BootLoad(簡(jiǎn)稱(chēng)Boot)是一種啟動(dòng)加載程序,或者稱(chēng)為引導(dǎo)程序,我們?cè)?a target="_blank">操作系統(tǒng)和嵌入式開(kāi)發(fā)中經(jīng)常用到,因?yàn)槠?chē)ECU也是一種嵌入式系統(tǒng),Boot程序主要用于ECU軟件更新,汽車(chē)OTA升級(jí),本文主要講述汽車(chē)bootloader程序的工作原理和設(shè)計(jì)方法。
01
bootloader的功能
BootLoader,通常是駐留在ECU非易失性存儲(chǔ)器(NVM,None Valitale Momory)中的一段程序加載代碼,每次ECU復(fù)位后,都會(huì)運(yùn)行bootloader。它會(huì)檢查是否有來(lái)自通信總線(xiàn)的遠(yuǎn)程程序加載請(qǐng)求。
如果有,則進(jìn)入bootloader模式,建立與程序下載端(通常為PC上位機(jī))的總線(xiàn)通信并接收通信總線(xiàn)下載的應(yīng)用程序、解析其地址和數(shù)據(jù)代碼,運(yùn)行NVM驅(qū)動(dòng)程序,將其編程到NVM中,并校驗(yàn)其完整性,從而完成應(yīng)用程序更新。
如果沒(méi)有來(lái)自通信總線(xiàn)的遠(yuǎn)程程序加載請(qǐng)求,則直接跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序復(fù)位入口函數(shù)(復(fù)位中斷ISR,也稱(chēng)作Entry_Point()–使用Processor Expert的CodeWarrior 工程或者Startup()函數(shù)–普通CodeWarrior 工程),運(yùn)行應(yīng)用程序。
因此,汽車(chē)ECU的bootloader三個(gè)主要的作用:
與遠(yuǎn)程程序下載端建立可靠的總線(xiàn)通信以獲取要更新應(yīng)用程序;
解析應(yīng)用程序編程文件(S19/HEX/BIN)獲得其在NVM中的地址和程序代碼及數(shù)據(jù);
運(yùn)行NVM驅(qū)動(dòng)將應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)編程到NVM中并校驗(yàn);
下面就圍繞這三個(gè)方面展開(kāi)講述。
02
如何建立可靠的總線(xiàn)通信?
汽車(chē)ECU常見(jiàn)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)有CAN和LIN,因此通常汽車(chē)ECU的bootloader都是通過(guò)CAN或者LIN下載數(shù)據(jù)的。當(dāng)然也可以基于其他總線(xiàn),比如基于SPI總線(xiàn)或者I2C總線(xiàn)(典型如一些帶有安全監(jiān)測(cè)的功能安全ECU,通過(guò)主MCU對(duì)功能安全監(jiān)測(cè)MCU的程序進(jìn)行升級(jí))以及以太網(wǎng)(基于Enternet通信的中控或者全液晶儀表的ECU以及下一代高速網(wǎng)關(guān)和ADAS ECU)。
注意事項(xiàng):
不同的ECU通信總線(xiàn)不一樣,具體需要用到某種通信總線(xiàn)取決于實(shí)際應(yīng)用;
通信總線(xiàn)由ECU的MCU外設(shè)實(shí)現(xiàn),所以在bootloader中必須開(kāi)發(fā)相應(yīng)的通信總線(xiàn)外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能;
為了保證通信的可靠性,必須開(kāi)發(fā)一個(gè)基于通信總線(xiàn)完善的通信協(xié)議,應(yīng)用程序下載端和bootloader之間需要建立請(qǐng)求命令(request command)、確認(rèn)(acknowledge)、等待(block wait)、錯(cuò)誤重傳(errorre-send)等機(jī)制----bootloader根據(jù)不同的請(qǐng)求命令完成不同的任務(wù)并確認(rèn)操作是否完成(ACK)以及數(shù)據(jù)是否正被確完整的傳輸,若出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(通過(guò)校驗(yàn)和或者ECC實(shí)現(xiàn)),需要進(jìn)行自動(dòng)重傳;
應(yīng)用程序下載端通過(guò)需要在PC上基于VC或者C#、QT、Labview等開(kāi)發(fā)GUI軟件,實(shí)現(xiàn)中要求的總線(xiàn)通信協(xié)議,一般在其底層都是通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的總線(xiàn)設(shè)備,如USB轉(zhuǎn)CAN/LIN的轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)備的動(dòng)態(tài)庫(kù)(DLL)的API接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā),相應(yīng)的總線(xiàn)USB轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備都會(huì)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)庫(kù)(DLL)。因此bootloader開(kāi)發(fā)者一般還需具備一定的PC上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)能力;
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸,一般在總線(xiàn)通信協(xié)議中添加信源編碼,即在發(fā)送是對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和或者ECC計(jì)算并將結(jié)果在通信數(shù)據(jù)幀中和有效數(shù)據(jù)一起發(fā)送,bootloader接收端,接收到數(shù)據(jù)幀后對(duì)有效數(shù)據(jù)域進(jìn)行發(fā)送端同樣的校驗(yàn)和或者ECC計(jì)算,得出結(jié)果與接收到的校驗(yàn)和或者ECC計(jì)算結(jié)果值進(jìn)行比較從而判斷數(shù)據(jù)的完整性。應(yīng)用程序編程文件(S19/HEX/BIN)都具有相應(yīng)的校驗(yàn)機(jī)制,所以可以采取直接傳送程序編程文件行的方式;
否則,用戶(hù)需要在上位機(jī)軟件中首先解析編程文件,再將其中的地址和數(shù)據(jù)及代碼封裝打包成某種定制的通信協(xié)議,在bootloader中還得對(duì)其進(jìn)行解包,這樣一來(lái),略顯麻煩,但有些主機(jī)廠(chǎng)為了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù),有自己的bootloader協(xié)議,這種情況下,bootloader開(kāi)發(fā)者就必須按照主機(jī)廠(chǎng)的要求來(lái)開(kāi)發(fā);
一些正規(guī)的大主機(jī)廠(chǎng)要求其ECU供應(yīng)商開(kāi)發(fā)放入ECU bootloader必須基于UDS等總線(xiàn)診斷協(xié)議,在UDS中規(guī)定了相應(yīng)的CAN ID給bootloader使用,那么就必須在該類(lèi)ECU中的bootloader工程中加入相應(yīng)的UDS協(xié)議棧;
3和5的注意事項(xiàng)都是為了滿(mǎn)足Boot程序設(shè)計(jì)的安全要求,要特別重視。
03
解析編程文件(S19/HEX/BIN)
不同的MCU軟件開(kāi)發(fā)IDE編譯鏈接生成的編程文件格式可能不同,但S19、HEX和BIN文件之間是可以相互轉(zhuǎn)化的,所以只需要在bootloader中開(kāi)一種編程文件的解析程序就可以了,其他的可以使用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工具(convert tool)在上位機(jī)上進(jìn)行轉(zhuǎn)換;MCU的軟件開(kāi)發(fā)IDE一般都集成不同編程文件之間的轉(zhuǎn)換工具:比如S32DS的objcopy(Create Flash Image )以及Keil的Motorola S-Record to BINARY File Converter 。
解析編程文件的目的在于獲得應(yīng)用程序的程序代碼和數(shù)據(jù)及其在NVM中的存儲(chǔ)地址;
為了解析編程文件必須先了解其中的編碼格式和原理,常用的S19、HEX和BIN文件的格式說(shuō)明請(qǐng)自行查閱。
S19和HEX文件都是可以直接使用文本編輯器(比如記事本,notepad++)打開(kāi)的,只需要將包含地址和數(shù)據(jù)代碼的S1、S2和S3開(kāi)始的S19文件行合并即可,可以手動(dòng)拷貝,也可以編寫(xiě)window批處理腳本來(lái)處理;當(dāng)然也有專(zhuān)門(mén)的可以支持兩個(gè)S19文件的合并,網(wǎng)上可以找到很多開(kāi)源軟件,比如常見(jiàn)的Srecord等;
04
NVM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
ECU的NVM一般包括:
MCU片內(nèi)集成的用于存放數(shù)據(jù)的EEPROM或者Data-Flash;
用于存儲(chǔ)程序代碼/數(shù)據(jù)的Code-Flash/Program-Flash;
MPU擴(kuò)展的片外NORFlash或者NAND-Flash;
NVM驅(qū)動(dòng)程序 的作用包括
對(duì)NVM的擦除(erase)、編程(program)和校驗(yàn)(verify)等基本操作;
對(duì)NVM的加密(secure)/解密(unsecure)和加保護(hù)(protecTIon)/解保護(hù)(unprotecTIon)操作。
注意事項(xiàng):
MCU片上集成的NVM中EEPROM/D-Flash和C_Flash/P-Flash一般屬于不同的block,所以可以直接在Flash上運(yùn)行NVM驅(qū)動(dòng)對(duì)EEPROM/D-Flash進(jìn)行擦除和編程操作;
NVM驅(qū)動(dòng)一般都是通過(guò)運(yùn)行一個(gè)NVM command序列,在其中通過(guò)NVM控制器寄存器給出不同的NVM操作命令代碼、NVM編程數(shù)據(jù)和目標(biāo)地址的方式完成,典型的NVM command序列有(Freescale的S12(X)系列MCU Flash write command 序列);
由于NVM的工作速度一般較CPU內(nèi)核頻率和總線(xiàn)頻率低,所以運(yùn)行NVM驅(qū)動(dòng)前必須對(duì)NVM進(jìn)行初始化,將設(shè)置分頻器其工作頻率設(shè)置為正常工作所需頻率范圍;
MCU片內(nèi)的NVM同一個(gè)block上不能運(yùn)行NVM的驅(qū)動(dòng)對(duì)其自身進(jìn)行擦除和編程操作,否則會(huì)傳出read while write的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突(每個(gè)NVM block只有一條數(shù)據(jù)總線(xiàn),一個(gè)時(shí)刻只能進(jìn)行讀出或者寫(xiě)入,不支持同時(shí)讀出和寫(xiě)入)。
因此對(duì)于僅有一個(gè)block Flash的MCU來(lái)說(shuō),就必須在RAM中調(diào)用其N(xiāo)VM驅(qū)動(dòng),來(lái)對(duì)其自身進(jìn)行擦除和編程操作,同時(shí)在launch Flash command到等待command完成期間必須關(guān)閉CPU全局中斷,禁止外設(shè)中斷響應(yīng),否則取中斷向量和運(yùn)行中斷ISR都會(huì)訪(fǎng)問(wèn)Flash。要使能中斷,就必須將中斷向量表偏移到RAM或者NVM block(EEPROM/D-Flash)并將響應(yīng)的中斷ISR也拷貝到其他RAM或者NVM block上(當(dāng)然該中斷向量表也必須更新指導(dǎo)新的中斷ISR);
由于以上2的要求,通常需要將bootloader的NVM驅(qū)動(dòng)拷貝到MCU的RAM中運(yùn)行,其可以將其完成的NVM拷貝到RAM中運(yùn)行,也可以只拷貝NVM command launch到等待command完成的幾條指令到RAM執(zhí)行即可,因?yàn)镹VM驅(qū)動(dòng)中其他操作(比如填寫(xiě)NVM操作命令、寫(xiě)入編程地址和數(shù)據(jù)等)并不會(huì)往占用數(shù)據(jù)總線(xiàn)上往NVM中寫(xiě)入數(shù)據(jù);
NVM的驅(qū)動(dòng)程序駐留在Flash中,如果出現(xiàn)堆棧溢出等意外程序跑飛意外運(yùn)行NVM驅(qū)動(dòng)程序則會(huì)造成NVM內(nèi)容意外擦除丟失或者修改的情況。因此需要對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)或代碼(比如bootloader本身)進(jìn)行保護(hù)以防止意外修改,或者更為安全的方法是**不將NVM驅(qū)動(dòng)程序存放在NVM中,而是在bootloader最開(kāi)始通過(guò)上位機(jī)將其下載到RAM中運(yùn)行,bootloader結(jié)束后將該區(qū)域RAM清除,**從而避免由于意外運(yùn)行NVM驅(qū)動(dòng)程序造成的NVM數(shù)據(jù)丟失和修改。
一般MCU廠(chǎng)商都會(huì)給出其MCU的NVM驅(qū)動(dòng)庫(kù),用戶(hù)可以使用該類(lèi)庫(kù)實(shí)現(xiàn)NVM操作,如果是Freescale/NXP的汽車(chē)級(jí)MCU,還可以使用CodeWarrior IDE集成的Processor Expert生成相應(yīng)的NVM驅(qū)動(dòng)程序;
02
bootloader開(kāi)發(fā)的其他要點(diǎn)
1. bootloader與應(yīng)用程序的關(guān)系:
bootloader和應(yīng)用程序分別是兩個(gè)完整的MCU軟件工程,各自都由自己的啟動(dòng)代碼、main()函數(shù)、鏈接文件、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序和中斷向量表;
因此bootloader和應(yīng)用程序的鏈接文件中,對(duì)NVM的地址空間分配必須分開(kāi)獨(dú)立,不能重疊(overlap),但其RAM分配沒(méi)有約束,兩者都可以使用整個(gè)RAM空間,因?yàn)樘D(zhuǎn)到應(yīng)用工程后,將啟動(dòng)代碼將重新初始化RAM;
bootloader必須使用MCU默認(rèn)的中斷向量表,因?yàn)槊看螐?fù)位后MCU都是從其默認(rèn)中斷向量表的復(fù)位向量取地址執(zhí)行的;應(yīng)用程序的中斷向量必須進(jìn)行偏移(通過(guò)相應(yīng)的中斷向量偏移寄存器,如S12(X)系列MCU的IVBR寄存器或者ARM Cortex M系列MCU的SCB-》VTOR寄存器);
而NVM(P-Flash)的擦除都是按照sector進(jìn)行的,所以為了充分利用NVM(P-Flash)空間,都將bootloader分區(qū)到包含默認(rèn)中斷向量表的若干NVM(P-Flash)sector(S12(X)系列MCU的NVM最后若干sector, ARM Cortex M系列MCU從0地址開(kāi)始的若干sector);
注意:
如果應(yīng)用程序新過(guò)程中斷電或者意外復(fù)位,則應(yīng)用程序更新失敗,相應(yīng)的應(yīng)用程序完整性校驗(yàn)通不過(guò),當(dāng)然得重新下載,為了避免這種情況下應(yīng)用程序丟失,常常BootLoader需要對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行雙備份,即使用兩個(gè)不同的NVM分區(qū)來(lái)保存應(yīng)用程序,只有新的應(yīng)用程序更新成功之后,才擦除老的應(yīng)用程序,否則下次復(fù)位之后還是運(yùn)行老的應(yīng)用程序
2. bootloader到應(yīng)用程序的跳轉(zhuǎn)方法:
開(kāi)發(fā)使用bootloader后,每次ECU復(fù)位之后都將首先運(yùn)行bootloader,若無(wú)遠(yuǎn)程應(yīng)用程序下載請(qǐng)求則直接跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序復(fù)位函數(shù)地址,這里面有兩個(gè)問(wèn)題需要考慮:
如何獲得應(yīng)用程序復(fù)位函數(shù)地址:方法有:1)通過(guò)鏈接文件固定應(yīng)用程序的復(fù)位啟動(dòng)函數(shù)地址;2)從應(yīng)用程序中斷向量表的復(fù)位向量地址獲?。?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">推薦方法2):因?yàn)槠潇`活性好,每次應(yīng)用程序變化后無(wú)需關(guān)心應(yīng)用程序復(fù)位函數(shù)被編譯到了NVM的具體地址,只需要將應(yīng)用程序中斷向量表中的復(fù)位向量取出運(yùn)行即可:
典型方法如下(假設(shè)S12(X)系列MCU的應(yīng)用程序中斷向量表基地址寄存器IVBR=0x7F):
typedef void (near tIsrFunc)(void);/ ISR prototype definition */
word *Ptr; /pointer used for ISR vector fecth/
Ptr = (word *)0x7FFE; /*get the ISR vector from the interrupt vector table of APP project */
((tIsrFunc)(*Ptr))(); /covert and run/
跳轉(zhuǎn)時(shí)機(jī):方法有:
1)bootloader更新完應(yīng)用程序并校驗(yàn)其完整性O(shè)K之后,將用到的外設(shè)(比如CAN/LIN通信總線(xiàn)模塊、定時(shí)器、GPIO等)寄存器恢復(fù)到復(fù)位后的默認(rèn)狀態(tài),然后直接跳轉(zhuǎn);bootloader更新完應(yīng)用程序并校驗(yàn)其完整性O(shè)K之后,等待看門(mén)狗定時(shí)器超時(shí)溢出復(fù)位,在bootloader最開(kāi)始判斷無(wú)遠(yuǎn)程應(yīng)用程序下載請(qǐng)求而跳轉(zhuǎn);
推薦使用方法2):因?yàn)榉椒?)相對(duì)于軟件復(fù)位,其跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序復(fù)位啟動(dòng)函數(shù)時(shí)MCU的硬件環(huán)境與直接運(yùn)行應(yīng)用程序可能存在差異,而方法2)的看門(mén)狗復(fù)位則屬于硬件復(fù)位,其會(huì)將絕大部分外設(shè)(模擬、時(shí)鐘和外設(shè))電路復(fù)位,更接近直接運(yùn)行應(yīng)用程序的情況。
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原文標(biāo)題:技術(shù)|詳解汽車(chē)ECU的bootloader程序
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