一文解析FreeRTOS的OTA特性使用技巧與訣竅

Amazon FreeRTOS 可幫助開發(fā)人員簡(jiǎn)化將物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備連接到云的過程。然而，即使有更簡(jiǎn)單的云連接，許多開發(fā)人員面臨的一個(gè)主要障礙仍然是如何現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)其設(shè)備的固件。

固件升級(jí)常常利用引導(dǎo)程序完成；基于設(shè)備架構(gòu)和可用的通信外設(shè)，引導(dǎo)程序可能有多種不同形式。引導(dǎo)程序很普遍，幾乎所有嵌入式系統(tǒng)中都有包括，因此開發(fā)人員需要利用現(xiàn)有解決方案，而不是從頭開始開發(fā)。這樣，他們可以將更多時(shí)間投入到產(chǎn)品的差異化和特性上。

本文將探討開發(fā)人員如何利用內(nèi)置于 Amazon FreeRTOS (a:FreeRTOS) 中的引導(dǎo)程序功能（常被稱為空中升級(jí) (OTA)），來快速實(shí)現(xiàn)在其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上運(yùn)行引導(dǎo)程序解決方案。

Amazon FreeRTOS 的 OTA 升級(jí)概述

Amazon FreeRTOS 是一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其中包含了輕松連接 Amazon Web Services (AWS) 所需的全部庫(kù)。Amazon FreeRTOS 本質(zhì)上是 FreeRTOS 內(nèi)核，現(xiàn)已包含連接和安全庫(kù)，以方便與 AWS 進(jìn)行安全通信。OTA 特性包含在單獨(dú)的 OTA 庫(kù)中，必須單獨(dú)配置才能包含在 a:FreeRTOS 下載中。

a:FreeRTOS OTA 升級(jí)服務(wù)包含必要的軟件以便開發(fā)人員可以執(zhí)行如下操作：

• 部署前對(duì)固件進(jìn)行數(shù)字簽名和加密
• 將新固件映像安全地部署到單一設(shè)備、設(shè)備組或整個(gè)設(shè)備集群
• 當(dāng)設(shè)備加入組中、重新啟動(dòng)或重新配置時(shí)，將固件部署到設(shè)備中
• 將新固件部署到設(shè)備后驗(yàn)證其真實(shí)性和完整性
• 監(jiān)視部署進(jìn)度
• 調(diào)試失敗的部署

這些特性通過運(yùn)行各種 AWS 服務(wù)來提供，例如：

• OTA 管理器服務(wù)
• AWS IoT 作業(yè)服務(wù)
• 串流服務(wù)
• Amazon FreeRTOS 代碼簽名服務(wù)
• OTA 庫(kù)和代理

對(duì)開發(fā)人員而言，讓所有這些部分協(xié)同工作所需的步驟是相當(dāng)多的，無法在一篇文章中詳細(xì)說明。本文將重點(diǎn)介紹如何入門，以及關(guān)于在實(shí)驗(yàn)室中成功設(shè)置 a:FreeRTOS 的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和訣竅。

選擇 OTA 測(cè)試硬件

a:FreeRTOS 目前支持多種開發(fā)板。它支持的開發(fā)套件包括：

• Texas Instruments的 SimpleLink Wi-FiCC3220SF Wireless LaunchPad開發(fā)套件
• Microchip Technology的PIC32MZEF Curiosity開發(fā)套件
• STMicroelectronics的STM32L4 Discovery 套件IoT 節(jié)點(diǎn)
• NXP Semiconductors的 LPC54018 IoT 模塊
• Espressif Systems的ESP32-DEVKITC開發(fā)套件

圖 1：Texas Instruments 的 CC3220SF-LaunchXL 是一個(gè)可以啟動(dòng) Amazon FreeRTOS OTA 的全集成解決方案。該微控制器集成一個(gè) Wi-Fi 模塊，最大限度地減小了物理尺寸并降低能耗。（圖片來源：Texas Instruments）

出于多方面原因，本文將重點(diǎn)介紹 SimpleLink Wi-Fi CC3220SF。首先，CC3220SF 是目前唯一集成了 Wi-Fi 模塊的 a:FreeRTOS 微控制器。雖然其他開發(fā)板具有板載 Wi-Fi 模塊，但 CC3220SF 通過將控制器和 Wi-Fi 功能集成在單一芯片中，節(jié)省了電路板空間和能耗。

其次，CC3220SF 的外部存儲(chǔ)設(shè)備可以存儲(chǔ)固件映像并在引導(dǎo)過程中恢復(fù)映像，因此其安全特性很有意義且更為復(fù)雜。如果讀者能夠在 CC3220SF 上成功設(shè)置 OTA，那么在其他平臺(tái)上將不會(huì)有任何問題。

最后，CC3220SF 是 OTA 演示應(yīng)用支持的第一款處理器，因此設(shè)計(jì)人員可以放心，處理器在 CC3220SF 上已經(jīng)過全面審查。

圖 2：J-Link Ultra+是一款全功能專業(yè)調(diào)試器，其特性包括無限制斷點(diǎn)，以及極快的 SWO 和接口時(shí)鐘速率。開發(fā)人員可以利用 J-Link Ultra+ 執(zhí)行應(yīng)用跟蹤，以便了解 OTA 示例如何工作。（圖片來源：Segger Microcontroller Systems）

除了選擇開發(fā)板之外，開發(fā)人員可能還需放棄板載編程器，而使用專業(yè)編程器，例如 Segger Microcontroller Systems 的 J-Link Ultra+。專業(yè)編程器會(huì)降低程序速度并提供額外的調(diào)試功能，例如應(yīng)用跟蹤和 RTOS 感知調(diào)試，這對(duì)理解黑盒應(yīng)用非常重要。開發(fā)人員也可利用Tag-Connect的TC201510 引腳釘式插頭，輕松將編程器連接到目標(biāo)板。調(diào)試器上可能需要TC2050-ARM201020 引腳適配器來轉(zhuǎn)接 TC2050，以便連接板側(cè)電纜。

圖 3：Tag-Connect 的 TC2050-IDC 10 引腳釘式插頭（左）是一種適配器電纜，可將開發(fā)板或生產(chǎn)電路板上的連接器基底面減到最小。與 SEGGER J-LINK 一起使用時(shí)，可能需要 TC2050-ARM2010 20 引腳適配器來轉(zhuǎn)接 TC2050。（圖片來源：Tag-Connect LLC）

配置 Amazon FreeRTOS 以實(shí)現(xiàn) OTA 升級(jí)

默認(rèn)情況下，OTA 庫(kù)未包含在預(yù)配置的 a:FreeRTOS 包中。開發(fā)人員必須手動(dòng)配置這些庫(kù)和應(yīng)用。首先，應(yīng)登錄AWSIoT 控制臺(tái)并進(jìn)入 Amazon FreeRTOS 菜單。然后，開發(fā)人員可以點(diǎn)擊“Create new（新建）”按鈕開始創(chuàng)建自定義配置（圖 4）。

圖 4：在 AWS IoT 控制臺(tái)中，通過單擊軟件配置菜單中的“Create new（新建）”按鈕可以自定義 a:FreeRTOS 設(shè)備軟件。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

在配置過程中，開發(fā)人員只需要設(shè)置幾項(xiàng)就能配置 OTA 特性。其中包括：

• 選擇硬件
• 選擇所包含的 a:FreeRTOS 庫(kù)
• 設(shè)置配置名稱

對(duì)于本例，開發(fā)人員選擇 CC3220SF-LAUNCHXL（圖 5）。以這種方式選擇硬件平臺(tái)將會(huì)引入所有特定于電路板的文件，包括驅(qū)動(dòng)程序。但是，選擇電路板并不會(huì)自動(dòng)引入 OTA 特性。在庫(kù)部分，開發(fā)人員需要添加 OTA 庫(kù)（如圖 6 所示）。這將包含所有 OTA 庫(kù)，包括開發(fā)人員可以參考或采納的演示示例。

圖 5：選擇將要配合 a:FreeRTOS OTA 特性使用的硬件配置。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

圖 6：將 OTA 升級(jí)庫(kù)添加到 a:FreeRTOS 配置中。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

完成此操作后，開發(fā)人員便可創(chuàng)建配置并下載，然后將 aws_demo 項(xiàng)目導(dǎo)入代碼調(diào)試器。

設(shè)置 OTA 示例代碼

一旦導(dǎo)入 aws_demos OTA 示例，便需要執(zhí)行若干任務(wù)。首先，配置終端、證書和安全密鑰。這可以按照 a:FreeRTOS入門指南中的步驟完成。遵循該指南并按原樣運(yùn)行 aws_demos 項(xiàng)目，以便確認(rèn)已連接到 AWS，然后再執(zhí)行其他操作。

接下來，修改 OTA 演示非常簡(jiǎn)單。打開 aws_demo_runner.c 模塊，找到位于模塊末尾的 DEMO_RUNNER_RunDemos 函數(shù)。應(yīng)對(duì) vStartMQTTEchoDemo 調(diào)用添加注釋，而 vStartOTAUpdateDemoTask 調(diào)用則取消注釋。然后進(jìn)行快速編譯以構(gòu)建項(xiàng)目，在引導(dǎo)程序功能啟用的情況下，項(xiàng)目便可執(zhí)行。

圖 7：將 OTA 演示任務(wù)添加到 aws_demos 應(yīng)用中。（圖片來源：a:FreeRTOS 示例代碼）

配置 Amazon Web Services 以實(shí)現(xiàn) OTA

對(duì)嵌入式軟件開發(fā)人員而言，要運(yùn)行 OTA 示例，進(jìn)行到這一步驟時(shí)將涉及到云端。為了成功運(yùn)行 OTA 示例，開發(fā)人員需要根據(jù) OTA 先決條件指南配置 AWS。這要求開發(fā)人員：

• 創(chuàng)建 Amazon S3 存儲(chǔ)桶
• 授予 AWS 帳戶 OTA 升級(jí)權(quán)限
• 創(chuàng)建 OTA 服務(wù)角色
• 創(chuàng)建 OTA 用戶策略
• 授予訪問代碼簽名服務(wù)的權(quán)限

完成這些操作后，依照最終的用戶指南說明運(yùn)行 OTA a:FreeRTOS 示例。

Amazon FreeRTOS 的 OTA 特性使用技巧與訣竅

使用 a:FreeRTOS 中包含的引導(dǎo)程序功能時(shí)，為盡量減少潛在問題，開發(fā)人員可以采用以下幾點(diǎn)技巧和訣竅。其中包括：

• 閱讀“使用 Amazon FreeRTOS 連接到云”以獲取關(guān)于如何使用 FreeRTOS 的一般技巧和信息。
• 通讀 Amazon OTA 說明文檔（詳見此處）。
• 在開發(fā)過程中，購(gòu)買六片開發(fā)板并將它們分成三組，每組兩片。這樣便可試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)設(shè)備和組可采用的不同方法。
• 首先將固件升級(jí)部署到較小的設(shè)備組，以確保固件升級(jí)沒有問題，然后才升級(jí)整個(gè)設(shè)備集群。
• 利用 AWS Amazon Certificate Manager 創(chuàng)建證書并給固件簽名?？梢允褂玫谌?a target="_blank">認(rèn)證機(jī)構(gòu)，但如果全部在 AWS 內(nèi)完成，該過程會(huì)比較簡(jiǎn)單。
• 考慮將 PIC32MZEF Curiosity 板用于 OTA 實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗堑诙钪С?OTA 測(cè)試版演示的 a:FreeRTOS 開發(fā)套件。

總結(jié)

Amazon FreeRTOS 生態(tài)系統(tǒng)為開發(fā)人員提供了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)固件的范例。對(duì)于可能有不同需求或系統(tǒng)配置的開發(fā)人員，此范例可以輕松擴(kuò)展。利用現(xiàn)有引導(dǎo)程序可為開發(fā)人員節(jié)省大量開發(fā)時(shí)間，以便其專注于產(chǎn)品差異化和價(jià)值主張。

如本文所述，Amazon FreeRTOS 的確可提供空中升級(jí)解決方案，該方案目前用于 Texas Instruments CC3220，而未來無疑將可用于其他 Amazon FreeRTOS 產(chǎn)品。