在嵌入式系统领域，固件 over-the-air（OTA）更新是设备全生命周期管理的核心能力。Pebble 智能手表作为典型的小型化可穿戴设备，其固件更新机制经历了从简单直刷到分层架构的演进，为理解嵌入式设备的增量升级与长期维护提供了宝贵的工程实践样本。本文从技术实现角度剖析 Pebble 的 OTA 机制，并延伸探讨嵌入式设备增量升级的通用设计原则与长期维护策略。
Pebble OTA 更新机制的技术架构
Pebble 智能手表的固件更新采用基于 Bluetooth Low Energy（BLE）的空中下载技术，整个更新流程涉及手机端应用、传输协议和设备端固件验证三个关键环节。当用户触发固件更新时，手机端应用首先从 Pebble 官方服务器或 Rebble 社区服务器下载更新包（.pbz 格式），该更新包本质上是一个 ZIP 容器，内部包含了固件镜像、元数据、资源文件和版本约束信息。
更新传输采用分块流式推送模式。手机与手表建立 Pebble 专用的应用层协议会话后，将固件数据分割为固定大小的数据块，每个数据块携带序列号、偏移量和校验信息。手表端在接收过程中实时发送 ACK/NACK 确认响应，确保传输的可靠性。这种设计考虑到 Pebble 设备 RAM 资源极为有限，设备通常不将完整固件镜像暂存于内存中，而是直接将接收到的数据流写入闪存，同时进行增量校验，最终在全部数据到达后执行完整性验证。
固件分层与回滚机制
Pebble 的固件架构采用双分区设计，核心分为恢复固件（Recovery Firmware）和普通固件（Normal Firmware）两个独立分区。恢复固件是一个最小化操作系统，其唯一职能是提供基本的用户界面和固件更新能力，存放于受保护的闪存区域，普通刷写操作不会覆盖这一分区。普通固件则包含完整的 PebbleOS 系统栈，包括应用程序运行时、BLE 协议栈和用户界面组件。
这种双分区设计的工程意义在于提供了可靠的回滚能力。当普通固件更新过程中发生传输错误、校验失败或刷写异常时，设备自动或手动切换至恢复固件启动，等待用户重新发起更新流程。由于恢复固件始终保持可用状态，设备永远不会陷入完全无法启动的 “砖头” 状态。对于跨 major 版本升级（如 2.x 到 3.x），Pebble 引入了迁移固件（Migration Firmware）的概念，该特殊构建体包含新版恢复固件和版本桥接逻辑，用户需要先刷入迁移固件并重启，再继续刷入目标版本的普通固件。
增量升级的工程实现路径
在嵌入式设备上实现增量更新，核心思想是仅传输新旧固件之间的二进制差异，从而大幅降低传输数据量和更新耗时。增量更新（Delta Update）的技术实现通常包含三个关键步骤：差分计算、差异传输和设备端重构。
差分计算阶段，服务器端持有旧固件镜像和新固件镜像，通过二进制差分算法（如 bsdiff、rsync 风格块匹配或自定义 COPY/ADD 指令编码）生成补丁文件。典型的差分指令集包含两类基本操作：COPY 指令表示从旧固件的指定偏移位置复制 N 字节到新固件，ADD 指令则表示向新固件写入 N 字节的全新数据。生成的补丁文件远小于完整固件镜像，尤其在仅修改少量代码或配置的场景下，补丁体积可达到原镜像的十分之一甚至更低。
设备端需要集成一个轻量级的补丁引擎来解释执行差分指令。引擎读取补丁文件中的指令序列，将重构的新固件直接写入闪存的更新分区。由于嵌入式设备 RAM 资源受限，补丁引擎通常采用流式处理方式，边读取指令边执行写操作，避免将完整新固件加载到内存中。重构完成后，设备执行完整性校验，验证通过后切换启动分区，完成增量更新。
增量更新技术的工程约束同样值得关注。首先，差分更新严格依赖基线版本，只有设备当前运行的固件与服务器端记录的旧镜像完全字节一致时，补丁才能正确应用。其次，固件链接过程的稳定性直接影响差分效率，如果每次构建都大幅调整代码布局和函数地址，COPY 指令的有效匹配率会显著下降，补丁体积随之膨胀。此外，安全层面需要确保补丁文件经过签名校验，设备在应用前验证签名有效性，防止恶意篡改的差分数据被注入。
长期维护策略的技术考量
面向嵌入式设备的长期维护，OTA 机制的设计需要平衡多个维度。传输效率方面，对于 BLE 或低功耗广域网等带宽受限的场景，增量更新带来的收益尤为显著，可以将数十兆的固件包缩减至几兆级别，显著降低更新失败率和用户等待时间。版本兼容性方面，应当在固件头部嵌入目标硬件型号、最小恢复固件版本、固件类型和版本约束等元数据，设备在接收更新前先进行兼容性预检，拒绝不兼容的镜像从而避免刷机变砖。
故障恢复方面，推荐采用 A/B 双槽交替更新策略：新固件写入备用槽位，验证通过后再切换启动指针；如验证失败则保持原槽位启动，从而实现无感回滚。对于不具备双槽条件的设备（如 Pebble 早期型号），恢复固件分区的存在提供了最后的安全绳，但降级操作需要谨慎处理，因为跨版本降级可能导致数据格式不兼容或恢复固件与主固件版本不匹配的问题。
Pebble 的固件更新机制展示了嵌入式设备 OTA 的经典架构范式：基于分块流式传输的双分区设计、 recoverable 的更新状态机，以及通过恢复固件实现的降级保护。这些设计原则对于 IoT 设备、可穿戴终端和工业传感器的固件维护策略具有普遍的参考价值。
参考资料
- Gadgetbridge. Pebble Firmware Update Technical Specification. https://gadgetbridge.org/internals/specifics/pebble/
- Memfault. Saving Bandwidth with Delta Firmware Updates. https://interrupt.memfault.com/blog/ota-delta-updates