OTA的概念是什么？OTA怎样实现？

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OTA的概念是什么？如何实现OTA？它的开发流程又是如何进行的呢？

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物联网的兴起，让嵌入式开发进入一个新的境界。然而，物联网毕竟是以太网的一部分，如何实现迭代开发，迅速发布并不断更新，增强用户体验变成了很多开发攻城狮的考验。
　　通过实战演练Ameba Arduino： RTL8195/RTL8710 OTA（Over the Air）上传程序到 Ameba的过程学习，大家可以体会到如何实现OTA。
　　OTA（Over-The-Air）一般而言指的是通过网络更新Firmware，Arduino IDE本身也提供OTA的功能，它的概念如下图：
　　

　　（i） Arduino IDE通过mDNS询问区域网络里提供Arduino IDE OTA服务的装置
　　（ii） Ameba回应Ameba有这个服务。这意谓着Ameba正在执行含有mDNS服务的程序码，并且开启特定的TCP port等待连结。
　　（iii） 使用者在Arduino IDE上开发程序，完成之后选network port
　　（iv） 点选上传程序。此时Arduino IDE会通过TCP将OTA image送至Ameba端，Ameba再将这份image放至特定的位置里，并设定好开机选项，使得下次开机时使用这份image。
　　整个流程里，包含了三个部份：mDNS， TCP， 与OTA image的处理。 mDNS的技术细节请参考mDNS的范例。 TCP socket programming只用于传image，并且被包含在OTA API里面，所以这里不会讨论这部份。至于如何处理OTA image，需要了解Ameba Flash memory如何编排，以及开机流程，请参考下节。
　　Ameba的Flash memory Layout
　　Ameba RTL8195A模组的flash memory大小为2MB， 即flash的位置范围为0x00000000~00200000， 但是Ameba RTL8710模组的flash大小为1MB，所以Ameba的Flash memory layout以泛用性考虑上会以1MB大小做为考虑。
　　以下图为例，Ameba的程序主要占据3个区块：
　　- Boot Image：即Bootloader，当Ameba开机后，会将Boot Image放置到Memory执行。它的工作主要是做一些初始化，其中一项工作就是决定当Bootloader执行完之后，要从哪里执行，它会参考位于System data的OTA Address以及Recovery Pin，如果决定是Default Image 2，则它会将这块Image放置到memory，并接着执行之。
　　- Default Image 2：这部份主要是使用者开发的程序码，从0x0000B000开始，它的前16 bytes为Image档头，其中0x0000B008~0x0000B00F为Signature，这个Signature主要是用来辨识这个Image是否为正常的Image，或只是无意义的资料。 Signature有两种合法的值，用于区别这份Image是新的或旧的。
　　- OTA Image：这部份也是使用者开发的程序码，预设从0x00080000开始，这个位置可以更改。 OTA Image主要用于更新程序码。它与Default Image 2的差异是摆放在Flash的位置不同，以及Signature不同。
　　除了程序之外，也有一些资料区块：
　　- System Data：这个区块里放了系统相关的资讯，从0x00009000开始。其中与OTA相关的资料有2个：
　　1. OTA address：从0x00009000开始的4个bytes，它描述了OTA Image的位置，如果OTA address里面是不合法的值（即0xFFFFFFFF），即使Flash memory里面有合法的OTA image，也会因此找不到而认为没有。
　　2. Recovery Pin：从0x00009008开始的4个bytes，它的用途是，当Default Image 2与OTA Image都是正常的Image时，其中Signature会显示出其中一块Image是新的，另一块则是旧的，此时Recovery Pin会决定要执行哪一块Image。如果Recovery Pin是不合法的值（即0xFFFFFFFF），则预设会执行新的Image
　　System Data的资料在使用DAP通过USB上传程序码时，也会一并删除，意谓着OTA address也会被抹除，Ameba在这种情况下会认为没有OTA image。
　　- Calibration Data：这个区块放置周边校正的参数，正常情况下请勿删除这里的资料。
　　

　　Ameba的开机流程
　　Ameba的开机流程如下图，说明如下：
　　

　　我们分成几种开机的情境讨论：
　　（i） 未使用OTA，并使用DAP通过USB上传程序码：
　　这种是一般接USB线使用开发版上传程序码的情况。 Bootloader会先检查Default Image 2的signature，接着检查OTA address，但会因为OTA address并未设定，因此认为没有OTA image，因此选择Default Image 2来执行
　　（ii） 已烧录OTA image，已正确设定OTA addres，但未设定recovery pin：
　　这种情境通常发生在Ameba已通过OTA更新程序，此时Default Image 2的signature会被设定成旧的，而OTA image的signature会被设定成新的。
　　Bootloader在检查完Default Image 2之后，在检查OTA 时会发现flash memory里面有合法的OTA image，接着检查recovery pin时因为没有设定recovery pin，因此会选择新的Image执行，也就是执行OTA image。
　　（iii） 已烧录OTA image，已正确设定OTA address，并且设定recovery pin：
　　这种情况一样是Ameba已通过OTA更新程序，一样Default image 2的signature是旧的，而OTA image的signature是新的。
　　Bootloader在检查完Default Image 2之后，在检查OTA 时会发现flash memory里面有合法的OTA image，接着检查recovery pin，虽然我们已设定recovery pin，但如果没有将它接到
　　HIGH （3.3V）的讯号，它一样会执行新的Image，也就是OTA image。但如果使用者想要回复到初始状态，它可以将recovery pin接到HIGH的讯号，这样就会执行旧的Image，也就是Default Image 2
　　使用范例与测试
　　使用OTA需要更新DAP firmware至0.7版之后（不包含0.7版），预设出厂是0.7版，请参考网址更新：https://www.amebaiot.com/change-dap-firmware/
　　我们打开范例 “File” -》 “Examples” -》 “AmebaOTA” -》 “ota_basic”
　　范例里会使用到网络，所以我们设定欲连上的ssid与密码
　　

　　接着有一些参数可以设定
　　MY_VERSION_NUMBER：在第一版里，我们需要设定OTA address以及recovery pin，因为这一次通过USB上传程序码就是第一版，所以我们不需改它
　　OTA_PORT：Arduino IDE会经由mDNS找到Ameba，并且Ameba会告诉Arduino IDE让它知道我们在TCP port 5000接收OTA image
　　RECOVERY_PIN：设定可以回复到初版的pin，这里使用pin 18
　　

　　改完之后我们要确认使用USB上传程序码，我们点选Tools -》 Ports， 检查是否使用Serial Port：
　　

　　这边要注意的地方是，不管是串口或是网口 ，Arduino IDE在上传code与显示log使用的是同一个port，为了避免之后使用OTA时，无法从log uart看到log，我们改用其它Serial port terminal （Ex. Tera term or putty）来看log，（原本使用Serial Monitor）。
　　然后点选上传，上传完成之后，按下Reset，可以看到底下的Log。这份log有一些可以注意的地方：
　　1. 在“===== Enter Image 1====” 与“Enter Image 2 ====” 中间有个log “Flash Image 2:Addr 0xb000”， 代表这次是选择位于0xb000的Default Image 2开机
　　2. “Enter Image 2 ====”之后有段log “This is version 1”， 这段log是我们在sketch里面自己加的log，可以看到这是第一版
　　3. 连上AP之后，Ameba取得的IP是 “192.168.1.238”，它会启动mDNS，并且等待client连进来
　　

　　接着我们将我们的程序码进版，将MY_VERSION_NUMBER改成2
　　

　　接着在“Tools”-》 “Port”里面会出现“Network ports”的列表，其中一个是“MyAmeba at 192.168.1.238 （Ameba RTL8195A）” ，其中MyAmeba是我们为Ameba在启用mDNS时设定的装置名称， “192.168.1.238”是Ameba连上AP之后取得的IP，代表Arduino IDE已经从网络取得Ameba的IP，后面的Ameba RTL8195A是装置的型号。
　　

　　如果你的Arduino IDE没有找到Ameba的network port，请确认
　　- 你的电脑与Ameba是否在同个区域网络里？
　　- 重开Arduino IDE试试看， Arduino IDE会重新找寻mDNS服务
　　- 在Serial Monitor的log里Ameba是否成功连上AP并且成功启用mDNS
　　接着我们点选上传程序码，这次的程序码就不会从USB上传，而是经由网络TCP传送，你会看到底下的log，会看到有client连进来，它的IP是“192.168. 1.226”，这个IP应该与你的电脑的IP是同一个。接着它会读OTA的资讯并尝试下载OTA
　　

　　下载OTA成功之后，它会马上重开机，会有底下的log
　　- 在 “===== Enter Image 1====” 与 “Enter Image 2 ====” 中间有个log “Flash Image 2:Addr 0x80000”， 代表这次是选择位于0x80000的OTA Image开机
　　- “Enter Image 2 ====”之后有段log “This is version 2”， 这段log是我们在sketch里面自己加的log，代表已经进到第2版
　　

　　如果发现之后下载的OTA不是你想要的，或者想要回复到初版，可以将我们在sketch里第一版设定的Recover pin（即pin 18）接到HIGH（3.3V），然后按下Reset
　　

　　此时你应该会发现它又选择位于0xb000的Default Image 2来执行。
　　要特别注意一点，如果之后不将Recover Pin接到HIGH，并此时按Reset，它还是会执行OTA image，Recover pin只用于开机时决定要执行哪一块image，并非抹除特定的image。
　　所以整个包含OTA的开发流程大致如下：
　　

程序码说明：
　　1.程序一开始一样先连上WiFi
　　2.接着有一段code只有在第一版才会执行
　　#if MY_VERSION_NUMBER == 1
　　OTA.setOtaAddress（DEFAULT_OTA_ADDRESS）;
　　OTA.setRecoverPin（RECOVER_PIN）;
　　#endif
　　setOtaAddress会将OTA address写到flash memory的system data里面，目前default值是0x00080000，
　　OTA.setOtaAddress（DEFAULT_OTA_ADDRESS）;
　　接着setRecoverPin会设定recover pin，这里的RECOVERY_PIN是自己定义的值
　　OTA.setRecoverPin（RECOVER_PIN）;
　　3.然后是每一版都需要执行的部份，是启用mDNS的服务，这里的OTA API已经将Arduino IDE使用的格式包装起来，使用者只需要设定装置的名称，以及要开放OTA所使用的TCP port即可。这个API里面的mDNS实作内容与AmebaMDNS的范例是一样的。
　　OTA.beginArduinoMdnsService（“MyAmeba”， OTA_PORT）;
　　4.最后是启用OTA，程序码会在这里等待client连进挨，当OTA完成之后会重新启动Ameba。或者是当它失败时才会往下执行。
　　OTA.beginLocal（OTA_PORT）
　　程序码说明（nonblock的范例）
　　在前面的范例ota_basic里面，可以看到整份程序码其实只为了做OTA，而没有做其它事，在一般的使用情境会是，我们启用OTA，并且做其它想做的事（Ex. 点LED灯、操作Servo……），这种需求可以参考另个范例“File” -》 “Examples” -》 “AmebaOTA” -》 “ota_non_block”
　　这个范例里将上述的流程包装成两个Thread，程序码的流程如下图。
　　一开始的main thread会启用wifi_service_thread，它负责连上WiFi，连上AP之后启用另一个ota_thread，它负责OTA的部份。此时原本的main thread可以做自己想做的事。 ：
　　

　　底下描述程序码的一些设定：
　　在main thread的setup（）一开始我们呼叫os_thread_create API，第一个参数是Thread的function pointer，第二个参数是要带进wifi_service_thread的参数，这里我们没有要带参数，第三个参数是thread的优先权，因为这个thread我们有适当地交出执行权，所以我们将它的优先权设定成最高，第四个参数是thread使用的记忆体，如果要在这个thread里面加更多功能就要考虑将这里的记忆体加大。
　　os_thread_create（wifi_service_thread， NULL， OS_PRIORITY_REALTIME， 2048）;
　　呼叫完之后，OS会在main thread与wifi_service_thread排程并执行Main thread接着的loop（）里面只有每秒印一次log
　　wifi_service_thread则是检查WiFi连线状况，如果未连线则尝试连上AP。连上AP之后，如果是第一次连上AP，则新增ota_thread。
　　这里只差在第一个参数是ota_thread。 os_thread_create的回传值是thread id，我们将它记
　　下来避免重复新增ota_thread
　　ota_thread_id = os_thread_create（ota_thread， NULL， OS_PRIORITY_REALTIME， 2048）;
　　在这之后，OS会在main thread， wifi_service_thread， 与ota_thread排程并执行
　　wifi_service_thread之后就是不断检查WiFi的情况，如果断线就尝试连线
　　ota_thread则是执行OTA的工作，如果OTA失败就重试，如果OTA成功则会重新启动，又回到一开始的地方。

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OTA是通过移动通信的空中接口对SIM卡数据及应用进行远程管理的技术。空中接口可以采用WAP、GPRS、CDMA1X及短消息技术。OTA技术的应用，使得移动通信不仅可以提供语音和数据服务，而且还能提供新业务下载。