2…,以此类推。
采用分等级升级的方式，不仅可以优先解决紧急度高的固件升级，而且可以降低升级时所需带宽和硬件要求。
例如，服务器连接有多台设备，其中所有设备的固件可以大概分为10类固件，最近均有版本需要更新，但是第一类固件的错误紧急或重要性很高，那么设置该第一类产品的Qos参数值等于0，则服务器优先支持升级该第一类固件，这样可以确保重大BUG得到优先更新。
本发明中，需要在固件中划分一个配置信息存储区，用于存储配置的具体信息，这些具体信息可以包括以下信息：
soft ver：（8字节），表示软件版本信息。
Hard ver：（8字节），表示硬件版本信息。
还可以包含四组分块信息，每组信息具体如下：
Ver：（8字节），表示分块版本号信息。
Size：（8个字节），表示该分块大小。
Flash Start：（8个字节），表示该分块起始flash地址.
Checksum：（4个字节），表示对该分块采用CRC32校验结果值。
对于上述信息表示方法，一个配置区域中的典型信息包括6个，即硬、软件版本信息、分块版本号信息、分块大小、起始flash地址和CRC32校验结果值。
在进行固件升级之前，首先还需要检测设备的当前工作状态，开始升级前服务器首先获取设备运行状态。或者终端设备准备升级发起升级前，主动上报当前状态。
例如服务器主动向设备下发命令{uid:“xxxx”,msgid:“GET_DEVICE_STATE”},设备收到该命令后回复状态信息，具体为{uid:“xxxx”,msgid:“POST_DEVICE_STATE”,devState:“xxx”} ，其中如xxxx为play_music 表示正在播放音乐，xxx为play_joke 表示正在播放笑话,xx为idle表示空闲，则设备或服务器可以根据具体状态信息，判断是否当前能升级。
完成工作状态检测后，服务器再根据Qos参数顺序，首先允许Qos=0的固件升级，具体为：当有Qos=0的固件没有升级完成所有设备时，Qos=1或者Qos=2的固件不响应。终端从服务器的数据库中读取升级固件的配置信息，并读取本机FLASH中配置信息,具体为固件块二中信息，将二者比对用于确定升级哪个具体固件块（如固件三的配置信息不同，则升级固件块3）。
终端设备根据上述从服务器中读取的配置信息，擦除起始地址为Flash Start中的值（表示存储该固件的起始FLASH地址），大小为Size参数的值。擦除FALSH后，终端设备采用HTTP断点下载技术，从服务器中将对应的固件块如固件块3的信息写入到本机FLASH的固件块3中。
具体是:服务器在步骤S2中发现设备状态适合升级后，直接下发一个URL链接，由终端设备根据该链接，采用HTTP协议直接从服务器中读取配置信息存储固件中的信息。然后进行数据下载和写入操作。
例如图3所示的具体实施方式中,利用WIFI作为设备和服务器之间的无线中继，可以采用HTTP断点续传方式，由于HTTP基于TCP协议，不需要额外考虑下载过程中的数据传输错误。
图3和图4对于下载升级的具体过程是：终端上报当前状态，服务器根据上报的状态判断当前升级时机是否合适;后期根据紧迫性等级结合当前状态判断是否应该升级;
采用打包软件对设备和服务器中的固件分块后，在配置信息存储区，记录了固件的分块情况及各个固件块的自身信息。
根据配置信息存储区存储的分块情况，例如使用起始地址位置或固件自身标记对各个固件进行标记，可以识别出是如图5所示的哪一个固件块。
设备读取FALSH中配置信息存储区即固件块二中的对应待升级固件的版本号，设备同时从服务器中读取对应固件的版本号，当两个版本号不一致时，终端设备分别从服务器和设备的FLASH中读取分块配置信息，主要是升级固件的存储起始地址和各个固件块的大小，如果信息全部一致，说明可能不需要更新，如果任意信息不一致，则说明需要更新。
本发明中服务器根据终端特性结合已上传的固件特性（如图5中的固件块2中存储的信息），将固件更新到终端设备对应的数据库中。例如：本次更新语音空调“打开空调”，如果这批设备以及在全国各地使用，假设本次更新四川话和广东话模型，需要更新如图5所示的固件块4。这个时候服务器把本批次终端设备中符合条件的设备，具体为设备中的DNN（深度神经网络）模型是使用四川话或者广东话的设备，并把固件更到对应的数据库中,而如果是使用上海话的设备，则不更新固件到对应的数据库中。在本例中，需要是上传2次固件，分别为更新四川话的固件和更新广东话的固件。
本发明中,各个固件块构成是一个整体的文件,该整体文件的典型构成方式如图5所示。该文件在服务器或待升级设备中的格式一样，所谓的格式就是可以都如图5一样进行分块储存,且储存地址雷同。
如果需要更新其中一个固件块，首先从图5所示的配置信息存储固件块(固件2)中读取相关信息。 通过从服务器读取出配置区域信息和从本机中读取出配置区域信息，然后对比其中的数据，就可以发现哪些相同哪些不同，就升级对应的固件块。如有多个不一样，则升级所有不同的固件块。
随后终端设备开始擦除以起始地址为起点且大小相符的存储区域，随后将通过HTTP方式下载得到的数据写入擦除后的FALSH中，写入完成后，终端设备计算该区域的校验和并且从服务器中取出对应区域的校验和，判断一致后从服务器中取出对应区域的配置信息并写入到配置信息存储固件中对应的区域。升级完成后向服务器发送升级结束信号。
所述步骤S2中，服务器对于各个固件按照紧迫性等级的升级排序方式可以具体为包括以下步骤：
S21服务器接收到的更新固件中包含该固件的紧迫性等级信息及该固件对应的全部可升级设备UID信息；
UID信息(User Identify,中文用户ID),是与设备唯一对应的信息,例如某一固件对应十个设备,每个设备包含各自独立的UID信息。
S22服务器将紧迫性等级最高的固件按照其UID信息更新到服务器数据库中,并生成URL(Uniform Resource Locator, 统一资源定位符,实际即网页地址)链接;
S23设备上传自身UID信息,服务器根据UID信息,从数据库中调取URL链接并下发到设备;设备根据URL链接开始进行数据下载和升级；
上传UID信息时,服务器可以先判断设备当前工作状态是否适合升级,允许则调取URL链接;
S24设备升级完成后上报服务器,该紧迫性等级下的全部可升级设备UID信息对应的所有设备升级完成后,服务器中已升级完成的固件被清除，重复步骤S22-S23;对等级较低的固件开始继续升级,直至所有固件升级完毕。
数据写入FLASH后，需要进行验错，可以通过CRC32程序求出该块的校验和（checksum值），使该值和服务器中对应该块存储的checksum值对比，如果相同判断为数据写入成功，如果失败重新升级该块数据。CRC全称循环冗余校验，是一种检错程序，CRC32是最新的程序版本。
每当设备完成写入固件块后,例如，已经从服务器取得大小为size的固件并且写入FLASH，校验成功;需要从服务器中读取配置区域块中，表示固件块3的信息包含Ver、Size、Flash Start、Checksum，更新到本机固件块2，即配置信息存储区中对应的位置，从而防止后续重复升级。
另一种优选实施方式为在所述设备中，采用分块升级。为了减少FLASH使用，本方案采用备份用户区代码的方式，所述设备中包括存储固件内容相同的用户代码存放区固件和用户代码备份区固件，如所述步骤S2中判断出设备当前状态适合升级后，所述步骤S4中如果升级用户代码存放区，如图5所示的固件块3。
如果用户代码存放区升级不成功，则在设备重新上电时将用户代码备份区的固件重新加载在用户代码区。如果固件块3升级成功，则需要继续升级固件块六，即用户代码备份区，以始终保持用户代码区和备份区一致并且可用。
如图5所示对固件进行分块备份。根据需要划分固件区域，例如固件块1为根(bootloader) 区,作用是初始化各种硬件资源和加载软件代码。固件块3表示用户代码存放区,用于存放原有代码,该原有代码可以使设备实现基本启动等功能,划分固件块6为用户代码备份区;其他区域如DNN(深度神经网络算法)声学模型区域等固件对于升级功能没有影响。假设在升级失败后，设备设备不会由于升级失败而完全丧失功能,重新开机后仍然可以与OTA服务器连接并再次重新更新其他区域;这种方式相对原有方式,可以只备份固件块3,显著降低对flash大小的要求，并降低成本和升级失败的风险。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种MCU固件OTA升级方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将软件打包成固件; 对所有固件划分升级紧迫性等级;
各个固件均由多个固件块组成;在固件块中设定一个配置信息存储固件块，将所有固件块的自身信息存储在该配置信息存储固件中；
在服务器和待升级的设备中按照相同方式对固件进行打包分块;
S2.按照紧迫性等级从高到底对固件进行升级；对设备进行检测，判断设备当前状态是否适合升级，不适合则等待至适合状态；
对固件中某一固件块的升级过程具体为：
S3.设备读取自身及服务器配置信息存储固件中的固件自身信息，并进行比对,比对符合要求则进行升级;
S4.升级完成后，将服务器的配置信息存储固件中相关信息更新到设备中;
重复步骤S3-S4,直至所有固件块升级完毕。
2.如权利要求1所述的MCU固件OTA升级方法，其特征在于，所述固件自身信息包括固件块性质、版本号、分块大小、起始地址和校验结果值;
所述步骤S3中的比对中,按照如下方式:
读取固件的版本号,判断设备与服务器中对应固件的版本号信息是否相同;相同则退出升级,不同则继续判断包括分块大小、起始地址和校验结果值在内的其他信息,全部一致则退出升级,任意信息不一致则进行升级。
3.如权利要求1所述的MCU固件OTA升级方法，其特征在于，所述服务器的配置信息存储固件中存储有根据CRC32算法得到的校验和，所述步骤S4中，还包括校验步骤，对完成升级的固件块计算其校验和，将其与服务器预存的值比较一致则校验合格，否则表示升级不成功；
升级不成功则重复步骤S4再次升级，直至升级成功。
4.如权利要求1所述的MCU固件OTA升级方法，其特征在于，服务器与设备之间的数据交换通过无线网络进行。
5.如权利要求1所述的MCU固件OTA升级方法，其特征在于，所述步骤S4中对升级包采用HTTP断点续传方式下载升级。
6.如权利要求1所述的MCU固件OTA升级方法，其特征在于，所述步骤S3中设备固件升级具体为：
服务器发送升级信号，读取固件的存储起始地址和固件大小，随后设备开始擦除以起始地址为起点且大小相符的存储区域，随后将通过HTTP方式下载得到的数据写入擦除后的地址，写入完成后，设备向服务器发送升级结束信号。
7.如权利要求1所述的MCU固件OTA升级方法，其特征在于，所述设备中包括存储固件内容相同的用户代码存放区固件和用户代码备份区固件,所述步骤S4中,首先升级用户代码存放区固件,如果该固件升级不成功, 则在终端重新上电时将用户代码备份区的固件重新加载在用户代码存放区,如果升级成功,则继续升级用户代码备份区固件。
8.如权利要求1所述的MCU固件OTA升级方法，其特征在于，所述步骤S2中，服务器对于各个固件按照紧迫性等级的升级排序方式具体为：
S21服务器接收到的更新固件中包含该固件的紧迫性等级信息及该固件对应的全部可升级设备UID信息；
S22服务器将紧迫性等级最高的固件按照其UID信息更新到服务器数据库中,并生成URL链接;
S23设备上传自身UID信息,服务器根据UID信息,从数据库中调取URL链接并下发到设备;设备根据URL链接开始进行数据下载和升级；
S24设备升级完成后上报服务器,该紧迫性等级下的全部可升级设备UID信息对应的所有设备升级完成后,服务器中已升级完成的固件被清除，重复步骤S22-S23。
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