Amazon FreeRTOS 可幫助開發人員簡化將物聯網 (IoT) 設備連接到云的過程。然而，即使有更簡單的云連接，許多開發人員面臨的一個主要障礙仍然是如何現場升級其設備的固件。

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

本文將探討開發人員如何利用內置于 Amazon FreeRTOS (a:FreeRTOS) 中的引導程序功能（常被稱為空中升級 (OTA)），來快速實現在其物聯網設備上運行引導程序解決方案。

Amazon FreeRTOS 的 OTA 升級概述

Amazon FreeRTOS 是一種實時操作系統，其中包含了輕松連接 Amazon Web Services (AWS) 所需的全部庫。Amazon FreeRTOS 本質上是 FreeRTOS 內核，現已包含連接和安全庫，以方便與 AWS 進行安全通信。OTA 特性包含在單獨的 OTA 庫中，必須單獨配置才能包含在 a:FreeRTOS 下載中。

a:FreeRTOS OTA 升級服務包含必要的軟件以便開發人員可以執行如下操作：

• 部署前對固件進行數字簽名和加密
• 將新固件映像安全地部署到單一設備、設備組或整個設備集群
• 當設備加入組中、重新啟動或重新配置時，將固件部署到設備中
• 將新固件部署到設備后驗證其真實性和完整性
• 監視部署進度
• 調試失敗的部署

這些特性通過運行各種 AWS 服務來提供，例如：

• OTA 管理器服務
• AWS IoT 作業服務
• 串流服務
• Amazon FreeRTOS 代碼簽名服務
• OTA 庫和代理

對開發人員而言，讓所有這些部分協同工作所需的步驟是相當多的，無法在一篇文章中詳細說明。本文將重點介紹如何入門，以及關于在實驗室中成功設置 a:FreeRTOS 的一些經驗教訓和訣竅。

選擇 OTA 測試硬件

a:FreeRTOS 目前支持多種開發板。它支持的開發套件包括：

• Texas Instruments的 SimpleLink Wi-FiCC3220SF Wireless LaunchPad開發套件
• Microchip Technology的PIC32MZEF Curiosity開發套件
• STMicroelectronics的STM32L4 Discovery 套件IoT 節點
• NXP Semiconductors的 LPC54018 IoT 模塊
• Espressif Systems的ESP32-DEVKITC開發套件

圖 1：Texas Instruments 的 CC3220SF-LaunchXL 是一個可以啟動 Amazon FreeRTOS OTA 的全集成解決方案。該微控制器集成一個 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，節省了電路板空間和能耗。

其次，CC3220SF 的外部存儲設備可以存儲固件映像并在引導過程中恢復映像，因此其安全特性很有意義且更為復雜。如果讀者能夠在 CC3220SF 上成功設置 OTA，那么在其他平臺上將不會有任何問題。

最后，CC3220SF 是 OTA 演示應用支持的第一款處理器，因此設計人員可以放心，處理器在 CC3220SF 上已經過全面審查。

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

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

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

配置 Amazon FreeRTOS 以實現 OTA 升級

默認情況下，OTA 庫未包含在預配置的 a:FreeRTOS 包中。開發人員必須手動配置這些庫和應用。首先，應登錄AWSIoT 控制臺并進入 Amazon FreeRTOS 菜單。然后，開發人員可以點擊“Create new（新建）”按鈕開始創建自定義配置（圖 4）。

圖 4：在 AWS IoT 控制臺中，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 設備軟件。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

在配置過程中，開發人員只需要設置幾項就能配置 OTA 特性。其中包括：

• 選擇硬件
• 選擇所包含的 a:FreeRTOS 庫
• 設置配置名稱

對于本例，開發人員選擇 CC3220SF-LAUNCHXL（圖 5）。以這種方式選擇硬件平臺將會引入所有特定于電路板的文件，包括驅動程序。但是，選擇電路板并不會自動引入 OTA 特性。在庫部分，開發人員需要添加 OTA 庫（如圖 6 所示）。這將包含所有 OTA 庫，包括開發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 升級庫添加到 a:FreeRTOS 配置中。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

完成此操作后，開發人員便可創建配置并下載，然后將 aws_demo 項目導入代碼調試器。

設置 OTA 示例代碼

一旦導入 aws_demos OTA 示例，便需要執行若干任務。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行 aws_demos 項目，以便確認已連接到 AWS，然后再執行其他操作。

接下來，修改 OTA 演示非常簡單。打開 aws_demo_runner.c 模塊，找到位于模塊末尾的 DEMO_RUNNER_RunDemos 函數。應對 vStartMQTTEchoDemo 調用添加注釋，而 vStartOTAUpdateDemoTask 調用則取消注釋。然后進行快速編譯以構建項目，在引導程序功能啟用的情況下，項目便可執行。

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

配置 Amazon Web Services 以實現 OTA

對嵌入式軟件開發人員而言，要運行 OTA 示例，進行到這一步驟時將涉及到云端。為了成功運行 OTA 示例，開發人員需要根據 OTA 先決條件指南配置 AWS。這要求開發人員：

• 創建 Amazon S3 存儲桶
• 授予 AWS 帳戶 OTA 升級權限
• 創建 OTA 服務角色
• 創建 OTA 用戶策略
• 授予訪問代碼簽名服務的權限

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

Amazon FreeRTOS 的 OTA 特性使用技巧與訣竅

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

• 閱讀“使用 Amazon FreeRTOS 連接到云”以獲取關于如何使用 FreeRTOS 的一般技巧和信息。
• 通讀 Amazon OTA 說明文檔（詳見此處）。
• 在開發過程中，購買六片開發板并將它們分成三組，每組兩片。這樣便可試驗現場升級設備和組可采用的不同方法。
• 首先將固件升級部署到較小的設備組，以確保固件升級沒有問題，然后才升級整個設備集群。
• 利用 AWS Amazon Certificate Manager 創建證書并給固件簽名。可以使用第三方認證機構，但如果全部在 AWS 內完成，該過程會比較簡單。
• 考慮將 PIC32MZEF Curiosity 板用于 OTA 實驗，因為它是第二款支持 OTA 測試版演示的 a:FreeRTOS 開發套件。

總結

Amazon FreeRTOS 生態系統為開發人員提供了一個現場升級固件的范例。對于可能有不同需求或系統配置的開發人員，此范例可以輕松擴展。利用現有引導程序可為開發人員節省大量開發時間，以便其專注于產品差異化和價值主張。

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