隨著半導體技術的不斷進步（按照摩爾定律），MCU內部集成的邏輯功能外設越來越多，存儲器也越來越大。消費者對于汽車節能（經濟和法規對排放的要求）型、舒適性、互聯性、安全性（功能安全和信息安全）的要求越來越高，特別是近年來新能源電動車、車聯網和自動駕駛技術的興起，更大大加速了汽車電子技術的發展。汽車電子ECU（Electronic Control Unit--電控單元）集成的功能日益復雜，為了應對軟件遠程（在線）功能升級（增加新的功能）和bug修復的需求、對bootLoader（啟動加載程序）的需求越來越多。本文詳細介紹了汽車電子ECUbootloader的一般性工作原理和開發要點，其適用于所有的汽車電子ECU bootloader開發。

一、bootloader的功能

BootLoader，顧名思義，就是駐留在ECU非易失性存儲器中的一段程序加載代碼，每次ECU復位后，都會運行bootloader。它會檢查是否有來自通信總線的遠程程序加載請求，如果有，則進入bootloader模式，建立與程序下載端（通常為PC上位機）的總線通信并接收通信總線下載的應用程序、解析其地址和數據代碼，運行NVM（None Valitale Momory--非易失性存儲器）驅動程序，將其編程到NVM中，并校驗其完整性，從而完成應用程序更新。如果沒有來自通信總線的遠程程序加載請求，則直接跳轉到應用程序復位入口函數（復位中斷ISR，也稱作Entry_Point（）--使用Processor Expert的CodeWarrior 工程或者Startup（）函數--普通CodeWarrior 工程），運行應用程序。

基于此，汽車ECU的bootloader三大主要概念如下：

與遠程程序下載端建立可靠的總線通信以獲取要更新應用程序；

解析應用程序編程文件（S19/HEX/BIN）獲得其在NVM中的地址和程序代碼及數據；

運行NVM驅動將應用程序的代碼和數據編程到NVM中并校驗；

二、如何建立可靠的總線通信？

汽車ECU常見的數據總線有CAN和LIN，因此通常汽車ECU的bootloader都是通過CAN或者LIN下載數據的。當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測的功能安全ECU，通過主MCU對功能安全監測MCU的程序進行升級）以及以太網（基于Enternet通信的中控或者全液晶儀表的ECU以及下一代高速網關和ADAS ECU）。

TIps：

a、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際應用;

b、通信總線有ECU的MCU外設實現，所以在bootloader中必須開發相應的通信總線外設驅動程序，實現基本的數據發送和接收功能；

c、為了保證通信的可靠性，必須開發一個基于通信總線完善的通信協議，應用程序下載端和bootloader之間需要建立請求命令（request command）、確認（acknowledge）、等待（block wait）、錯誤重傳（error re-send）等機制----bootloader根據不同的請求命令完成不同的任務并確認操作是否完成（ACK）以及數據是否正被確完整的傳輸，若出現數據錯誤（通過校驗和或者ECC實現），需要進行自動重傳；

d、應用程序下載端通過需要在PC上基于VC或者C#、QT、Labview等開發GUI軟件，實現c中要求的總線通信協議，一般在其底層都是通過調用相應的總線設備，如USB轉CAN/LIN的轉發器設備的動態庫（DLL）的API接口來實現數據的收發，相應的總線USB轉發設備都會提供相應的驅動庫（DLL）。因此bootloader開發者一般還需具備一定的PC上位機軟件開發能力；

e、為了實現數據的可靠傳輸，一般在總線通信協議中添加信源編碼，即在發送是對有效數據進行校驗和或者ECC計算并將結果在通信數據幀中和有效數據一起發送，bootloader接收端，接收到數據幀后對有效數據域進行發送端同樣的校驗和或者ECC計算，得出結果與接收到的校驗和或者ECC計算結果值進行比較從而判斷數據的完整性。應用程序編程文件（S19/HEX/BIN）都具有相應的校驗和機制，所以可以采取直接傳送程序編程文件行的方式；否則，用戶需要在上位機軟件中首先解析編程文件，再將其中的地址和數據及代碼封裝打包成某種定制的通信協議，在bootloader中還得對其進行解包，這樣一來，略顯麻煩，但有些主機廠（Car OEM）為了知識產權保護，有自己的bootloader協議，這種情況下，bootloader開發者就必須按照主機廠的要求來開發；

f、一些正規的大主機廠要求其ECU供應商開發放入ECU bootloader必須基于UDS等總線診斷協議，在UDS中規定了相應的CAN ID給bootloader使用，那么久必須在該類ECU中的bootloader工程中加入相應的UDS協議棧；

三、解析編程文件（S19/HEX/BIN）

不同的MCU軟件開發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的轉換工具（convert tool）在上位機上進行轉換;

對編程文件的解析，目的在于獲得應用程序的程序代碼和數據及其在NVM中的存儲地址；

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文件的格式說明請參考如下維基百科鏈接：

S19文件：https://en.wikipedia.org/wiki/SREC_（file_format）

HEX文件：https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_HEX

BIN文件：https://en.wikipedia.org/wiki/Binary_file

TIps：

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據代碼的S1、S2和S3開始的S19文件行合并即可，可以手動拷貝，也可以編寫window批處理腳本來處理；當然也有專門的可以支持兩個S19文件的合并，網上可以找到很多開源軟件，比如常見的Srecord等；

MCU的軟件開發IDE一般都集成不同編程文件之間的轉換工具：比如S32DS的objcopy（Create Flash Image ）

以及Keil的Motorola S-Record to BINARY File Converter

四、NVM驅動程序開發

ECU的NVM一般包括其MCU片內集成的用于存放數據的EEPROM或者Data-Flash和用于存儲程序代碼/數據的Code-Flash/Program-Flash以及MPU擴展的片外NOR Flash或者NAND-Flash；NVM驅動程序包括對NVM的擦除（erase）、編程（program）和校驗（verify）等基本操作，也包括對NVM的加密（secure）/解密（unsecure）和加保護（protecTIon）/解保護（unprotecTIon）操作。

Tips：

a、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上運行NVM驅動對EEPROM/D-Flash進行擦除和編程操作；

b、NVM驅動一般都是通過運行一個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編程數據和目標地址的方式完成，典型的NVM command序列如下（Freescale的S12（X）系列MCU Flash write command 序列）：

c、由于NVM的工作速度一般較CPU內核頻率和總線頻率低，所以運行NVM驅動前必須對NVM進行初始化，將設置分頻器其工作頻率設置為正常工作所需頻率范圍；

d、MCU片內的NVM同一個block上不能運行NVM的驅動對其自身進行擦除和編程操作，否則會傳出read while write的總線訪問沖突（每個NVM block只有一條數據總線，一個時刻只能進行讀出或者寫入，不支持同時讀出和寫入）。因此對于僅有一個block Flash的MCU來說，就必須在RAM中調用其NVM驅動，來對其自身進行擦除和編程操作，同時在launch Flash command到等待command完成期間必須關閉CPU全局中斷，禁止外設中斷響應，否則取中斷向量和運行中斷ISR都會訪問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）并將響應的中斷ISR也拷貝到其他RAM或者NVM block上（當然該中斷向量表也必須更新指導新的中斷ISR）；

e、由于以上b的要求，通常需要將bootloader的NVM驅動拷貝到MCU的RAM中運行，其可以將其完成的NVM拷貝到RAM中運行，也可以只拷貝NVM command launch到等待command完成的幾條指令到RAM執行即可，因為NVM驅動中其他操作（比如填寫NVM操作命令、寫入編程地址和數據等）并不會往占用數據總線上往NVM中寫入數據；

f、NVM的驅動程序駐留在Flash中，如果出現堆棧溢出等意外程序跑飛意外運行NVM驅動程序則會造成NVM內容意外擦除丟失或者修改的情況。因此需要對關鍵數據或代碼（比如bootloader本身）進行保護以防止意外修改，或者更為安全的方法是不將NVM驅動程序存放在NVM中，而是在bootloader最開始通過上位機將其下載到RAM中運行，bootloader結束后將該區域RAM清除，從而避免由于意外運行NVM驅動程序造成的NVM數據丟失和修改。（PS：后續我會專門寫一篇文章介紹相關的方法，盡請關注閱讀）

g、一般MCU廠商都會給出其MCU的NVM驅動庫，用戶可以使用該類庫實現NVM操作，如果是Freescale/NXP的汽車級MCU，還可以使用CodeWarrior IDE集成的Processor Expert生成相應的NVM驅動程序；

五、bootloader開發的其他要點

a、bootloader與應用程序的關系

bootloader和應用程序分別是兩個完整的MCU軟件工程，各自都由自己的啟動代碼、main（）函數、鏈接文件、外設驅動程序和中斷向量表；

因此bootloader和應用程序的鏈接文件中，對NVM的地址空間分配必須分開獨立，不能重疊（overlap），但其RAM分配沒有約束，兩者都可以使用整個RAM空間，因為跳轉到應用工程后，

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