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汽车ECU的bootloader程序的工作原理和设计方法

2021-09-07 汽车电子与软件 阅读:
BootLoad(简称Boot)是一种启动加载程序,或者称为引导程序,我们在操作系统和嵌入式开发中经常用到,因为汽车ECU也是一种嵌入式系统,Boot程序主要用于ECU软件更新,汽车OTA升级,本文主要讲述汽车bootloader程序的工作原理和设计方法。
BootLoad(简称Boot)是一种启动加载程序,或者称为引导程序,我们在操作系统和嵌入式开发中经常用到,因为汽车ECU也是一种嵌入式系统,Boot程序主要用于ECU软件更新,汽车OTA升级,本文主要讲述汽车bootloader程序的工作原理和设计方法。

01

bootloader的功能

BootLoader,通常是驻留在ECU非易失性存储器(NVM,None Valitale Momory)中的一段程序加载代码,每次ECU复位后,都会运行bootloader。它会检查是否有来自通信总线的远程程序加载请求,如果有,则进入bootloader模式,建立与程序下载端(通常为PC上位机)的总线通信并接收通信总线下载的应用程序、解析其地址和数据代码,运行NVM驱动程序,将其编程到NVM中,并校验其完整性,从而完成应用程序更新。如果没有来自通信总线的远程程序加载请求,则直接跳转到应用程序复位入口函数(复位中断ISR,也称作Entry_Point()–使用Processor Expert的CodeWarrior 工程或者Startup()函数–普通CodeWarrior 工程),运行应用程序。 
因此,汽车ECU的bootloader三个主要的作用:
  1. 与远程程序下载端建立可靠的总线通信以获取要更新应用程序;HpRednc

  2. 解析应用程序编程文件(S19/HEX/BIN)获得其在NVM中的地址和程序代码及数据;HpRednc

  3. 运行NVM驱动将应用程序的代码和数据编程到NVM中并校验;HpRednc

下面就围绕这三个方面展开讲述。

02

如何建立可靠的总线通信?

汽车ECU常见的数据总线有CAN和LIN,因此通常汽车ECU的bootloader都是通过CAN或者LIN下载数据的。当然也可以基于其他总线,比如基于SPI总线或者I2C总线(典型如一些带有安全监测的功能安全ECU,通过主MCU对功能安全监测MCU的程序进行升级)以及以太网(基于Enternet通信的中控或者全液晶仪表的ECU以及下一代高速网关和ADAS ECU)。
⚠️注意事项:
  1. 不同的ECU通信总线不一样,具体需要用到某种通信总线取决于实际应用;
  2. 通信总线由ECU的MCU外设实现,所以在bootloader中必须开发相应的通信总线外设驱动程序,实现基本的数据发送和接收功能;
  3. 为了保证通信的可靠性,必须开发一个基于通信总线完善的通信协议,应用程序下载端和bootloader之间需要建立请求命令(request command)、确认(acknowledge)、等待(block wait)、错误重传(errorre-send)等机制----bootloader根据不同的请求命令完成不同的任务并确认操作是否完成(ACK)以及数据是否正被确完整的传输,若出现数据错误(通过校验和或者ECC实现),需要进行自动重传;
  4. 应用程序下载端通过需要在PC上基于VC或者C#、QT、Labview等开发GUI软件,实现中要求的总线通信协议,一般在其底层都是通过调用相应的总线设备,如USB转CAN/LIN的转发器设备的动态库(DLL)的API接口来实现数据的收发,相应的总线USB转发设备都会提供相应的驱动库(DLL)。因此bootloader开发者一般还需具备一定的PC上位机软件开发能力;
  5. 为了实现数据的可靠传输,一般在总线通信协议中添加信源编码,即在发送是对有效数据进行校验和或者ECC计算并将结果在通信数据帧中和有效数据一起发送,bootloader接收端,接收到数据帧后对有效数据域进行发送端同样的校验和或者ECC计算,得出结果与接收到的校验和或者ECC计算结果值进行比较从而判断数据的完整性。应用程序编程文件(S19/HEX/BIN)都具有相应的校验机制,所以可以采取直接传送程序编程文件行的方式;否则,用户需要在上位机软件中首先解析编程文件,再将其中的地址和数据及代码封装打包成某种定制的通信协议,在bootloader中还得对其进行解包,这样一来,略显麻烦,但有些主机厂为了知识产权保护,有自己的bootloader协议,这种情况下,bootloader开发者就必须按照主机厂的要求来开发;
  6. 一些正规的大主机厂要求其ECU供应商开发放入ECU bootloader必须基于UDS等总线诊断协议,在UDS中规定了相应的CAN ID给bootloader使用,那么就必须在该类ECU中的bootloader工程中加入相应的UDS协议栈;
3和5的注意事项都是为了满足Boot程序设计的安全要求,要特别重视。

03

解析编程文件(S19/HEX/BIN)

不同的MCU软件开发IDE编译链接生成的编程文件格式可能不同,但S19、HEX和BIN文件之间是可以相互转化的,所以只需要在bootloader中开一种编程文件的解析程序就可以了,其他的可以使用相应的转换工具(convert tool)在上位机上进行转换;MCU的软件开发IDE一般都集成不同编程文件之间的转换工具:比如S32DS的objcopy(Create Flash Image )以及Keil的Motorola S-Record to BINARY File Converter 。
解析编程文件的目的在于获得应用程序的程序代码和数据及其在NVM中的存储地址;
为了解析编程文件必须先了解其中的编码格式和原理,常用的S19、HEX和BIN文件的格式说明请自行查阅。
S19和HEX文件都是可以直接使用文本编辑器(比如记事本,notepad++)打开的,只需要将包含地址和数据代码的S1、S2和S3开始的S19文件行合并即可,可以手动拷贝,也可以编写window批处理脚本来处理;当然也有专门的可以支持两个S19文件的合并,网上可以找到很多开源软件,比如常见的Srecord等;

04

NVM驱动程序开发

ECU的NVM一般包括:
  • MCU片内集成的用于存放数据的EEPROM或者Data-Flash;HpRednc

  • 用于存储程序代码/数据的Code-Flash/Program-Flash;HpRednc

  • MPU扩展的片外NORFlash或者NAND-Flash;HpRednc

NVM驱动程序 的作用包括
  • 对NVM的擦除(erase)、编程(program)和校验(verify)等基本操作;HpRednc

  • 对NVM的加密(secure)/解密(unsecure)和加保护(protecTIon)/解保护(unprotecTIon)操作。HpRednc

⚠️注意事项:
  1. MCU片上集成的NVM中EEPROM/D-Flash和C_Flash/P-Flash一般属于不同的block,所以可以直接在Flash上运行NVM驱动对EEPROM/D-Flash进行擦除和编程操作;HpRednc

  2. NVM驱动一般都是通过运行一个NVM command序列,在其中通过NVM控制器寄存器给出不同的NVM操作命令代码、NVM编程数据和目标地址的方式完成,典型的NVM command序列有(Freescale的S12(X)系列MCU Flash write command 序列);HpRednc

  3. 由于NVM的工作速度一般较CPU内核频率和总线频率低,所以运行NVM驱动前必须对NVM进行初始化,将设置分频器其工作频率设置为正常工作所需频率范围;HpRednc

  4. MCU片内的NVM同一个block上不能运行NVM的驱动对其自身进行擦除和编程操作,否则会传出read while write的总线访问冲突(每个NVM block只有一条数据总线,一个时刻只能进行读出或者写入,不支持同时读出和写入)。因此对于仅有一个block Flash的MCU来说,就必须在RAM中调用其NVM驱动,来对其自身进行擦除和编程操作,同时在launch Flash command到等待command完成期间必须关闭CPU全局中断,禁止外设中断响应,否则取中断向量和运行中断ISR都会访问Flash。要使能中断,就必须将中断向量表偏移到RAM或者NVM block(EEPROM/D-Flash)并将响应的中断ISR也拷贝到其他RAM或者NVM block上(当然该中断向量表也必须更新指导新的中断ISR);HpRednc

  5. 由于以上2的要求,通常需要将bootloader的NVM驱动拷贝到MCU的RAM中运行,其可以将其完成的NVM拷贝到RAM中运行,也可以只拷贝NVM command launch到等待command完成的几条指令到RAM执行即可,因为NVM驱动中其他操作(比如填写NVM操作命令、写入编程地址和数据等)并不会往占用数据总线上往NVM中写入数据;HpRednc

  6. NVM的驱动程序驻留在Flash中,如果出现堆栈溢出等意外程序跑飞意外运行NVM驱动程序则会造成NVM内容意外擦除丢失或者修改的情况。因此需要对关键数据或代码(比如bootloader本身)进行保护以防止意外修改,或者更为安全的方法是**不将NVM驱动程序存放在NVM中,而是在bootloader最开始通过上位机将其下载到RAM中运行,bootloader结束后将该区域RAM清除,**从而避免由于意外运行NVM驱动程序造成的NVM数据丢失和修改。HpRednc

  7. 一般MCU厂商都会给出其MCU的NVM驱动库,用户可以使用该类库实现NVM操作,如果是Freescale/NXP的汽车级MCU,还可以使用CodeWarrior IDE集成的Processor Expert生成相应的NVM驱动程序;HpRednc

02

bootloader开发的其他要点

1. bootloader与应用程序的关系:
bootloader和应用程序分别是两个完整的MCU软件工程,各自都由自己的启动代码、main()函数、链接文件、外设驱动程序和中断向量表;
因此bootloader和应用程序的链接文件中,对NVM的地址空间分配必须分开独立,不能重叠(overlap),但其RAM分配没有约束,两者都可以使用整个RAM空间,因为跳转到应用工程后,将启动代码将重新初始化RAM;
bootloader必须使用MCU默认的中断向量表,因为每次复位后MCU都是从其默认中断向量表的复位向量取地址执行的;应用程序的中断向量必须进行偏移(通过相应的中断向量偏移寄存器,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进行的,所以为了充分利用NVM(P-Flash)空间,都将bootloader分区到包含默认中断向量表的若干NVM(P-Flash)sector(S12(X)系列MCU的NVM最后若干sector, ARM Cortex M系列MCU从0地址开始的若干sector);
注意:
如果应用程序新过程中断电或者意外复位,则应用程序更新失败,相应的应用程序完整性校验通不过,当然得重新下载,为了避免这种情况下应用程序丢失,常常BootLoader需要对应用程序进行双备份,即使用两个不同的NVM分区来保存应用程序,只有新的应用程序更新成功之后,才擦除老的应用程序,否则下次复位之后还是运行老的应用程序
2. bootloader到应用程序的跳转方法:
开发使用bootloader后,每次ECU复位之后都将首先运行bootloader,若无远程应用程序下载请求则直接跳转到应用程序复位函数地址,这里面有两个问题需要考虑:
如何获得应用程序复位函数地址:方法有:1)通过链接文件固定应用程序的复位启动函数地址;2)从应用程序中断向量表的复位向量地址获取;推荐方法2):因为其灵活性好,每次应用程序变化后无需关心应用程序复位函数被编译到了NVM的具体地址,只需要将应用程序中断向量表中的复位向量取出运行即可:
典型方法如下(假设S12(X)系列MCU的应用程序中断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/
跳转时机:方法有:1)bootloader更新完应用程序并校验其完整性OK之后,将用到的外设(比如CAN/LIN通信总线模块、定时器、GPIO等)寄存器恢复到复位后的默认状态,然后直接跳转;bootloader更新完应用程序并校验其完整性OK之后,等待看门狗定时器超时溢出复位,在bootloader最开始判断无远程应用程序下载请求而跳转;推荐使用方法2):因为方法1)相对于软件复位,其跳转至应用程序复位启动函数时MCU的硬件环境与直接运行应用程序可能存在差异,而方法2)的看门狗复位则属于硬件复位,其会将绝大部分外设(模拟、时钟和外设)电路复位,更接近直接运行应用程序的情况。
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