尝试使用IoT（第17篇：深入解析ESP32 OTA基础：从闪存布局到运行机制）
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为了覆盖更广泛的受众，这篇文章已从日语翻译而来。
您可以在这里找到原始版本。
前回中，我们使用ESP32挑战了“OTA（Over The Air）”。
虽然顺序前后有所调整，但这次将再次详细解说OTA的基本机制。
简介
#ESP32标准支持通过无线方式重写程序的“Over The Air（OTA）”功能。
在本文中，我们将深入探讨闪存布局和OTA的运行机制，解答“为什么需要两个应用区？”、“如何选择并启动更新后的应用？”等疑问。
支撑 OTA 的机制
#闪存的分区结构
#ESP32的闪存通过“分区表”进行管理。
分区是闪存上区域的“划分”。
在 PlatformIO 中指定使用“Arduino框架”时，分区表信息包含在以下目录：
<用户文件夹路径>\.platformio\packages\framework-arduinoespressif32\tools\partitions
上述文件夹中存放有 default.csv 文件。
该文件中包含默认选用的分区表信息。
在我的环境中，其设置如下。
| Name | Type | SubType | Offset | Size | Flags |
|---|---|---|---|---|---|
| nvs | data | nvs | 0x9000 | 0x5000 | |
| otadata | data | ota | 0xe000 | 0x2000 | |
| app0 | app | ota_0 | 0x10000 | 0x140000 | |
| app1 | app | ota_1 | 0x150000 | 0x140000 | |
| spiffs | data | spiffs | 0x290000 | 0x160000 | |
| coredump | data | coredump | 0x3F0000 | 0x10000 |
各分区的作用如下：
- nvs：NVS 存储（Non-Volatile Storage）。用于保存配置和用户数据等的持久化存储区，断电后数据依然保留。
- otadata：管理 OTA（Over-The-Air）更新的状态。指示应启动哪一个应用区（ota_0 或 ota_1）。
- app0 / app1：用于 OTA 更新的应用区域。OTA 更新时，app0 和 app1 交替使用，一方运行时，另一方作为更新目标。
- spiffs：使用 SPIFFS（Serial Peripheral Interface Flash File System）的文件存储区，用于保存配置文件、日志等数据。
- coredump：用于保存核心转储的区域。在系统故障（如崩溃）发生时保存内存转储，以便后续故障分析。
此外，闪存的内存映射如下所示。
为支持 OTA，应用区域准备了两个（app0 和 app1），并交替写入使用。
各区域将写入对应的应用或数据。
注意，通过 OTA 写入新应用时，会将其写入当前运行区域之外的另一个插槽（app0 或 app1），以便在失败时触发回退至前一状态的故障保护机制。
| 开始地址 | 结束地址 | 大小 | 名称 | 类型 | 子类型 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0x00000000 | 0x00007FFF | 0x8000 | bootloader | - | - | 引导加载程序 |
| 0x00008000 | 0x00008FFF | 0x1000 | partition | - | - | 分区表 |
| 0x00009000 | 0x0000DFFF | 0x5000 | nvs | data | nvs | NVS 存储 |
| 0x0000E000 | 0x0000FFFF | 0x2000 | otadata | data | ota | OTA 数据 |
| 0x00010000 | 0x0014FFFF | 0x140000 | app0 | app | ota_0 | OTA 插槽 0 |
| 0x00150000 | 0x0028FFFF | 0x140000 | app1 | app | ota_1 | OTA 插槽 1 |
| 0x00290000 | 0x003EFFFF | 0x160000 | spiffs | data | spiffs | SPIFFS 文件系统 |
| 0x003F0000 | 0x003FFFFF | 0x10000 | coredump | data | coredump | 核心转储区域 |
（注：整个 Flash 通常假设为 4MB（= 0x400000））
在包含 Arduino 框架的 ESP32 开发环境中，分区表文件（partition-table.bin）默认始终写入到闪存的 0x8000。
引导加载程序的工作流程
#本文基于 Arduino 框架，ESP32 启动时，首先运行 ROM 内置的一级引导加载程序。
然后读取闪存中写入的用户自定义 bootloader.bin 并继续后续处理。
- 检查 UART 引导（开发模式）
首先确认是否有通过 UART（串口）发起的写入模式请求。如果检测到来自 PC 的写入请求，则进入固件刷写流程。 - 初始化闪存并读取分区表
闪存起始处（0x0000）已写入引导加载程序，引导加载程序会读取位于 0x8000 的分区表，并执行应用程序的启动流程。 - 读取 otadata（OTA 配置时）
从 otadata 分区（默认地址 0xE000）读取最后一次正常启动的应用信息以及下次应启动的应用信息。 - 决定合适的应用区域
根据读取的信息，通常选择 ota_0 或 ota_1 中的一个应用区域。 - 回退（替代）处理
如果 otadata 中无有效信息，或应用区域验证失败，将执行以下回退操作：- 如果存在 factory 分区（见后文），则启动该分区。
- 否则视为引导失败，停止或复位。
- 加载并执行应用
将选定的应用从闪存区域加载到 RAM 并开始执行。
关于 factory 分区的补充：
- 在 Arduino 中通常不使用 factory，但在不启用 OTA 功能的配置中，可以仅使用 factory 分区。
- factory 分区作为默认应用程序运行。
- 在 OTA 配置中，推荐使用 ota_0 / ota_1 的双分区结构，有时可省略 factory。
OTA 流程
#ESP32 的 OTA（Over-The-Air）更新按以下步骤进行。
- 接收新的固件
通过 Wi-Fi 或 HTTP 接收新的 .bin 文件（固件）。 - 确定写入目标
选择当前未运行的应用区域（例如当前运行于 ota_0，则选择 ota_1），并将固件写入该区域。 - 写入完成后更新 otadata
写入成功后，会更新 otadata 分区，使下次启动时使用新的区域。 - 重启并运行新固件
设备重启后，将使用新固件启动。 - 启动失败时的回滚
如果启动后检测到问题，系统会自动回滚到之前正常的固件区域。
为什么需要两个插槽？
#OTA 更新是一项“可能失败”的操作。由于断电或网络中断等原因，可能只能写入部分二进制，此时若保留了之前的应用，就能进行恢复。
如此通过“保留当前应用，同时写入新应用”的冗余方式，提升了 OTA 的可靠性。
这是固件更新中极为重要的设计理念。
常见误解与故障示例
#“factory 分区未使用” 问题
#一旦执行 OTA 后，之后基本在 ota_0 和 ota_1 之间切换。
factory 分区仅作为“首次启动”或“紧急恢复”用途。
“分区不足” 问题
#使用 OTA 时，需要为**两个 OTA 插槽（ota_0 和 ota_1）**预留区域。
如果区域不足，就无法写入 OTA 更新固件，会报错。
“启动循环” 问题
#即使写入了新固件，启动失败也可能陷入重启循环。
为防止这种情况，建议在设计中加入应用验证和回滚处理。
以下 ESP-IDF 函数非常有效。（该函数也可以在 Arduino 框架中使用）
esp_ota_mark_app_valid_cancel_rollback();
在应用能够判断“正常启动并运行”的时机调用上述函数，可清除回滚标记，并保证之后的启动继续使用当前固件。
但需满足以下条件。
- 分区表需支持 OTA（包含 ota_0 / ota_1）
使用 default_ota.csv 或自定义包含两个插槽。 - 在用 esp_ota_set_boot_partition() 等函数修改后，需要重启
在应用启动后的验证阶段需调用 esp_ota_mark_app_valid_cancel_rollback()。
示例程序
在 前回 创建的程序中，尝试集成了 esp_ota_mark_app_valid_cancel_rollback()。
添加的源码如下两处。
#include "esp_ota_ops.h"
if (WiFi.waitForConnectResult() == WL_CONNECTED) {
esp_ota_mark_app_valid_cancel_rollback();
Serial.println("Marked as valid, rollback canceled");
}
集成回滚处理的完整程序如下。
#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <Update.h>
#include <ArduinoOTA.h>
#include "esp_ota_ops.h"
const char* ssid = "YOUR_SSID"; // 请根据各自的 Wi-Fi 环境指定 SSID
const char* password = "YOUR_PASSWORD"; // 请根据各自的 Wi-Fi 环境指定密码
WebServer server(80);
const char* upload_html = R"rawliteral(
<form method='POST' action='/update' enctype='multipart/form-data'>
<input type='file' name='update'>
<input type='submit' value='Update'>
</form>
)rawliteral";
// 更新成功后重定向的 HTML
const char* update_success_html = R"rawliteral(
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta http-equiv="refresh" content="5; url=/" />
</head>
<body>
<h1>Update Successful! Rebooting...</h1>
<p>You will be redirected to Home page in 5 seconds.</p>
</body>
</html>
)rawliteral";
void setup() {
Serial.begin(115200);
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(".");
}
Serial.println("WiFi connected");
Serial.print("IP address: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
// 建议在 Wi-Fi 连接完成后等安全时机调用
if (WiFi.waitForConnectResult() == WL_CONNECTED) {
esp_ota_mark_app_valid_cancel_rollback();
Serial.println("Marked as valid, rollback canceled");
}
server.on("/", HTTP_GET, []() {
server.send(200, "text/html", upload_html);
});
server.on("/update", HTTP_POST, []() {
server.send(200, "text/html", update_success_html); // 返回更新成功后的重定向 HTML
delay(1000); // 用于显示消息的延迟时间
ESP.restart(); // 重置 ESP32
}, []() {
HTTPUpload& upload = server.upload();
if (upload.status == UPLOAD_FILE_START) {
Serial.printf("Update: %s\n", upload.filename.c_str());
if (!Update.begin()) {
Update.printError(Serial);
}
} else if (upload.status == UPLOAD_FILE_WRITE) {
if (Update.write(upload.buf, upload.currentSize) != upload.currentSize) {
Update.printError(Serial);
}
} else if (upload.status == UPLOAD_FILE_END) {
if (Update.end(true)) {
Serial.println("Update complete");
} else {
Update.printError(Serial);
}
}
});
ArduinoOTA.setPassword("admin"); // <- 与 platform.ini 中指定的 password 保持一致
ArduinoOTA.begin();
server.begin();
}
void loop() {
ArduinoOTA.handle();
server.handleClient();
}
程序启动后，将输出如下日志。
.WiFi connected
IP address: 192.168.0.65
Marked as valid, rollback canceled
面向实际应用的建议
#- 由于 OTA 会重写整个固件而非小补丁，因此需关注固件大小
- 为应对接收错误，需谨慎设计重试次数和超时设置
- 在应用中加入版本号，并对 OTA 对象与当前固件进行兼容性检查
- 为恢复出厂状态，需提供复位模式（如长按按钮）
默认以外的分区表
#最新的分区表信息可在以下 仓库 的 tools/partitions/ 文件夹中查看。
| 文件名 | 内容 |
|---|---|
minimal.csv |
最小配置（无 SPIFFS、无 OTA） |
no_ota.csv |
无 OTA 功能（仅一个应用） |
huge_app.csv |
针对大型应用（最大化应用区域） |
minimal_spiffs.csv |
含最小 SPIFFS（需要最小文件系统时） |
在 platformio.ini 中的指定方法
#若要使用默认分区表之外的分区表，在 platformio.ini 文件中进行如下设置：
（示例使用 huge_app.csv）
board_build.partitions = huge_app.csv
之前在使用带相机的 ESP32 开发板（ESP32-WROVER-E）时，集成相机模块的程序体积相当大。
由于需要增大分区表中的应用区域，我不知情地使用了 huge_app.csv，结果陷入了困境。
顺便提一下，huge_app.csv 的分区表如下所示。
| Name | Type | SubType | Offset | Size | Flags |
|---|---|---|---|---|---|
| nvs | data | nvs | 0x9000 | 0x5000 | |
| otadata | data | ota | 0xe000 | 0x2000 | |
| app0 | app | ota_0 | 0x10000 | 0x300000 | |
| spiffs | data | spiffs | 0x310000 | 0xE0000 | |
| coredump | data | coredump | 0x3F0000 | 0x10000 |
该配置仅定义了 ota_0，未定义 ota_1，因此执行 OTA 会失败。
总结
#理解其机制后，ESP32 的 OTA 并不难。
关键在于“分区设计”和“错误恢复设计”。
若构建得当，将成为可稳定进行无线更新的强大系统。
希望对 IoT 的应用有所帮助。
