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汽車電子ECU bootloader的工作原理及開發要點有哪些？本文告訴你
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ECU bootloader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。
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;
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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 )
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。
