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1、详解汽车ECU的bootloader程序bootloader 的功能BootLoader，通常是驻留在 ECU非易失性存储器（NVM , None ValitaleMomory ）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（
2、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。ApplkttionJ 初睹比因此，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；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；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；下面就围绕这三个方面展开讲述。如何建立可靠的总线通信？汽车ECU常见的数据总线有CAN和L
3、IN，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
4、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CA
5、N/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，
6、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
7、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。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 Co
8、nverter。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 SI、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；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 E
9、EPROM 或者Data-Flash;用于存储程序代码/数据的Code-Flash/Program-Flash; MPU 扩展的片外 NORFlash 或者 NAND-Flash ；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；对 NVM 的加密（secure）/解密（unsecure ）和加保护（protecTIon ）/解 保护（unprotecTIon ）操作。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F
10、lash上运行NVM驱动对EEPROM/D- Flash 进行擦除和编程操作；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）；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；4. MCU片内的NVM同一个block上不能运行NVM的驱动对
11、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
12、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）；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；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
13、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。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；02bootloa
14、der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
15、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
16、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. boo tloader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
