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嵌入式微控制器應(yīng)用中的無線(OTA)更新：設(shè)計(jì)權(quán)衡與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

2021-03-16 15:10:02 未知

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摘要
許多嵌入式系統(tǒng)部署在操作人員難以或無法接近的地方。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用尤其如此，這些應(yīng)用通常大量部署并且電池壽命有限。實(shí)例包括監(jiān)控人員或機(jī)器健康狀況的嵌入式系統(tǒng)。這些挑戰(zhàn)加上快速迭代的軟件生命周期，導(dǎo)致許多系統(tǒng)需要支持無線(OTA)更新。OTA更新用新軟件替換嵌入式系統(tǒng)的微控制器或微處理器上的軟件。雖然很多人非常熟悉移動(dòng)設(shè)備上的OTA更新，但在資源受限的系統(tǒng)上設(shè)計(jì)和實(shí)施會(huì)帶來許多不同的挑戰(zhàn)。本文將介紹針對(duì)OTA更新的若干不同軟件設(shè)計(jì)，并討論其優(yōu)缺點(diǎn)。我們將了解OTA更新軟件如何利用兩款超低功耗微控制器的硬件特性。

構(gòu)建模塊

服務(wù)器和客戶端
OTA更新用新軟件替換器件上的當(dāng)前軟件，新軟件以無線方式下載。在嵌入式系統(tǒng)中，運(yùn)行此軟件的器件通常是微控制器。微控制器是一種小型計(jì)算器件，其存儲(chǔ)器、速度和功耗均很有限。微控制器通常包含微處理器（核心）和用于執(zhí)行特定操作的數(shù)字硬件模塊（外設(shè)）。工作模式下典型功耗為30μA/MHz至40μA/MHz的超低功耗微控制器是此類應(yīng)用的理想選擇。使用這些微控制器上的特定硬件外設(shè)并將其置于低功耗模式，是OTA更新軟件設(shè)計(jì)的重要組成部分。圖1顯示了一個(gè)可能需要OTA更新的嵌入式系統(tǒng)實(shí)例。可以看到，一個(gè)微控制器與無線電和傳感器相連，這可用在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，利用傳感器收集有關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)，并利用無線電定期報(bào)告數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的這一部分稱為邊緣節(jié)點(diǎn)或客戶端，是OTA更新的目標(biāo)。系統(tǒng)的另一部分稱為云或服務(wù)器，是新軟件的提供者。服務(wù)器和客戶端利用收發(fā)器（無線電）通過無線連接進(jìn)行通信。

圖1.示例嵌入式系統(tǒng)中的服務(wù)器/客戶端架構(gòu)

何為軟件應(yīng)用程序？
OTA更新過程的大部分操作是將新軟件從服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳恕＼浖脑锤袷睫D(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式之后，作為一個(gè)字節(jié)序列進(jìn)行傳輸。轉(zhuǎn)換過程會(huì)編譯源代碼文件（例如c、cpp），將其鏈接成一個(gè)可執(zhí)行文件（例如exe、elf），然后將可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換為可移植的二進(jìn)制文件格式（例如bin、hex）。概言之，這些文件格式包含一個(gè)字節(jié)序列，此字節(jié)序列屬于微控制器中存儲(chǔ)器的特定地址。通常，我們將通過無線鏈路發(fā)送的信息概念化為數(shù)據(jù)，例如更改系統(tǒng)狀態(tài)的命令或系統(tǒng)收集的傳感器數(shù)據(jù)。就OTA更新而言，數(shù)據(jù)就是二進(jìn)制格式的新軟件。在很多情況下，二進(jìn)制文件非常大，無法通過單次傳輸從服務(wù)器發(fā)送到客戶端，這意味著需要將二進(jìn)制文件放入多個(gè)不同的數(shù)據(jù)包中，此過程稱為“分包”。為了更好地說明此過程，圖2演示了軟件的不同版本如何生成不同的二進(jìn)制文件，從而在OTA更新期間發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包。在這個(gè)簡單例子中，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含8字節(jié)數(shù)據(jù)，前4個(gè)字節(jié)表示客戶端存儲(chǔ)器中用來存儲(chǔ)后4個(gè)字節(jié)的地址。

主要挑戰(zhàn)
基于對(duì)OTA更新過程的這種高層次描述，OTA更新解決方案必須應(yīng)對(duì)三大挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)與存儲(chǔ)器有關(guān)。軟件解決方案必須將新軟件應(yīng)用程序組織到客戶端器件的易失性或非易失性存儲(chǔ)器中，以便在更新過程完成時(shí)可以執(zhí)行它。解決方案必須確保將前一版本的軟件保留為后備應(yīng)用程序，以防新軟件出現(xiàn)問題。此外，當(dāng)復(fù)位和斷電重啟時(shí)，我們必須讓客戶端器件的狀態(tài)——例如當(dāng)前運(yùn)行的軟件版本以及它在存儲(chǔ)器中的位置——保持不變。第二大挑戰(zhàn)是通信。新軟件必須以離散數(shù)據(jù)包的形式從服務(wù)器發(fā)送到客戶端，每個(gè)數(shù)據(jù)包都要放在客戶端存儲(chǔ)器中的特定地址。分包方案、數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議必須在軟件設(shè)計(jì)中考慮周全。最后一個(gè)主要挑戰(zhàn)是安全性。當(dāng)新軟件以無線方式從服務(wù)器發(fā)送到客戶端時(shí)，我們必須確保服務(wù)器是可信任方。這種安全挑戰(zhàn)稱為身份驗(yàn)證。我們還必須對(duì)新軟件進(jìn)行模糊處理以防觀察者偷窺，因?yàn)槠渲锌赡馨舾行畔ⅰ＿@種安全挑戰(zhàn)稱為保密。安全性的最后一個(gè)要素是完整性，即確保新軟件在通過無線方式發(fā)送時(shí)不會(huì)損壞。

圖2.軟件應(yīng)用程序的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換和分包過程

第二階段引導(dǎo)加載程序(SSBL)

了解引導(dǎo)序列
主引導(dǎo)加載程序是一種軟件應(yīng)用程序，永久駐留在微控制器的只讀存儲(chǔ)器中。主引導(dǎo)加載程序所在的存儲(chǔ)區(qū)域稱為信息空間，有時(shí)用戶無法訪問。每次復(fù)位都會(huì)執(zhí)行該應(yīng)用程序，一般完成一些必要的硬件初始化，并且可能將用戶軟件加載到存儲(chǔ)器中。但是，如果微控制器包含片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)器（如閃存），則引導(dǎo)加載程序不需要進(jìn)行任何加載，只需將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到閃存中的程序即可。如果主引導(dǎo)加載程序不支持OTA更新，則必須有第二階段引導(dǎo)加載程序。與主引導(dǎo)加載程序一樣，SSBL會(huì)在每次復(fù)位時(shí)運(yùn)行，但將實(shí)施OTA更新過程的一部分。此引導(dǎo)序列如圖3所示。本節(jié)將說明為什么需要第二階段引導(dǎo)加載程序，并解釋如何指定此應(yīng)用程序的作用是一個(gè)重要設(shè)計(jì)權(quán)衡。

經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：務(wù)必有一個(gè)SSBL
從概念上講，省略SSBL并將所有OTA更新功能放入用戶應(yīng)用程序似乎更簡單，因?yàn)檫@樣的話，OTA過程可以無縫利用現(xiàn)有的軟件框架、操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。圖4顯示了一個(gè)選擇此方法的系統(tǒng)的存儲(chǔ)器映射和引導(dǎo)序列。

應(yīng)用程序A是部署在現(xiàn)場微控制器上的原始應(yīng)用程序。此應(yīng)用程序包含OTA更新相關(guān)軟件，當(dāng)服務(wù)器請求時(shí)，利用該軟件可下載應(yīng)用程序B。下載完成且應(yīng)用程序B經(jīng)過驗(yàn)證之后，應(yīng)用程序A將對(duì)應(yīng)用程序B的復(fù)位處理程序執(zhí)行分支指令，以將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給應(yīng)用程序B。復(fù)位處理程序是一小段代碼，用作軟件應(yīng)用程序的入口點(diǎn)，并在復(fù)位時(shí)運(yùn)行。在這種情況下，復(fù)位是通過執(zhí)行一個(gè)分支來模擬，這相當(dāng)于函數(shù)調(diào)用。這種方法有兩大問題：

? 許多嵌入式軟件應(yīng)用程序采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，其允許將軟件拆分為多個(gè)并發(fā)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)中具有不同的職責(zé)。例如，圖1所示的應(yīng)用程序可能有用于讀取傳感器的RTOS任務(wù)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)運(yùn)行某種算法的RTOS任務(wù)，以及與無線電接口的RTOS任務(wù)。RTOS本身始終處于活動(dòng)狀態(tài)，負(fù)責(zé)根據(jù)異步事件或特定的基于時(shí)間的延遲切換這些任務(wù)。因此，從RTOS任務(wù)分支到新程序是不安全的，因?yàn)槠渌蝿?wù)會(huì)在后臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行。對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，終止某個(gè)程序的唯一安全方法是通過復(fù)位。

圖3.使用SSBL的存儲(chǔ)器映射和引導(dǎo)流程示例

圖4.沒有SSBL的存儲(chǔ)器映射和引導(dǎo)流程示例

? 基于圖4，上述問題的解決辦法是讓主引導(dǎo)加載程序分支到應(yīng)用程序B而不是應(yīng)用程序A。但在某些微控制器上，主引導(dǎo)加載程序總是運(yùn)行具有中斷向量表(IVT)的程序；IVT是應(yīng)用程序的一個(gè)關(guān)鍵部分，描述中斷處理函數(shù)，位于地址0。這意味著必須以某種形式重定位IVT，使其復(fù)位映射到應(yīng)用程序B。如果在IVT重定位期間發(fā)生斷電重啟，則系統(tǒng)可能會(huì)處于永久破損狀態(tài)。

將SSBL固定在地址0可以解決這些問題，如圖3所示。SSBL不是RTOS程序，因此可以安全地分支到新應(yīng)用程序。地址0處的SSBL的IVT永遠(yuǎn)不會(huì)重新定位，所以不必?fù)?dān)心斷電重啟會(huì)將系統(tǒng)置于災(zāi)難性狀態(tài)。

設(shè)計(jì)權(quán)衡：SSBL的作用
我們花了很多時(shí)間討論SSBL及其與應(yīng)用軟件的關(guān)系，但SSBL程序有何作用？至少，該程序必須確定當(dāng)前應(yīng)用程序是什么（其開始位置），然后分支到該地址。微控制器存儲(chǔ)器中各種應(yīng)用的位置一般保存在目錄(ToC)中，如圖3所示。這是持久內(nèi)存中的一個(gè)共享區(qū)域，SSBL和應(yīng)用軟件均利用它來相互通信。當(dāng)OTA更新過程完成時(shí)，新的應(yīng)用程序信息會(huì)更新ToC。OTA更新功能的某些部分也可以被推送到SSBL。開發(fā)OTA更新軟件時(shí)，確定推送哪些部分是重要的設(shè)計(jì)決策。上述最小SSBL將非常簡單，易于驗(yàn)證，并且在應(yīng)用程序的生命周期中很可能不需要修改。但是，這意味著每個(gè)應(yīng)用程序都要負(fù)責(zé)下載和驗(yàn)證下一個(gè)應(yīng)用程序。這可能導(dǎo)致無線電堆棧、設(shè)備固件和OTA更新軟件的代碼重復(fù)。另一方面，我們可以選擇將整個(gè)OTA更新過程推送到SSBL。在這種情況下，應(yīng)用程序只需在ToC中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志以請求更新，然后執(zhí)行復(fù)位。SSBL隨后執(zhí)行下載序列和驗(yàn)證過程。這將最大限度地減少代碼重復(fù)并簡化應(yīng)用專用軟件。然而，這會(huì)引入一個(gè)新的挑戰(zhàn)，那就是可能需要更新SSBL本身（即更新更新代碼）。最終，決定SSBL中放置哪些功能將取決于客戶端器件的存儲(chǔ)器限制、下載的應(yīng)用程序之間的相似性以及OTA更新軟件的可移植性。

設(shè)計(jì)權(quán)衡：緩存和壓縮
OTA更新軟件中的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策是在OTA更新過程中如何組織存儲(chǔ)器中傳入的應(yīng)用程序。微控制器上通常有兩類存儲(chǔ)器：非易失性存儲(chǔ)器（例如閃存）和易失性存儲(chǔ)器（例如SRAM）。閃存用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序的程序代碼和只讀數(shù)據(jù)，以及其他系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)，例如ToC和事件日志。SRAM用于存儲(chǔ)軟件應(yīng)用程序的可修改部分，例如非常數(shù)全局變量和堆棧。圖2所示的軟件應(yīng)用程序二進(jìn)制文件僅包含非易失性存儲(chǔ)器中存在的程序的某些部分。在啟動(dòng)例程期間，應(yīng)用程序?qū)⒊跏蓟瘜儆谝资源鎯?chǔ)器的部分。

在OTA更新過程中，每次客戶端器件從服務(wù)器收到一個(gè)包含該二進(jìn)制文件一部分的數(shù)據(jù)包時(shí)，便會(huì)將其存儲(chǔ)到SRAM中。該數(shù)據(jù)包可以是壓縮的，也可以是未壓縮的。壓縮應(yīng)用程序二進(jìn)制文件的好處是文件會(huì)變小，從而要發(fā)送的數(shù)據(jù)包會(huì)減少，下載過程中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包所需的SRAM空間相應(yīng)地減小。這種方法的缺點(diǎn)是壓縮和解壓縮會(huì)增加更新過程的處理時(shí)間，并且必須在OTA更新軟件中捆綁壓縮相關(guān)代碼。

新應(yīng)用軟件屬于閃存，但在更新過程中到達(dá)SRAM，因此OTA更新軟件需要在更新過程中的某個(gè)時(shí)刻執(zhí)行對(duì)閃存的寫操作。暫時(shí)將新應(yīng)用程序存儲(chǔ)在SRAM中的操作稱為緩存。概言之，OTA更新軟件可以采取三種不同的緩存方法。

? 不緩存：每次包含新應(yīng)用程序一部分的數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，便將其寫入閃存中的目標(biāo)位置。這種方案非常簡單，可以最大限度地減少OTA更新軟件中的邏輯數(shù)量，但要求完全擦除新應(yīng)用程序?qū)?yīng)的閃存區(qū)域。此方法會(huì)消磨閃存并增加開銷。

? 部分緩存：保留一個(gè)SRAM區(qū)域用于緩存，當(dāng)新數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，將其存儲(chǔ)在該區(qū)域中。當(dāng)該區(qū)域填滿時(shí)，將數(shù)據(jù)寫入閃存以清空該區(qū)域。如果數(shù)據(jù)包無序到達(dá)或新應(yīng)用程序二進(jìn)制文件中存在間隙，這種方案可能會(huì)變得很復(fù)雜，因?yàn)樾枰环N方法來將SRAM地址映射到閃存地址。一種策略是讓緩存充當(dāng)閃存一部分的鏡像。閃存被劃分為若干稱為頁面的小區(qū)域，這是可供擦除的最小區(qū)域。得益于這種自然劃分，一個(gè)好辦法是在SRAM中緩存閃存的一頁，當(dāng)其填滿或下一數(shù)據(jù)包屬于其他頁面時(shí)，便將該頁寫入閃存以清空緩存。

? 完全緩存：在OTA更新過程中將整個(gè)新應(yīng)用程序存儲(chǔ)在SRAM中，只有從服務(wù)器完全下載好新應(yīng)用程序之后才將其寫入閃存。這種方法克服了前述方法的缺點(diǎn)，寫入閃存的次數(shù)最少，OTA更新軟件無需復(fù)雜的緩存邏輯。但是，這會(huì)限制所下載新應(yīng)用程序的大小，因?yàn)橄到y(tǒng)的可用SRAM量通常遠(yuǎn)小于可用閃存量。

圖5.使用SRAM緩存閃存的一頁

圖5顯示了OTA更新過程中的第二種方案——部分緩存，來自圖3和圖4的應(yīng)用程序A所對(duì)應(yīng)的閃存部分被放大，并且顯示了用于SSBL的SRAM的功能存儲(chǔ)器映射。示例閃存頁面大小為2 kB。最終，此設(shè)計(jì)決策將取決于新應(yīng)用程序的大小和OTA更新軟件容許的復(fù)雜度。

安全和通信

設(shè)計(jì)權(quán)衡：軟件與協(xié)議
OTA更新解決方案還必須解決安全和通信問題。如圖1所示，許多系統(tǒng)會(huì)在硬件和軟件中實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，以支持系統(tǒng)的普通（非OTA更新相關(guān)）操作，例如交換傳感器數(shù)據(jù)。這意味著服務(wù)器和客戶端之間已經(jīng)建立了（可能是安全的）無線通信的方法。類似圖1所示的嵌入式系統(tǒng)可以使用的通信協(xié)議有低功耗藍(lán)牙^® (BLE)或6LoWPAN等。有時(shí)候，這些協(xié)議支持安全性和數(shù)據(jù)交換，OTA更新軟件在OTA更新過程中可以利用。

OTA更新軟件中必須構(gòu)建的通信功能量最終將取決于現(xiàn)有通信協(xié)議提供的抽象程度。現(xiàn)有通信協(xié)議具有用于在服務(wù)器和客戶端之間發(fā)送和接收文件的工具，OTA更新軟件可以簡單地將該工具用于下載過程。但是，如果通信協(xié)議較為原始，只有發(fā)送原始數(shù)據(jù)的工具，那么OTA更新軟件可能需要執(zhí)行分包處理，并提供元數(shù)據(jù)和新應(yīng)用程序二進(jìn)制文件。這也適用于安全挑戰(zhàn)。如果通信協(xié)議不支持，OTA更新軟件可能要負(fù)責(zé)對(duì)無線保密發(fā)送的字節(jié)進(jìn)行解密。

總之，在OTA更新軟件中實(shí)施哪些功能，例如自定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)、服務(wù)器/客戶端同步、加密和密鑰交換等，將取決于系統(tǒng)的通信協(xié)議提供了什么內(nèi)容以及對(duì)安全性和穩(wěn)健性的要求。下一節(jié)將提出一個(gè)完整的安全解決方案，其解決了之前介紹的所有挑戰(zhàn)，我們將展示如何在此解決方案中利用微控制器的加密硬件外設(shè)。

解決安全挑戰(zhàn)
我們的安全解決方案需要讓新應(yīng)用程序以無線方式保密發(fā)送，檢測新應(yīng)用程序中的任何損壞，并驗(yàn)證新應(yīng)用程序是從受信任的服務(wù)器而不是惡意方發(fā)送的。這些挑戰(zhàn)可通過加密操作來解決。具體而言，該安全解決方案可以使用兩種加密操作：加密和哈希處理。加密使用客戶端和服務(wù)器共享的密鑰（密碼）來對(duì)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理。微控制器的加密硬件加速器可能支持的特定加密類型是AES-128或AES-256，具體取決于密鑰大小。除了加密數(shù)據(jù)，服務(wù)器還可以發(fā)送一個(gè)摘要以確保沒有損壞。摘要通過對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行哈希處理來生成，這是一種用于生成唯一代碼的不可逆數(shù)學(xué)函數(shù)。在服務(wù)器產(chǎn)生消息或摘要之后，如果其任何部分遭到修改，比如在無線通信期間有一位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則客戶端在對(duì)數(shù)據(jù)包執(zhí)行相同的哈希函數(shù)處理并比較摘要時(shí)，會(huì)注意到此修改。微控制器的加密硬件加速器可能支持的特定哈希處理類型是SHA-256。圖6顯示了微控制器中的加密硬件外設(shè)的框圖，OTA更新軟件駐留在Cortex-M4應(yīng)用層中。此圖還顯示了其支持將受保護(hù)密鑰存儲(chǔ)在外設(shè)中，OTA更新軟件解決方案可以利用這一點(diǎn)來安全存儲(chǔ)客戶端密鑰。

圖6.ADuCM4050上的加密加速器的硬件框圖

解決身份驗(yàn)證這一最終挑戰(zhàn)的常見技術(shù)是使用非對(duì)稱加密。對(duì)于此操作，服務(wù)器會(huì)生成一個(gè)公鑰-私鑰對(duì)。私鑰只有服務(wù)器知道，客戶端知道公鑰。服務(wù)器使用私鑰可以生成給定數(shù)據(jù)塊的簽名，例如要無線發(fā)送的數(shù)據(jù)包的摘要。簽名被發(fā)送給客戶端，后者可以使用公鑰驗(yàn)證簽名。這樣，客戶端就能確認(rèn)消息是從服務(wù)器而不是惡意第三方發(fā)送的。此序列如圖7所示，實(shí)線箭頭表示函數(shù)輸入/輸出，虛線箭頭表示無線發(fā)送的信息。

圖7.使用非對(duì)稱加密驗(yàn)證消息

多數(shù)微控制器沒有用于執(zhí)行這些非對(duì)稱加密操作的硬件加速器，但可以使用Micro-ECC等專門針對(duì)資源受限器件的軟件庫來實(shí)現(xiàn)。該庫需要一個(gè)用戶定義的隨機(jī)數(shù)生成功能，這可以利用微控制器上的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器硬件外設(shè)來實(shí)現(xiàn)。雖然這些非對(duì)稱加密操作解決了OTA更新期間的信任挑戰(zhàn)，但是會(huì)消耗大量處理時(shí)間，并且需要將簽名與數(shù)據(jù)一同發(fā)送，這會(huì)增加數(shù)據(jù)包大小。我們可以在下載結(jié)束時(shí)使用最后數(shù)據(jù)包的摘要或整個(gè)新軟件應(yīng)用程序的摘要執(zhí)行一次此檢查，但如此的話，第三方將能把不受信任的軟件下載到客戶端，這不太理想。理想情況下，我們希望驗(yàn)證所收到的每個(gè)數(shù)據(jù)包都來自我們信任的服務(wù)器，而且沒有每次都需要簽名的開銷。這可以利用哈希鏈來實(shí)現(xiàn)。

哈希鏈將本節(jié)討論的加密概念整合到一系列數(shù)據(jù)包中，以便在數(shù)學(xué)上將它們聯(lián)系在一起。如圖8所示，第一個(gè)數(shù)據(jù)包（編號(hào)0）包含下一個(gè)數(shù)據(jù)包的摘要。第一個(gè)數(shù)據(jù)包的有效載荷不是實(shí)際的軟件應(yīng)用程序數(shù)據(jù)，而是簽名。第二個(gè)數(shù)據(jù)包（編號(hào)1）的有效載荷包含二進(jìn)制文件的一部分和第三個(gè)數(shù)據(jù)包（編號(hào)2）的摘要。客戶端驗(yàn)證第一個(gè)數(shù)據(jù)包中的簽名并緩存摘要H0以供以后使用。當(dāng)?shù)诙€(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，客戶端對(duì)有效載荷進(jìn)行哈希處理并將其與H0進(jìn)行比較。如果它們匹配，客戶端便可確定該后續(xù)數(shù)據(jù)包來自可信服務(wù)器，而無需費(fèi)力進(jìn)行簽名檢查。生成此鏈的高開銷任務(wù)留給服務(wù)器完成，客戶端只需在每個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)進(jìn)行緩存和哈希處理，確保到達(dá)的數(shù)據(jù)包完整無損并驗(yàn)明正身。

圖8.將哈希鏈應(yīng)用于數(shù)據(jù)包序列

實(shí)驗(yàn)設(shè)置
解決本文所述存儲(chǔ)器、通信和安全設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的超低功耗微控制器是ADuCM3029和ADuCM4050.這些微控制器包含本文討論的用于OTA更新的硬件外設(shè)，例如閃存、SRAM、加密加速器和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。這些微控制器的器件系列包(DFP)為在這些器件上構(gòu)建OTA更新解決方案提供了軟件支持。DFP包含外設(shè)驅(qū)動(dòng)，以便為使用硬件提供簡單靈活的接口。

硬件配置
為了驗(yàn)證本文討論的概念，我們利用ADuCM4050創(chuàng)建了OTA更新軟件參考設(shè)計(jì)。對(duì)于客戶端，一個(gè)ADuCM4050 EZ-KIT^®使用收發(fā)器子板馬蹄形連接器連接到ADF7242。客戶端器件如圖9左側(cè)所示。對(duì)于服務(wù)器，我們開發(fā)了一個(gè)在Windows PC上運(yùn)行的Python應(yīng)用程序。Python應(yīng)用程序通過串行端口與另一個(gè)ADuCM4050 EZ-KIT通信，后者也以與客戶端相同的配置連接一個(gè)ADF7242。但是，圖9中右邊的EZ-KIT不執(zhí)行OTA更新邏輯，只是將從ADF7242接收到的數(shù)據(jù)包中繼給Python應(yīng)用程序。

圖9.實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)置

軟件組件
軟件參考設(shè)計(jì)對(duì)客戶端器件的閃存進(jìn)行分區(qū)，如圖3所示。主要客戶端應(yīng)用程序具有非常好的移植性和可配置性，以便其他方案或其他硬件平臺(tái)也可以使用。圖10顯示了客戶端器件的軟件架構(gòu)。請注意，雖然我們有時(shí)將整個(gè)應(yīng)用程序稱為SSBL，但在圖10中，并且從現(xiàn)在開始，我們在邏輯上將真正的SSBL部分（藍(lán)色）與OTA更新部分（紅色）分開，因?yàn)楹笳卟灰欢ㄐ枰耆谏鲜鰬?yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)。圖10所示的硬件抽象層使OTA客戶端軟件可移植并獨(dú)立于任何底層庫（以橙色顯示）。

圖10.客戶端軟件架構(gòu)

軟件應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)圖3中的引導(dǎo)序列（一個(gè)用于從服務(wù)器下載新應(yīng)用程序的簡單通信協(xié)議）和哈希鏈。通信協(xié)議中的每個(gè)數(shù)據(jù)包都有12字節(jié)的元數(shù)據(jù)頭、64字節(jié)的有效載荷和32字節(jié)的摘要。此外，它還有如下特性：

? 緩存：根據(jù)用戶配置，支持不緩存或緩存閃存的一頁。
? 目錄：ToC設(shè)計(jì)為僅容納兩個(gè)應(yīng)用程序，并且新應(yīng)用程序總是下載到最舊的位置，以保留一個(gè)備用應(yīng)用程序。這稱為A/B更新方案。
? 消息傳遞：支持ADF7242或UART進(jìn)行消息傳遞，具體取決于用戶配置。使用UART進(jìn)行消息傳遞可免除圖9左側(cè)的EZ-KIT，僅保留右側(cè)套件用于客戶端。這種有線更新方案對(duì)初始系統(tǒng)啟動(dòng)和調(diào)試很有用。

結(jié)果
除了滿足功能要求并通過各種測試之外，軟件的性能對(duì)于判斷項(xiàng)目成功與否也很重要。通常使用兩個(gè)指標(biāo)來衡量嵌入式軟件的性能：占用空間和周期數(shù)。占用空間是指軟件應(yīng)用程序在易失性(SRAM)和非易失性（閃存）存儲(chǔ)器中占用的空間大小。周期數(shù)是指軟件執(zhí)行特定任務(wù)所使用的微處理器時(shí)鐘周期數(shù)。它與軟件運(yùn)行時(shí)間相似，但在執(zhí)行OTA更新時(shí)，軟件可能進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)微處理器處于非活動(dòng)狀態(tài)，不消耗任何周期。雖然軟件參考設(shè)計(jì)沒有針對(duì)任何一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，但它們對(duì)于程序基準(zhǔn)測試和比較設(shè)計(jì)權(quán)衡非常有用。

圖11和圖12顯示了在ADuCM4050上實(shí)現(xiàn)的OTA更新軟件參考設(shè)計(jì)的占用空間（不緩存）。這些圖根據(jù)圖10所示的組件進(jìn)行劃分。如圖11所示，整個(gè)應(yīng)用程序使用大約15 kB的閃存。鑒于ADuCM4050包含512 kB閃存，此占用空間非常小。真正的應(yīng)用軟件（為OTA更新過程開發(fā)的軟件）僅需1.5 kB左右，其余用于庫，例如DFP、Micro-ECC和ADF7242堆棧。這些結(jié)果有助于說明SSBL應(yīng)在系統(tǒng)中扮演什么角色的設(shè)計(jì)權(quán)衡。15 kB占用空間的大部分是用于更新過程。SSBL本身僅占用大約500字節(jié)的空間，另外還有1 kB到2 kB的DFP代碼，用于訪問閃存驅(qū)動(dòng)器之類的器件。

圖11.閃存占用空間（字節(jié)）

圖12.SRAM占用空間（字節(jié)）

為了評(píng)估軟件的開銷，我們在每次接收數(shù)據(jù)包時(shí)計(jì)數(shù)周期，然后計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)包平均消耗的周期數(shù)。每個(gè)數(shù)據(jù)包都需要AES-128解密、SHA-256哈希處理、閃存寫入和某種數(shù)據(jù)包元數(shù)據(jù)驗(yàn)證。數(shù)據(jù)包有效載荷為64字節(jié)且不緩存時(shí)，處理單個(gè)數(shù)據(jù)包的開銷為7409個(gè)周期。使用26 MHz內(nèi)核時(shí)鐘時(shí)，大約需要285微秒的處理時(shí)間。該值是利用ADuCM4050 DFP中的周期計(jì)數(shù)驅(qū)動(dòng)程序計(jì)算的（未調(diào)整周期數(shù)），并且是100 kB二進(jìn)制文件下載期間（約1500個(gè)數(shù)據(jù)包）的平均值。為使每個(gè)數(shù)據(jù)包的開銷最小，DFP中的驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)利用ADuCM4050上的直接存儲(chǔ)訪問(DMA)硬件外設(shè)來執(zhí)行總線事務(wù)，并且驅(qū)動(dòng)程序在每次事務(wù)處理期間將處理器置于低功耗休眠狀態(tài)。每個(gè)事務(wù)中不存在一個(gè)萬能的狀態(tài)如果我們禁用DFP中的低功耗休眠并將總線事務(wù)更改為不使用DMA，則每個(gè)數(shù)據(jù)包的開銷將增加到17,297個(gè)周期。這說明了高效使用器件驅(qū)動(dòng)程序?qū)η度胧杰浖?yīng)用程序是有影響的。雖然減少每個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)也可以降低開銷，但每個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)翻一倍達(dá)到128時(shí)，周期數(shù)僅有少量增加，相同實(shí)驗(yàn)得到的周期數(shù)為8362。

周期數(shù)和占用空間也解釋了先前討論的權(quán)衡——緩存數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)而不是每次都寫入閃存。使能緩存一頁閃存后，每個(gè)數(shù)據(jù)包的開銷從7409減少到5904個(gè)周期。此20%減幅來自于更新過程跳過了大多數(shù)數(shù)據(jù)包的閃存寫入，僅在緩存已滿時(shí)才執(zhí)行閃存寫入。其代價(jià)是SRAM占用面積增加。不使用緩存時(shí)，HAL只需要336個(gè)字節(jié)的SRAM，如圖12所示。但是，當(dāng)使用緩存時(shí)，必須保留一個(gè)相當(dāng)于閃存一整頁的空間，故SRAM占用增加到2388字節(jié)。HAL使用的閃存也會(huì)少量增加，原因是需要額外代碼來判斷緩存何時(shí)必須清空。

這些結(jié)果證明，設(shè)計(jì)決策對(duì)軟件性能會(huì)有切實(shí)的影響。不存在一個(gè)萬能的解決方案，每個(gè)系統(tǒng)都有不同的要求和約束，OTA更新軟件需要視具體情況具體對(duì)待。希望本文闡明了在設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證OTA更新軟件解決方案時(shí)遇到的常見問題和權(quán)衡。

參考文獻(xiàn)

Nilsson、Dennis Kengo和Ulf E. Larson。“智能車輛的無線安全固件更新”。ICC研討會(huì)——2008年IEEE國際通信會(huì)議，2008年5月。

作者簡介

Benjamin Bucklin Brown，于2016年從麥吉爾大學(xué)畢業(yè)并獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位后加入ADI公司。目前他在消費(fèi)電子檢測與處理技術(shù)(CSPT)部門工作，擔(dān)任嵌入式軟件工程師，為專用集成電路開發(fā)固件。此前，他曾在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)部門工作，為ADuCM3029和ADuCM4050微控制器開發(fā)器件驅(qū)動(dòng)程序和軟件參考應(yīng)用程序。

關(guān)鍵詞： Benjamin Bucklin Brown ADI公司