前言大家好！在之前的系列文章中，我们已经为直流电机 PID 驱动系统添加了完整的蓝牙 OTA 升级功能，实现了无需物理接触即可远程更新固件的目标。然而，在实际使用过程中，我们发现传统的整包 OTA 升级存在一个明显的痛点：对于蓝牙这种低速通信接口，传输较大的固件文件需要很长时间。以我们的系统为例，一个 45KB 的固件文件，通过 HC-05 蓝牙模块（波特率 115200bps）传输需要大约 15 秒。如果固件更大或者蓝牙信号不好，升级时间会更长，严重影响用户体验。更重要的是，大多数固件更新只是修复了几个 bug 或者添加了少量功能，新旧固件之间的差异非常小，传输整个固件是对带宽和时间的极大浪费。这就是 ** 差分升级（增量升级）** 技术的价值所在。差分升级只传输新旧固件之间的差异部分（差分包），而不是整个固件。对于大多数小版本更新，差分包的大小通常只有几 KB，传输时间可以缩短到 1-2 秒，提升 10 倍以上的升级速度，同时大大节省了流量消耗。本文将在上一篇蓝牙 OTA 升级的基础上，从零教你如何基于bsdiff 算法实现一套高效可靠的蓝牙差分 OTA 升级系统。我们将详细讲解差分升级的技术原理、Flash 分区规划、PC 端差分包生成工具、STM32 端轻量级 bspatch 移植，以及 Android APP 端的修改。全程代码带详细注释，零基础也能一步步跟着做。一、差分升级技术原理1.1 什么是差分升级差分升级（Incremental Update），也叫增量升级，是一种只传输新旧版本文件之间差异部分的更新技术。与传统的整包升级相比，差分升级具有以下显著优势：传输数据量小：通常只需要传输原固件 1%-10% 的数据量升级速度快：传输时间大幅缩短，用户几乎感觉不到等待流量消耗少：对于使用移动网络的设备，可以节省大量流量可靠性高：传输的数据量越小，出错的概率越低1.2 bsdiff 算法原理bsdiff 是由 Colin Percival 于 2003 年开发的一款高效的二进制差分算法，是目前应用最广泛的嵌入式固件差分算法之一。它基于后缀数组技术，能够高效地找到两个二进制文件之间的相似区域和差异区域，生成非常小的差分包。bsdiff 算法的工作流程分为两个部分：diff 过程（PC 端）：比较旧固件和新固件，生成差分包patch 过程（设备端）：使用旧固件和差分包，还原出新固件bsdiff 差分包格式：控制块：包含了如何使用差异块和额外块来构建新固件的指令差异块：包含了新旧固件之间的差异数据额外块：包含了新固件中新增的、在旧固件中不存在的数据验证来源：Colin Percival. bsdiff: Binary diff/patch utility[EB/OL]. https://www.daemonology.net/bsdiff/, 2003.1.3 差分 OTA 整体流程我们在原有整包 OTA 流程的基础上，增加了差分包生成和差分还原步骤，形成了完整的差分 OTA 升级流程：PC端：旧固件.bin + 新固件.bin → bsdiff生成差分包.patch → 复制到手机手机APP：选择差分包.patch → 发送差分升级指令(含差分包大小、SHA-256哈希) → 分块传输差分包STM32 Bootloader：接收差分包 → 从运行区读取旧固件 → bspatch还原新固件 → 写入升级区 → 校验新固件 → 切换运行区 → 重启运行新固件关键改进点：固件在 PC 端预先生成差分包，手机 APP 只负责传输差分包Bootloader 需要保留旧固件，用于还原新固件采用 "双运行区" 设计，新固件还原完成并校验通过后再切换运行区，确保设备不会 "变砖"二、Flash 分区规划调整为了支持差分升级，我们需要对 STM32F103C8T6 的 64KB 内部 Flash 进行重新分区。由于差分升级需要保留旧固件，我们采用 **"Bootloader + 双运行区"** 的三分区方案：地址范围用途大小说明0x08000000 - 0x08003FFFBootloader 区16KB存放引导加载程序，负责差分还原和分区切换0x08004000 - 0x0800BFFF运行区 A32KB存放当前运行的固件0x0800C000 - 0x0800FFFF运行区 B16KB存放升级后的新固件0x08003FF0 - 0x08003FFF升级标志区16 字节存储升级标志、当前运行区、固件大小和哈希值分区说明：Bootloader 区：大小保持 16KB 不变，增加了差分还原和分区切换功能运行区 A：作为主运行区，大小 32KB，足够存放我们的电机驱动固件运行区 B：作为升级区，大小 16KB，用于存放还原后的新固件升级标志区：增加了 "当前运行区" 标志位，用于 Bootloader 判断从哪个分区启动注意：由于 STM32F103C8T6 的 Flash 空间有限，我们将运行区 B 的大小设置为 16KB。这意味着新固件的大小不能超过 16KB。如果你的固件更大，可以考虑使用外部 Flash 或者更换更大 Flash 的 MCU。验证来源：STMicroelectronics. STM32F103xx 参考手册 (RM0008) 第 3 章：闪存和选项字节三、PC 端差分包生成工具实现我们首先需要开发一个 PC 端的差分包生成工具，用于比较新旧固件并生成 bsdiff 格式的差分包。本文使用 Python 语言开发，调用官方的 bsdiff 命令行工具。3.1 环境准备下载并安装 bsdiff 4.3 版本：Windows：从https://www.daemonology.net/bsdiff/下载预编译二进制文件Linux：sudo apt-get install bsdiffmacOS：brew install bsdiff安装 Python 依赖：pip install hashlib3.2 差分包生成工具代码实现创建一个名为diff_generator.py的文件，输入以下代码：import os import hashlib import subprocess import sys def generate_diff(old_firmware_path, new_firmware_path, diff_path): """ 使用bsdiff生成差分包 """ # 检查输入文件是否存在 if not os.path.exists(old_firmware_path): print(f"错误: 旧固件文件 {old_firmware_path} 不存在！") return False if not os.path.exists(new_firmware_path): print(f"错误: 新固件文件 {new_firmware_path} 不存在！")
