剖析汽車ECU的bootloader程序

BootLoad（簡(jiǎn)稱Boot）是一種啟動(dòng)加載程序，或者稱為引導(dǎo)程序，我們?cè)?a target="_blank">操作系統(tǒng)和嵌入式開發(fā)中經(jīng)常用到，因?yàn)槠嘐CU也是一種嵌入式系統(tǒng)，Boot程序主要用于ECU軟件更新，汽車OTA升級(jí)，本文主要講述汽車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)檢查是否有來自通信總線的遠(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)）的總線通信并接收通信總線下載的應(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。

如果沒有來自通信總線的遠(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)方面展開講述。

02

如何建立可靠的總線通信？

汽車ECU常見的數(shù)據(jù)總線有CAN和LIN，因此通常汽車ECU的bootloader都是通過CAN或者LIN下載數(shù)據(jù)的。當(dāng)然也可以基于其他總線，比如基于SPI總線或者I2C總線（典型如一些帶有安全監(jiān)測(cè)的功能安全ECU，通過主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通信總線不一樣，具體需要用到某種通信總線取決于實(shí)際應(yīng)用;

通信總線由ECU的MCU外設(shè)實(shí)現(xiàn)，所以在bootloader中必須開發(fā)相應(yīng)的通信總線外設(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，必須開發(fā)一個(gè)基于通信總線完善的通信協(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)用程序下載端通過需要在PC上基于VC或者C#、QT、Labview等開發(fā)GUI軟件，實(shí)現(xiàn)中要求的總線通信協(xié)議，一般在其底層都是通過調(diào)用相應(yīng)的總線設(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接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，相應(yīng)的總線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開發(fā)者一般還需具備一定的PC上位機(jī)軟件開發(fā)能力；

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，一般在總線通信協(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，略顯麻煩，但有些主機(jī)廠為了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，有自己的bootloader協(xié)議，這種情況下，bootloader開發(fā)者就必須按照主機(jī)廠的要求來開發(fā)；

一些正規(guī)的大主機(jī)廠要求其ECU供應(yīng)商開發(fā)放入ECU bootloader必須基于UDS等總線診斷協(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++）打開的，只需要將包含地址和數(shù)據(jù)代碼的S1、S2和S3開始的S19文件行合并即可，可以手動(dòng)拷貝，也可以編寫window批處理腳本來處理；當(dāng)然也有專門的可以支持兩個(gè)S19文件的合并，網(wǎng)上可以找到很多開源軟件，比如常見的Srecord等；

04

NVM驅(qū)動(dòng)程序開發(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)一般都是通過運(yùn)行一個(gè)NVM command序列，在其中通過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的總線訪問沖突（每個(gè)NVM block只有一條數(shù)據(jù)總線，一個(gè)時(shí)刻只能進(jìn)行讀出或者寫入，不支持同時(shí)讀出和寫入）。

因此對(duì)于僅有一個(gè)block Flash的MCU來說，就必須在RAM中調(diào)用其NVM驅(qū)動(dòng)，來對(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)訪問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NVM操作命令、寫入編程地址和數(shù)據(jù)等）并不會(huì)往占用數(shù)據(jù)總線上往NVM中寫入數(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最開始通過上位機(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廠商都會(huì)給出其MCU的NVM驅(qū)動(dòng)庫(kù)，用戶可以使用該類庫(kù)實(shí)現(xiàn)NVM操作，如果是Freescale/NXP的汽車級(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獨(dú)立，不能重疊（overlap），但其RAM分配沒有約束，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地址開始的若干sector）；

注意：

如果應(yīng)用程序新過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，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：

開發(fā)使用bootloader后，每次ECU復(fù)位之后都將首先運(yùn)行bootloader，若無遠(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??；推薦方法2）：因?yàn)槠潇`活性好，每次應(yīng)用程序變化后無需關(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，等待看門狗定時(shí)器超時(shí)溢出復(fù)位，在bootloader最開始判斷無遠(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。

編輯：jq