esp32 Flash分区与OTA功能简析

升级功能对于所有的嵌入式产品都是非常重要的。尤其是当产品量产/销售阶段，已经没有条件让厂家对产品升级，因此升级方式的设计必须防呆防错以及稳定。

乐鑫ESP32作为蓝牙WIFI合一的物联网芯片，开发成产品后势必会使用OTA方式进行升级。本文档对ESP32的Flash分区配置情况以及SDK提供的OTA Demo进行简要分析，并以此作为未来产品OTA流程设计的参考。

本文档只分析SDKOTA Demo的升级流程，不涉及过于具体的Flash操作，具体问题在实际开发过程中再做处理。

 

1：ESP32 Flash空间分区情况

 

1.1ESP32 Flash空间分区配置

目前使用的ESP-WROOM-32集成4MB SPI Flash。在编译esp32程序时，通过make menuconfig -> PartitionTable 可以有三种分区选择：工厂程序（无OTA分区）/工厂程序（双OTA分区）/用户自定义分区。

menuconfig中的配置只是修改配置文件中的宏，实际上ESP32 SDK对应Flash分区配置的源码路径是：

\esp-idf-v3.0-rc1\components\partition_table

该路径下有文件partitions_singleapp/partitions_singleapp_coredump/partitions_two_ota/partitions_two_ota_coredump都是用来对Flash分区进行配置的。

这里以最为复杂的partitions_two_ota_coredump为例，再参考部分代码，可以得知使用partitions_two_ota_coredump配置分区时4M SPI Flash的分区情况：  

                                                    

分区用处需要特殊说明的是：

<1>core dump分区：core dump分区用于查找系统崩溃时的软件错误，简单的说就是软件崩溃的时候会刷写调试信息到Flash保存（掉电不丢失）以便于开发者分析。关于这个分区的使用有博客：《使用ESP32 的调试工具 coredump》

https://blog.youkuaiyun.com/tidyjiang/article/details/72123346

可见core dump分区在实际开发产品时比较有用，需要保留。

<2>Factory App分区：出厂时的主程序存储区

<3>OTA data/OTA_0/OTA_1与OTA升级功能相关，后面再做叙述。

 

1.2 自定义ESP32 Flash分区配置

对于产品开发而言，需要进行Flash分区自定义配置以满足需求。简单的说，至少core dump分区，OTA相关分区，以及掉电需要保存的用户数据区都是必要的。

现在在1.1节 partitions_two_ota_coredump的基础上进行自定义Flash分区配置，在core dump分区后面加上128K user data分区用于保存用户数据，方法如下：

<1>makemenuconfig -> Partition Table -> Custom partition table CSV

选择后会要求输入自定义的分区配置csv文件名，例如填入partition.csv。

<2>从路径\esp-idf-v3.0-rc1\components\partition_table下拷贝一个分区配置文件，使用写字板修改，例如添加128K user data分区：

<3>将新编辑好的partition.csv分区配置文件拷到用户的App目录下，make即可。

<4>烧录编译好的固件后，从调试信息看，Flash分区已经变更完成。用户需要掉电保存的数据可以通过nvs api（nvs_open_from_partition）写入到user data区。（暂时未测试）

2：ESP32 SDK OTA Demo升级流程

 

ESP32SDK路径\esp-idf-v3.0-rc1\examples\system\ota是官方提供的OTA Demo，并且有OTA升级流程图（使用说明）：

但是很显然这对于嵌入式开发而言没有太大参考意义。

ESP32SDK OTA Demo部分代码目前未经调试测试，因此不保证分析完全正确，有谬误再做更改。

 

2.1 ESP32 SDK OTA Demo升级策略

 

升级策略分为两个部分讨论：1：升级目标固件的获取与烧录；2：OTA升级策略。后者是关键。

 

2.1.1升级目标固件的获取与烧录

升级固件的获取与写入非常简单：ESP32连接HTTP服务器；发送请求Get升级固件；每次读取1KB固件数据；写入Flash。嵌入式设备的升级流程基本都是类似的。

期间出现异常的处理是停止升级，指针原地跳转。

 

2.1.2 OTA升级策略

 

OTA升级策略是关键的。欠缺考虑的升级策略会坑死开发人员，更因为终端用户非专业人士，缺乏防呆防错的升级策略经常会使产品升级失败变砖，投诉与赔偿在所难免（手动笑脸）。

    刨去繁琐的代码，简述ESP32SDK OTA Demo的升级策略如下：ESP32 SPI Flash内有与升级相关的（至少）四个分区：OTA data、Factory App、OTA_0、OTA_1。其中FactoryApp内存有出厂时的默认固件。

首次进行OTA升级时，OTA Demo向OTA_0分区烧录目标固件，并在烧录完成后，更新OTA data分区数据并重启。系统重启时获取OTA data分区数据进行计算，决定此后加载OTA_0分区的固件执行（而不是默认的Factory App分区内的固件），从而实现升级。

同理，若某次升级后ESP32已经在执行OTA_0内的固件，此时再升级时OTA Demo就会向OTA_1分区写入目标固件。再次启动后，执行OTA_1分区实现升级。以此类推。

升级的目标固件始终在OTA_0 OTA_1两个分区之间交互烧录，不会影响到出厂时的Factory App固件。

2.2 ESP32 SDK OTA Demo API简略说明

 

根据2.1.2对OTA Demo升级策略的描述，这里罗列一下相关的重要函数接口，但不做仔细分析。具体问题待开发过程中出现时再做处理：

<1>源码路径：\esp-idf-v3.0-rc1\examples\system\ota\main\ota_example_main.c

esp_ota_get_boot_partition：

esp_ota_get_running_partition：

获取当前系统执行的固件所在的Flash分区（两者区别暂时未理解）

esp_ota_get_next_update_partition：

获取当前系统下一个（紧邻当前使用的OTA_X分区）可用于烧录升级固件的Flash分区

esp_ota_begin& esp_ota_write & esp_ota_end:

向可用的Flash分区（一般是OTA_X分区）刷入升级目标固件

esp_ota_set_boot_partition：

升级完成更新OTA data区数据，重启时根据OTA data区数据到Flash分区加载执行目标（新）固件

 

<2>源码路径：\esp-idf-v3.0-rc1\components\bootloader\subproject\main\ bootloader_start.c

load_partition_table：加载Flash分区表（从分区表找到OTA data区地址）

get_selected_boot_partition：获取Flash启动分区（计算OTA data区数据得到）

load_boot_imageunpack_load_app:从Flash启动分区加载解压固件并执行

 

2.3 优点与可能的问题

 

从ESP32 SDKOTA Demo升级策略看，应该是比较稳妥的，无论升级期间出现任何异常，只要OTA data区数据未被修改，设备还可以加载原有的固件执行。

目前看来可能需要考虑的地方有：

<1>是否存在可能，OTA data数据指向了一个升级失败的区，导致设备加载损坏的固件；

<2>因为OTA需要三个升级相关区，因此固件大小被限制在小于SPI Flash Size/3

<3>获取升级目标固件还应当加入防错/重传/校验的机制；出现异常时也应当有相应处理。

<4>留出后台控制接口，用于修改OTA data区，便于远程控制程序运行。

 

 

3：ESP32 SDK OTA升级功能设计

TBD