22
徽州骆驼 · 2023年06月27日

一文了解CAN bootloader的实现过程

汽车电子
以下文章来源于ZOTECK ，作者发财自由

Bootloader 介绍

大多数Bootloader 包含两种操作模式。

  • 启动加载模式
  • 下载模式

对于大多数汽车软件开发者来说，从客户需求的角度，他们更多关心Bootloader的下载模式。下面我们将从CAN Bootloader的一般需求入手，来介绍一下CAN Bootloader 的整个实现过程。

CAN Bootloader 简述

通过CAN网络升级一般需要考虑下面几个方向。

01 针对单一节点

CAN网络是串行结构，在对节点升级的时候，不能被别的节点影响，也不能影响到别的节点。这里就需要进行点对点升级。在OEM 的规范中会对每一个ECU 都有自己的诊断ID。一般情况下针对CAN网络的ECU有。

两个接收ID

  • 功能寻址ID
  • 物理寻址ID

一个发送ID

  • 诊断发送ID

这样可以确保点对点的操作，和其他节点互相不干扰。

02 节点的智能设计

在CAN网络中实现数据更新，最进本的就是master ECU 把数据有效的传输给Slave ECU, 这样Slave ECU 对自身的flash 进行操作。在这个过程中需要对数据进行一定要求。

  • 保证数据传递的有效性-->传输过程没有错误
  • 保证数据本身的真实性--> 未被篡改
  • 保证数据发送方的可靠性-->被授权的ECU
  • 保证数据本身的正确性--> 是否与Bootloader 兼容
  • 等等需求

这里对传输过程的保证，汽车OEM 一般通过UDS 让Master ECU 和 Slave 进行交互。通过握手协议，以及一些routine 来对上面需求进行一一实现。

针对UDS 这里不一一介绍，可以翻阅14229 自行查询。

image.png

注意这里缺少新版的 0x29 服务。

UDS诊断29认证服务-Authentication Service

03 进入Bootloader 模式

一般来说这里有一下几种方式

  • APP 主动跳转至 Bootloader 模式
  • 上电启动由于Bootloader 检测APP 失效，主动停留在Bootloader
  • APP 软件异常，自动复位到Bootloader 模式下。

这里针对OEM 的升级需求，一般是 第一种， APP 主动跳转至Bootloader 模式。因为Bootloader 不一定都是需要依赖UDS的，这里统一叫Bootloader 模式，OEM 的 UDS 的规范里面的名称叫做programming session。

一般来说OEM 会在APP 里面先进行session 跳转，身份验证。

最后通过 10 02 命令让APP 跳转到Bootloader 模式下。

在我们进行bootloader设计的时候，可以通过任何特定方式，注意这里的特定方式不能是随随便便就可以触发 的，防止误触进入bootloader 模式。

因为跳转的逻辑是 APP 检测到一定的条件，然后 对某些寄存器，或者某些Bootloader 可读的内存空间进行写flag. 随后进行reset. 这样在reset完成之后， bootloader 会检测到，这次不需要跳转至APP 了。

04 对bootloader的要求

从实际的研发需求出发，这里列出了一些常用的需求。实际OEM 的bootloader 可能会细化需求，但是最终都是为了下面的目的提出来的需求。

  • 多次数据更新
  • 刷写速度，传输速度
  • 差分更新
  • 身份验证
  • 数据格式的标准化
  • 对数据的完整性，有效性等进行校验
  • 对APP 的有效性进行校验
  • 上位机方便友好

OEM 对Bootloader 的基本要求

在OEM 的需求里，在刷写过程一般分为三个步骤。

  • 前处理
  • 刷写
  • 后处理

分别是做什么的呢？

前处理

image.png

需求各不相同，但是目的基本都一致。

  • 避免其他节点对升级过程的影响
  • 避免自身节点对升级过程的影响
  • 避免自身节点对其他节点的影响

刷写

image.png

通过一系列的UDS 命令进行 点对点 交互。其目的和前面提到的一致。

  • 发送数据的ECU 可靠
  • 数据传输过程可靠
  • 数据有效性(识别有没有被篡改)
  • 数据加密解密数据安全
  • 等等

后处理

image.png

解除自身的特殊状态。更新配置参数等等。

这里面 ECU 需要做好和APP 的相互校验。需要达到

  • APP 是否有效，Bootloader 需要能判断出
  • APP 运行时无效，需要能有效进入Bootloader模式。
  • APP 无效， Bootloader 不应该跳入
  • 等等

Bootloader的设计与实现

总结一句话

最基本的Bootloader通过传输协议把数据可靠的写入指定的内存空间

通过上面的分析，总结一下我们需要实现哪些功能。

01 控制器最小系统

单纯运行Bootloader的软件，这里是不需要os的。只需要一个while(1) + 中断系统顺序执行即可。

本文以Aurix Tricore芯片示例代码介绍。

启动代码

static void __StartUpSoftware(void);
static void __StartUpSoftware_Phase2(void);
static void __StartUpSoftware_Phase3ApplicationResetPath(void);
static void __StartUpSoftware_Phase3PowerOnResetPath(void);
static void __StartUpSoftware_Phase4(void);
static void __StartUpSoftware_Phase5(void);
static void __StartUpSoftware_Phase6(void);
static void __Core0_start(void);

main 函数

这里面实现很简单，只需要判断是否进入app. 如果不进入app. 就只需要监听通讯接口的数据，进行相对应的操作即可。

int main(void)
{
  if(*((uint32_t *)APP_EXE_FLAG_START_ADDR)==0x80001000){
    CAN_BOOT_JumpToApplication(APP_START_ADDR);
  }
  __set_PRIMASK(0);//开启总中断
  CAN_Configuration(1000000);


  while (1)
  {
    if(CAN1_CanRxMsgFlag){
      CAN_BOOT_ExecutiveCommand(&CAN1_RxMessage);
      CAN1_CanRxMsgFlag = 0;
    }
  }
}
02 通讯驱动

这里面采用的是比较简单的CAN 通讯。

一般来说因为上位机在传输数据的时候，速度是很快的。我们bootloader里面的CAN 接收需要采用中断的模式进行收发。

对于CAN 的参数配置。

波特率

typedef  struct {
  unsigned char   SJW;
  unsigned char   BS1;
  unsigned char   BS2;
  unsigned short  PreScale;
} tCAN_BaudRate;

可以根据芯片手册的原理进行配置。

image.png

这里面对于Bootloader来说，比较重要的就是波特率和收发报文ID 以及中断模式。

因为这些是需要和上位机进行配合的。

这里给出以下Mcal 代码初始化CAN时候的形参。可以大概看出需要初始化的内容

/*******************************************************************************
** Traceability   : [cover parentID={196A1432-EAB1-461a-BD6C-259784BF6397}]   **
**                                                                            **
**  Syntax           : void Can_17_McmCan_Init                                **
**                    (                                                       **
**                      const Can_17_McmCan_ConfigType* const Config          **
**                    )                                                       **
**                                                                            **
**  Description      : Driver Module Initialization function                  **
**                    * This function initializes:                            **
**                    * Static variables, including flags                     **
**                    * CAN HW Unit global hardware settings                  **
**                    * Controller specific settings for each CAN Controller  **
**  All CAN Controllers will be in state CANIF_CS_STOPPED after initialization**
**  [/cover]                                                                  **
**                                                                            **
**  Service ID       : 0x00                                                   **
**                                                                            **
**  Sync/Async       : Synchronous                                            **
**                                                                            **
**  Reentrancy       : Non-Reentrant                                          **
**                                                                            **
**  Parameters(in)   : Config - Pointer to all cores CAN driver configuration **
**                                                                            **
**  Parameters (out) : none                                                   **
**                                                                            **
**  Return value     : none                                                   **
**                                                                            **
*******************************************************************************/

对于bootloader来说，这里只需要三个接口

初始 化，收，发

void CAN_Configuration_init(uint32_t BaudRate);
uint8_t CAN_WriteData(CanTxMsg *TxMessage);
uint16_t Read_CAN_Address(void);
03 内存驱动

首先看一下内存分配

PFLASH
image.png

DFLASH

image.png

一般来说 被刷的软件格式是Hex 或S19. 针对这两种格式就不说了。

code 和 data 可以根据主机厂需求分为两个或多个Hex.

所以这里需要对Pflash 和 DFlash 都进行操作。

需要注意的是两个不同的flash 操作的 扇区大小是不一样的。Mcal提供的接口已经做了相对应的处理。

对于bootloader来说，需要的接口 擦除 和 写入。


/*******************************************************************************
** Syntax           :  FlsLoader_ReturnType FlsLoader_Write(                  **
**                      const FlsLoader_AddressType TargetAddress,            **
**                      const FlsLoader_LengthType Length,                    **
**                      const uint8* const SourceAddressPtr)                  **
**                                                                            **
** Service ID       : 0x31                                                    **
**                                                                            **
** Sync/Async       : Synchronous                                             **
**                                                                            **
** Reentrancy       : Non Reentrant                                           **
**                                                                            **
** Parameters(in)   : Length: Number of bytes to be written. It should be     **
**                      multiple of the following page sizes of the           **
**                      selected Flash for write.                             **
**                      PFlash: 32 Bytes                                      **
**                      DFlash: 8 Bytes                                       **
**                    SourceAddressPtr: Pointer to source data buffer         **
**                    TargetAddress: Target address in Flash memory.          **
**                      It should be aligned to the following page sizes      **
**                      of the selected Flash for write.                      **
**                      PFlash: 32 Bytes                                      **
**                      DFlash: 8 Bytes                                       **
**                                                                            **
** Parameters (out) : None                                                    **
**                                                                            **
** Return value     : FLSLOADER_E_OK: Successful execution.                   **
**                    FLSLOADER_E_BUSY: Flash is busy with erase/write        **
**                      operation.                                            **
**                    FLSLOADER_E_NOT_OK: Returned when DET, Sequence error,  **
**                      Program/Erase verify errors occur, SourceAddressPtr is**
**                      null pointer.                                         **
**                    FLSLOADER_E_LOCKED: Programming a locked sector.        **
**                                                                            **
** Description      : This function is used to program a page of internal     **
**                    Flash. Sectors of PFlash and DFlash can be programmed.  **
*******************************************************************************/

/*******************************************************************************
** Syntax           :  FlsLoader_ReturnType FlsLoader_Erase(                  **
**                      const FlsLoader_AddressType TargetAddress,            **
**                      const FlsLoader_LengthType Length                     **
**                    )                                                       **
**                                                                            **
** Service ID       : 0x32                                                    **
**                                                                            **
** Sync/Async       : Synchronous                                             **
**                                                                            **
** Reentrancy       : Non Reentrant                                           **
**                                                                            **
** Parameters(in)   : Length: Number of Flash (PFlash or DFlash) sectors to   **
**                    be erased. Note: Number of sectors should lie within    **
**                    single Flash bank. Erase operation across the Flash     **
**                    banks is not supported.                                 **
**                    TargetAddress: Target address in Flash memory. It       **
**                    should be aligned to the following sector sizes of the  **
**                    selected Flash for erase.                               **
**                    PFlash: 16 Kbyte                                        **
**                    DFlash: 4 Kbyte                                         **
**                                                                            **
** Parameters (out) : None                                                    **
**                                                                            **
** Return value     : FLSLOADER_E_OK: Successful completion.                  **
**                    FLSLOADER_E_BUSY: Flash is busy with erase/write        **
**                    operation.                                              **
**                    FLSLOADER_E_NOT_OK: Returned when DET, Sequence error,  **
**                    Erase verify errors occur.                              **
**                    FLSLOADER_E_LOCKED: Sector is protected.                **
**                                                                            **
** Description      : This function erases the logical sectors of the         **
                      internal Flash. The completion of this operation is     **
                      denoted by clearing of busy status flag or error.       **
04 额外需求库

这里比如需要对数据进行CRC 校验

需要对数据包进行数据解密用到的加密算法

等等

05 交互逻辑 上层应用

根据具体的OEM 需求实现的功能。比如说。配置参数的交换，与APP软件的有效位相互校验，等等需求。这里无法给出对应代码。

总结 一张图

image.png

作者：发财自由
文章来源：ZOTECK

推荐阅读

更多汽车电子干货请关注汽车电子与软件专栏。欢迎添加极术小姐姐微信（id:aijishu20)加入技术交流群，请备注研究方向。
22 阅读 1.3k
推荐阅读
图解汽车电子｜MCU和汽车电子供应情况 汽车电子的变化与挑战 汽车电子电气架构的演进 AI浪潮下，如何卷汽车电子？ 蔚来汽车的电子电气架构 理想汽车的电子电气架构迭代
汽车电子与软件
关注数
5726
内容数
470
汽车电子与软件行业的相关技术报道及解读。
关注专栏 专栏主页
目录
极术微信服务号
关注极术微信号
实时接收点赞提醒和评论通知
安谋科技学堂公众号
关注安谋科技学堂
实时获取安谋科技及 Arm 教学资源
安谋科技招聘公众号
关注安谋科技招聘
实时获取安谋科技中国职位信息