优化OTA固件更新中的SPI Flash寿命：磨损均衡与健康度监控实践

2026/1/26 14:58:45 30 0 0 0

在物联网设备和嵌入式系统中，通过OTA（Over-The-Air）进行固件更新已成为标准实践。外部SPI Flash作为固件存储介质，其擦写寿命（通常为1万到10万次循环）是一个不容忽视的关键问题。频繁的OTA更新操作若不加注意，可能导致Flash存储区域的局部过度磨损，从而显著缩短设备的使用寿命。本文将深入探讨如何在OTA场景下实现磨损均衡算法，并有效监控Flash健康度。

SPI Flash磨损问题在OTA场景下的挑战

SPI Flash的每个存储块都有有限的擦写次数。在OTA更新过程中，新的固件通常会写入特定的OTA分区或备用分区。如果每次更新都集中在同一块或少数几块区域，这些区域会比其他区域更快达到擦写寿命极限，最终导致Flash失效。这就像一块木板，总是在同一个地方敲打，自然比分散敲打更容易损坏。

磨损均衡（Wear Leveling）算法在OTA中的应用

磨损均衡的核心思想是“雨露均沾”，确保Flash存储器上的每个块（或页）都能被均匀擦写，从而延长整体寿命。对于OTA场景，我们通常关注的是动态磨损均衡，即数据写入时，选择当前擦写次数最少的块进行写入。

以下是几种针对OTA场景的磨损均衡策略：

预留OTA固件暂存区：
- 在Flash中划分一个或多个专门的区域作为OTA固件的下载暂存区。
- 这个暂存区可以是一个循环缓冲区，每次OTA下载后，将新固件写入下一个可用的、擦写次数最少的块。
- 待固件下载并校验成功后，再由Bootloader进行更新操作，将固件从暂存区拷贝到主应用区。
- 关键点：OTA暂存区本身需要实现磨损均衡，确保其内部块的擦写均匀。

细粒度块分配与追踪：

不直接将整个固件镜像写入一个大块，而是将固件分解成更小的逻辑块，并为每个逻辑块分配一个物理存储块。
维护一个“磨损均衡表”，记录每个物理块的擦写次数。
当需要写入新的固件数据时，查找磨损均衡表中擦写次数最少的物理块进行分配。

实现示例（概念性）：

typedef struct {
    uint32_t erase_count;
    uint32_t logical_block_id; // 对应固件中的逻辑块
    bool is_used;
} flash_block_info_t;

flash_block_info_t block_map[TOTAL_FLASH_BLOCKS];

// 写入新数据时选择擦写次数最少的块
uint32_t find_least_worn_block() {
    uint32_t min_erase_count = UINT32_MAX;
    uint32_t target_block_idx = -1;
    for (int i = 0; i < TOTAL_FLASH_BLOCKS; i++) {
        // 考虑空闲块或用于OTA暂存的块
        if (block_map[i].is_used == false && block_map[i].erase_count < min_erase_count) {
            min_erase_count = block_map[i].erase_count;
            target_block_idx = i;
        }
    }
    return target_block_idx;
}

void write_ota_data(uint8_t* data, uint32_t len, uint32_t logical_addr) {
    uint32_t physical_block_idx = find_least_worn_block();
    // 擦除并写入数据到 physical_block_idx
    // 更新 block_map[physical_block_idx].erase_count
    // 记录 physical_block_idx 与 logical_addr 的映射
}

此方法要求系统拥有一个Flash管理层或文件系统（如LittleFS, SPIFFS），它们通常内置了磨损均衡机制。如果OTA直接操作Flash裸分区，则需要手动实现。

差分更新（Delta Update）：
- 如果固件更新只是少量修改，可以考虑只下载和更新固件中发生变化的部分（即差分包）。
- 这样可以大大减少需要擦除和写入的Flash数据量，从而减少擦写循环。
- 挑战：需要设备端具备合并差分包的能力，且处理逻辑相对复杂。
循环存储与回滚分区：
- Flash中划分出至少两个固件存储区（例如，A区和B区）。
- 当前运行固件在A区，新固件下载到B区。更新成功后，下次启动从B区运行。
- 下次OTA时，新固件再下载到A区。这样A、B区交替使用，本身就是一种粗粒度的磨损均衡。
- 优点：简单有效，且支持固件回滚。

Flash健康度监控

仅仅实现磨损均衡还不够，我们还需要能够实时监控Flash的健康状况，以便及时预警或采取措施。

核心监控指标：
- 擦写次数（Erase Count）：这是最重要的指标。记录每个物理块的擦写次数。当任何一个块的擦写次数接近Flash厂商给定的寿命极限（例如，达到90%）时，就应视为亚健康状态。
- 坏块数量（Bad Block Count）：Flash在长时间使用后可能会出现无法可靠擦写或读取的坏块。记录并追踪这些坏块的数量。
- 读写错误次数（Read/Write Error Count）：记录在读写Flash时发生的校验错误、CRC错误等，这些可能是Flash性能下降的早期信号。
数据存储与管理：
- 这些健康度数据需要存储在Flash自身的一个独立的、磨损较少的保留区域（例如，一个不经常擦写的配置区，或者利用上述磨损均衡算法进行管理）。
- 重要提示：这个保留区域本身也需要保护，最好采用静态磨损均衡策略，即定期将数据在保留区域内进行迁移，或者只存储少量关键统计数据，其余数据通过计算得到。
- 也可以选择将部分数据存储在**非易失性RAM（NVRAM）**中，但NVRAM容量通常有限。
上报与预警机制：
- 设备应定期（例如，在每次OTA后、每次启动时、或定期通过心跳包）将Flash健康度数据上报到云端管理平台。
- 云端平台根据接收到的数据设置阈值和预警规则。例如：
  - 当任一Flash块擦写次数达到寿命的X%时，触发“警告”。
  - 当坏块数量超过Y个时，触发“严重警告”。
  - 当Flash整体擦写平均值达到寿命的Z%时，触发“预警”。
- 对于达到警告状态的设备，可以考虑限制其OTA更新频率，或者在下次维护时进行更换。

总结与建议

保证外部SPI Flash在OTA场景下的寿命，是一个系统性的工程。它要求我们在系统设计初期就将磨损均衡和健康度监控考虑在内。

设计阶段：选择具备良好擦写寿命和ECC功能的Flash芯片。
软件实现：
- 优先采用支持磨损均衡的文件系统（如LittleFS）来管理固件存储。
- 若直接操作Flash，则需自行实现块级擦写计数和动态分配算法。
- 考虑使用差分更新来减少整体擦写量。
- 利用A/B分区机制实现固件更新和粗粒度磨损均衡。
运维阶段：
- 实施全面的Flash健康度监控，包括擦写次数、坏块率和读写错误。
- 建立有效的上报和预警机制，与云端平台集成。
- 根据健康度数据，及时调整OTA策略，或提示用户进行设备维护/更换。

通过这些策略的综合运用，我们可以显著延长设备的生命周期，提高产品可靠性，降低维护成本。

嵌入式老王 SPI Flash OTA 磨损均衡

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磨损均衡（Wear Leveling）算法在OTA中的应用

Flash健康度监控

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