如何執行韌體更新，而不會中斷韌體執行

如今物聯網 (IoT) 中以感測器為基礎的應用逐漸增加，物聯網端點中的微控制器韌體尺寸和複雜度也隨之增加。這類韌體必須提升效率以加快執行速度，這也是必須實現快閃記憶體韌體現場即時更新的原因之一。不過，要在現場安全地即時更新韌體，通常需要在更新進行時暫停韌體執行。這項作業的時間可能快至一分鐘，慢至一小時，具體視架構、更新檔大小以及網路速度而定。對關鍵的應用來說，這樣的延遲是無法接受的。

本文將解釋在現場更新中斷驅動型韌體時需要考量的因素，以及在更新過程中保持應用韌體執行的要求。接著會介紹 Microchip Technology 的 PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 微控制器，並說明此元件如何用來執行韌體，同時透過網路接收更新的韌體。

韌體更新的重要性

韌體更新有四個主要原因：更正程式碼中的錯誤、增加或改善功能、調整系統安全性，以及提升韌體效率。編碼效能的衡量標準是：執行特定工作或執行緒所需的時脈週期數。執行某項工作所需的時脈週期越少，程式碼就越有效率，這通常會加速程式的執行，而且通常會縮短程式碼的大小 (但並非總是這樣)。對於物聯網中以感測器為基礎的端點來說，尤其如此。這是因為這些應用屬於中斷驅動型，因此在感測器或周邊裝置產生中斷時，就必須快速進行本文切換。

兩個因素會影響中斷驅動型 IoT 應用的效率，亦即基礎架構效率及程式碼效率。儘管在現場變更微控制器架構的作法不切實際，但為了提升效率而更新微控制器韌體，仍然是實際且正常的做法。

感測器型韌體幾乎都是屬於中斷驅動型元件。微控制器序列埠所連接的智慧型感測器，能夠對微控制器發出中斷命令以暫停正常執行，讓韌體能夠將此特定感測器導向至中斷服務常式。相較於必須定期進行輪詢，來判斷感測器讀數是否有新資料需要傳送的感測器，上述做法會更有效率。對於中斷驅動型感測器，其策略的優點在於，微控制器只需要在接收有用資料時，將時脈週期用於讀取感測器即可。當韌體必須存取感測器，以讀取因未更新感測器讀數而丟棄的資料時，輪詢的做法會浪費時脈週期。

當有多個感測器和工作時，就需要多個小常式和中斷常式來管理，進而導致程式碼的大小增加。複雜的程式碼需要透過某種即時作業系統 (RTOS) 來管理彼此無關的各項工作。RTOS 可以是軟體工程師撰寫的簡單韌體應用程式，或者市面上現有的產品。RTOS 會對不同的韌體工作進行管理，確保每一項個別的工作，都會在應用程式正常運作所需的時間內開始並完成。若是 RTOS 需要管理許多工作，則對應用程式來說，讓各項工作儘可能在最少的時脈週期內完成相當有幫助。這樣的特性能夠避免各項工作互相拖累。

收到中斷時，完成中斷服務常式所需的時間，多數會受到三個因素合併的影響：

1. 辨識中斷並開始導向至中斷服務常式所需的時脈週期。若某項工作的優先度低於正在執行的工作，這項工作要等到目前的工作完成後才開始，具體視應用而定。
2. 儲存目前 CPU 狀態的本文並導向至中斷服務常式所需的時脈週期，具體視架構而定，並且不受軟體工程師的控制。
3. 執行中斷服務常式所需的時脈週期，具體視軟體工程師所撰寫之程式碼的複雜度及效率而定。

韌體的效率越高，在特定時間內需要完成的工作之間就越不可能發生衝突。

快閃記憶體韌體更新的記憶體要求

對於需要在現場進行可靠更新的系統，本身所需的快閃程式記憶體必須是應用所需的預估大小之兩倍。原因在於快閃記憶體必須足夠大，才能同時容納現有的快閃記憶體韌體以及更新的韌體。不過，對運作時僅使用內部快閃程式記憶體的小型系統來說，透過網路接收韌體更新檔時，通常會需要暫停程式碼執行。這對關鍵任務應用來說是無法接受的，而且無法達成高效率韌體的目標；換言之，停止執行的程式碼是完全沒有效率可言。

更新快閃記憶體時執行韌體

Microchip Technology 的 PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 微控制器是一款高效能微控制器，可在更新晶片上快閃記憶體時，還能執行韌體 (圖 1)。PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 是以 MIPS32 M-Class 核心架構為基礎，具有專供中斷驅動型複雜 IoT 端點使用的浮點單元 (FPU)。此元件具有 2 MB 的快閃程式記憶體和 512 KB 的 SRAM，以及 160 KB 的開機快閃記憶體。在 -40°C 至 +85°C 的溫度範圍內，PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 的核心速度可達 252 MHz，而在 -40°C 至 +125°C 的範圍內為 180 MHz。工作電壓相當低，介於 2.1 V 至 3.6 V 之間。

此元件具有 9 個 32 位元捕捉／比較計時器，可支援複雜的韌體與外部訊號測量。

圖 1：Microchip Technology 的這款 252 MHz PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 是以 MIPS32 M-Class 架構為基礎，並具有相當多樣的序列埠，可與外部感測器連接。(圖片來源：Microchip Technology)

外部序列埠包含 9 個 UART 埠以及 5 個 I²C 埠，還有 6 個 SPI 埠，同樣可支援音訊 I²S 介面。此外，12 位元類比數位轉換器 (ADC) 具有 48 個輸入，能夠用來測量精密類比感測器的電壓。有了這麼多的序列埠和 ADC 輸入，PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 便能與許多外部感測器連接，相當適合用於複雜的感測器型 IoT 端點。此微控制器具有 2 個 CAN 2.0b 埠，能連線採用通用 CAN 通訊協定的工業和車用網路。

乙太網路埠可支援 10/100Base-T 網路連線。USB 2.0 高速控制器可支援外部介面，以連接其他週邊裝置或進行除錯之用，並且也可支援 USB On-The-Go (OTG)。

這些週邊裝置的每一個都能夠產生一個或多個中斷。由於感測器和中斷來源這麼多，維持程式碼效率就相當有必要。

為了提升效率，MIPS32 M-Class CPU 核心具有 32 個 32 位元一般用途暫存器 (GPR)。這項特性能夠減少對外部記憶體的存取，以此提升效率。除了常見的位元設定與清除指令之外，M-Class 也支援單一週期位元反轉指令。這項特性能夠提升旗號的處理效率，進而改善 RTOS 效率。核心也具備五階段的指令管線，能夠將記憶體存取衝突減到最低，產生更多的單一週期指令，藉以提升效率。

此外，MIPS32 M-Class 也具有 7 個 GPR 影子暫存器組。這項特性使得無需許多時脈週期就能將 GPR 儲存在堆疊上，明顯提升中斷效能與本文切換速度。藉助 7 個影子暫存器組，核心便能夠嵌套中斷和本文切換達 7 次，而無需先使用時脈週期將 GPR 儲存在堆疊上。

PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 具有兩排 1 MB 程式快閃記憶體 (PFM)，分別指定為 PFM Bank 1 和 PFM Bank 2。每個 PFM 都具有專用的開機快閃記憶體 (BFM)，分別指定為 BFM Bank 1 和 BFM Bank 2。在更新 PFM 時，BFM 無需進行更新。這兩排不同的記憶體會帶來許多好處。例如，微控制器能夠支援雙重開機，因此在電源啟動時，可以設定從任何一排快閃記憶體開機。這可讓微控制器能夠支援兩組不同的裝置設定。

這兩排快閃記憶體還有另一個優點，亦即能夠在一排快閃記憶體上執行韌體，同時在另一排快閃記憶體上更新韌體。Microchip 將這項特性稱為「即時更新」，又稱作執行時間自我編程 (RTSP)。若作用中 IoT 端點在 PFM Bank 1 上執行韌體，且 RTSP 是在此端點啟用，便會透過網路以區塊形式接收韌體。在透過網路管理韌體更新時，建議做法是將新韌體區塊儲存在 SRAM 中。在收到完整的區塊之後，在 PFM Bank 1 上執行的韌體便能夠啟動編程順序，將 SRAM 上的資料寫入 PFM Bank 2。在對此韌體進行編程時，仍可以在 PFM Bank 1 上繼續執行韌體。

在區塊編程完成之後，韌體便可以要求透過網路接收下一個程式碼區塊，然後重複執行編程順序。這樣的步驟會持續進行，直到 PFM Bank 2 的程式碼區塊全部完成為止。一旦編程完成，韌體便可以將 PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 設定為下次重置時從 BFM Bank 2 開機，然後清除 NVMCON 設定暫存器中的 SWAP 位元，以執行 PFM Bank 2 中的新韌體 (圖 2)。若 SWAP=0，PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 韌體必須再次進行更新，則韌體可以從 PFM Bank 2 中執行，同時更新 PFM Bank 1。

圖 2：PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 微控制器具有兩排各自獨立的 PFM。若 SWAP=1，當 PFM Bank 2 正在更新時，韌體可以從 PFM Bank 1 中執行。若清除 SWAP=0，則可讓微控制器從 PFM Bank 2 開機。(圖片來源：Microchip Technology)

SWAP 位元的狀態可從 BFM 或 PFM 變更為其他狀態，具體視韌體的需求而定。

開發雙重開機韌體

針對使用 PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 微控制器進行開發的作業，Microchip Technology 提供了 DM320007 PIC32MZ 入門套件 (圖 3)。這款機板使用專用的連接器及排針座連接器，可支援多個序列埠。USB 主機埠可用於除錯，而 USB OTG 埠可供應用使用。當 USB 到 UART/I²C 連接器連接到電腦的 USB 埠時，在連接的主機電腦上會產生虛擬的 COM 埠。這麼一來，主機電腦便能夠與 PIC32MZ 上的 I²C 埠通訊。

圖 3：Microchip Technology 的 DM320007 小型入門套件支援使用 PIC32MZ2048EFH144T-I/PH 微控制器，來開發和測試 USB 和乙太網路應用。其中包含適用於 USB OTG、USB 主機、10/100 乙太網路以及 UART/I²C 的連接器。(圖片來源：Microchip Technology)

藉助 40 引腳的擴充排針座連接器，可存取 PIC32MZ EF 上的額外 I²C、SPI 及 UART 連接埠，以及一般用途 I/O (GPIO) 引腳。此外，還有三個按鈕和三個 LED，可透過韌體進行設定。

結論

由於程式碼的複雜度增大，關鍵系統中的 IoT 感測器端點對記憶體的要求越來越高。程式碼越複雜，就更需要提升韌體效率，以改善韌體中本文切換的反應時間。透過選擇能夠高效執行中斷驅動型程式碼，並且可以同時擷取並更新韌體的微控制器，開發人員便能夠改善關鍵 IoT 應用的可靠性，同時不會影響效能。