網(wǎng)關(guān)控制器BootLoader系統(tǒng)設(shè)計

孫 瑞， 徐建國， 馬 偉， 楊玉柱

(上海采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司, 上海 201821)

在某款車用網(wǎng)關(guān)控制器的開發(fā)過程中，為了方便實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器的實車調(diào)試和程序更新，需要設(shè)計出一種通過CAN總線即可刷寫應(yīng)用程序的軟件.CAN(Controller Area Network)總線是一種主流的車用現(xiàn)場總線，具備標準化的通信格式，其信號傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和準確性等優(yōu)點使其獲得汽車行業(yè)內(nèi)的廣泛認可.因此，CAN總線成為本文設(shè)計BootLoader系統(tǒng)的首選通信介質(zhì).在CAN總線協(xié)議與S19文件協(xié)議的基礎(chǔ)上，本文又引入了一個自定義的通信協(xié)議，以實現(xiàn)BootLoader與上位機之間的命令和狀態(tài)傳遞.該BootLoader系統(tǒng)簡單、可靠，無需應(yīng)用程序本身做任何適應(yīng)性更改，因此同樣適用于以XET256為平臺的其他控制器開發(fā)項目.

1 BootLoader設(shè)計思路

Bootloader稱為系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，是系統(tǒng)加電或復(fù)位后執(zhí)行的第一段代碼[1]，其主要作用是實現(xiàn)應(yīng)用程序的更新以及引導(dǎo)應(yīng)用程序的執(zhí)行.基于這一基本思路，在設(shè)計BootLoader時首先要考慮的問題是BootLoader與應(yīng)用程序在Flash中應(yīng)如何劃分，以保證二者所占用的存儲空間不能相互沖突.其次，控制器上電后，應(yīng)該首先執(zhí)行BootLoader，由BootLoader決定是進行程序的更新還是進入應(yīng)用程序執(zhí)行.然后，在控制器上電后，BootLoader開始執(zhí)行時，應(yīng)以操作員即上位機的指令為判斷依據(jù)，來控制程序執(zhí)行的方向.在應(yīng)用程序刷寫過程中，還應(yīng)對上位機的命令及命令執(zhí)行情況進行反饋，以使操作員明確應(yīng)用程序是否成功更新.最后，BootLoader應(yīng)能夠根據(jù)規(guī)定好的協(xié)議，將通過CAN總線接收到的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)準確地寫入.

2 Flash與RAM劃分

2.1 PRM中P-Flash與RAM劃分

設(shè)計BootLoader時需充分考慮對ECU存儲器的分配[2]，在飛思卡爾編譯器CodeWarrior中，程序和數(shù)據(jù)存儲空間的劃分工作是在prm文件中完成的.以關(guān)鍵字SEGMENTS和END為標志.Flash存儲空間的關(guān)鍵字為READ_ONLY.

XET256中P-Flash地址范圍為0x4000～0xFFFF[3].其中，0xFF0F～0xFFFF為中斷向量區(qū)，0xFF00～0xFF0E為Flash配置區(qū)，主要用于P-Flash寫保護等功能.剩下的地址范圍0x4000～0xFEFF開放給用戶，用于存儲用戶程序代碼.受限于16位尋址能力，P-Flash被分為非分頁區(qū)(unpagedFlash)和分頁區(qū)(paged Flash).非分頁區(qū)(0x4000～0x7FFF與0xC000～0xFFFF)可直接用16位地址尋址.而分頁區(qū)(0x8000～0xBFFF)則必須用24位地址尋址.

為了給網(wǎng)關(guān)控制器應(yīng)用程序提供更多的代碼空間，以及便于實現(xiàn)BootLoader寫保護等目的，將BootLoader程序安排在從0xFEFF開始往上數(shù)的一段區(qū)域，其大小可根據(jù)具體代碼量調(diào)整，本文將其定義為3.75K，即地址范圍為0xF000～0xFEFF.

在對P-Flash擦除與寫入操作的時候，不允許同時對其進行讀取，否則可能導(dǎo)致Flash的損壞[4].本著這一原則，對Flash的擦除、寫入以及CAN中斷信號的處理代碼，應(yīng)復(fù)制到RAM中運行.這一功能可通過關(guān)鍵字RELOCATE_TO實現(xiàn).因此，在劃分Flash的同時也應(yīng)對RAM進行劃分，以實現(xiàn)這一功能.定義RAM的關(guān)鍵字為READ_WRITE.P-Flash與RAM的實際劃分如圖1和圖2所示.

圖1 P-Flash劃分圖

圖2 RAM劃分圖

2.2 全局地址表示方式

如前所述，非分頁區(qū)Flash的地址唯一，可直接采用16位邏輯地址進行尋址.但0x8000～0xBFFF這一分頁區(qū)共由14頁組成，具體尋址到哪一頁取決于PPAGE寄存器.其地址變?yōu)榱?位頁地址加16位具體地址，即24位地址.如PPAGE寄存器的默認值為0xFE，則邏輯地址0xFE_8000表示0xFE這一頁的0x8000地址.

由于存在以上地址表示方式的不同(16位與24位)，在對Flash進行擦寫時，如果直接采用邏輯地址，不僅關(guān)系復(fù)雜，而且容易出錯.而采用全局地址，可使表示方式單一，容易尋址.所謂全局地址是由頁寄存器PPAGE的值以及邏輯地址按一定關(guān)系組成的24位地址.這種表示方式使得Flash存儲單元的地址線性且唯一，便于操作.邏輯地址轉(zhuǎn)換為全局地址的關(guān)系式為

GA=0x400000|((((dword)(PA))<<14)|

(LA&0x3FFF))

(1)

式中，LA表示邏輯地址，PA表示PPAGE寄存器值，GA表示全局地址.當邏輯地址位于0x4000～0x7FFF時，PA的值為0xFD；當邏輯地址位于0xC000～0xFFFF時，PA的值為0xFF；當邏輯地址位于分頁區(qū)時，PA的值取決于具體頁，默認值為0xFE.

采用全局地址后，F(xiàn)lash在全局地址表示方式下的劃分如圖3所示.由于劃分Flash時只需關(guān)注分界線，因此，在prm文件中，依然采用邏輯地址進行劃分.從圖3可以看出，XET256的256K Flash是由不連續(xù)的兩個Block(0/1)組成的，每一個Block為128K.

圖3 全局地址表示下的Flash劃分

3 中斷地址分配

飛思卡爾16位單片機在復(fù)位后總是從優(yōu)先級最高的中斷向量地址0xFFFE處取第一條執(zhí)行指令[4].因此，BootLoader可執(zhí)行代碼的首地址應(yīng)安排在此處，以保證上電后BootLoader的首先執(zhí)行.這可以通過在prm文件中定義VECTOR 0來實現(xiàn)，即將VECTOR 0定義為BootLoader程序的入口地址.然而，網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序在編寫時也會對VECTOR 0進行定義，以實現(xiàn)在單片機上電后直接執(zhí)行應(yīng)用程序的目的.由于存在這一中斷資源沖突，因此，BootLoader在刷寫時需要對網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的中斷向量表進行重新分配.

默認情況下，XET256的中斷向量表位于0xFF0F～0xFFFF區(qū)間[3].這一特性是由中斷向量基址寄存器IVBR在上電后總是默認為0xFF所確定的.一條可執(zhí)行的中斷向量地址是由基址(IVBR寄存器的值)加偏移組成的.如復(fù)位中斷向量地址0xFFFE，即表示IVBR的值為0xFF，該中斷向量的偏移為0xFE.在一款特定的單片機中，任一硬件中斷向量相對于基址的偏移總是確定的.因此，通過改變IVBR寄存器的值，即可實現(xiàn)中斷向量表的更改.本文設(shè)計的BootLoader在引導(dǎo)進入應(yīng)用程序之前將應(yīng)用程序中斷向量表基址IVBR更改為0xEF，即經(jīng)過BootLoader重新分配后，應(yīng)用程序中斷向量表位于0xEF0F～0xEFFF.在刷寫應(yīng)用程序時，若BootLoader檢測到地址為0xFF0F～0xFFFF的代碼數(shù)據(jù)，則將其地址更改為0xEF0F～0xEFFF，然后在新的地址上將數(shù)據(jù)寫入.由于存在這一安排，應(yīng)用程序非中斷向量代碼的存儲不得位于0xEF0F以下，這也是本文設(shè)計的BootLoader對應(yīng)用程序的唯一要求.

在對P-Flash進行擦除與寫入的過程中，所使用的硬件資源CAN通道依然在進行正常工作，當其接收到有效數(shù)據(jù)后，即可使單片機自行進入中斷處理服務(wù).單片機將從所選CAN通道的中斷服務(wù)地址處讀取CAN中斷服務(wù)代碼的首地址.如前所述，P-Flash在擦除過程中不允許對其進行讀取，因此，這種由CAN通道中斷所導(dǎo)致的操作應(yīng)加以避免.本設(shè)計采取的解決方案是BootLoader進入刷寫程序后，在擦除與寫入P-Flash之前將中斷向量表更改至RAM中.本文將IVBR更改為0x3F，即在BootLoader執(zhí)行刷寫程序時，實際中斷向量表為0x3F00～0x3FF0.

4 應(yīng)用程序更新

4.1 通信協(xié)議

為實現(xiàn)BootLoader與上位機之間的命令和狀態(tài)傳輸，本文在標準的CAN協(xié)議基礎(chǔ)上，定義了一套簡單的通信協(xié)議.該協(xié)議中所使用的命令和狀態(tài)均以報文ID表示，即每一個ID代表一個特定的命令或狀態(tài).根據(jù)本文所涉及項目的相關(guān)要求，刷寫過程中使用的報文ID不能與整車網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點用到的ID相同，因此本協(xié)議報文ID的選擇范圍為0x500～0x5FF.具體選擇報文ID及協(xié)議見表1.

表1通信協(xié)議表

4.2 應(yīng)用程序更新流程

在系統(tǒng)上電后，BootLoader將初始化堆棧、配置系統(tǒng)時鐘，并初始化所選CAN通道.當CAN通道正常工作后，BootLoader將等待20ms，如果在這段時間內(nèi)接收到上位機進入刷寫程序的指令或檢測到應(yīng)用程序不存在，則執(zhí)行應(yīng)用程序更新操作；否則，跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序執(zhí)行.如直接跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序執(zhí)行，則應(yīng)首先配置中斷寄存器基址，然后，將單片機指針更改為應(yīng)用程序復(fù)位向量地址，本文設(shè)計為0xEFFE.采用這一策略無需應(yīng)用程序配合，但要求操作員如需更新應(yīng)用程序，則應(yīng)在系統(tǒng)上電前將上位機啟動，以保證BootLoader能接收到相應(yīng)指令.BootLoader工作流程如圖4所示.

圖4 BootLoader工作流程圖

若執(zhí)行應(yīng)用程序更新操作，首先應(yīng)配置P-Flash時鐘，使其工作頻率為用戶手冊推薦的0.8～1.05MHz[3]，這可以通過設(shè)置FCLKDIV寄存器的值來實現(xiàn).P-Flash的時鐘源為外部晶振，本文所選的外部晶振頻率為16MHz，查用戶手冊將FCLKDIV寄存器的值設(shè)置為0x0F.然后，將P-Flash中定義好的BootLoader擦/寫/中斷處理代碼拷貝至RAM中劃分好的區(qū)間0x3D00～0x3EFF處.接著，將中斷向量表配置到RAM中.當所有BootLoader更新應(yīng)用程序所需的環(huán)境都準備好后，就可以對P-Flash進行擦除與寫入操作.應(yīng)用程序更新操作流程圖如圖5所示.

圖5 應(yīng)用程序更新流程圖

4.3 應(yīng)用程序擦除

應(yīng)用程序擦除代碼存儲在P-Flash中，在執(zhí)行時拷貝到RAM中執(zhí)行.XET256支持將P-Flash以Sector(每個Sector的大小為1K)和Block為單位進行擦除.對于Block1(0x78_0000～0x79_FFFF)可按Block為單位整體擦除.而對于Block0應(yīng)只擦除屬于應(yīng)用程序的部分，即0x7E_0000～0x7F_EFFF的區(qū)間，此處應(yīng)以Sector為單位進行擦除.擦除過程如圖6所示，首先等待其它Flash命令執(zhí)行完畢，然后清除Flash狀態(tài)寄存器中的故障碼，之后即可通過配置Flash控制寄存器FCCOB的值來選擇擦除命令與擦除區(qū)域.

圖6 應(yīng)用程序擦除操作

Flash控制寄存器FCCOB由6個字組成，通過選擇寄存器FCCOBIX可分別對6個字進行配置[3].其中，F(xiàn)CCOB第1個字的高8位代表具體Flash命令，如0x09表示執(zhí)行按Block擦除命令；0x0A表示執(zhí)行按Sector擦除命令；0x06表示寫Flash命令.FCCOB第1個字的低8位代表全局地址的高8位.FCCOB第2個字表示全局地址的低16位.FCCOB的第3到第6個字則用于存放需要寫入的數(shù)據(jù)，擦除操作時不需要，但執(zhí)行寫入操作時需要.Flash控制寄存器配置好后，即可通過將Flash狀態(tài)寄存器的最高位寫1來執(zhí)行FCCOB中存儲的命令和數(shù)據(jù).之后，利用Flash狀態(tài)寄存器來判斷操作是否成功執(zhí)行完畢.

4.4 應(yīng)用程序?qū)懭?/h3>

BootLoader成功將P-Flash擦除后，即向上位機發(fā)送成功擦除信號，通知上位機發(fā)送新的應(yīng)用程序數(shù)據(jù).上位機傳輸給BootLoader的數(shù)據(jù)格式采用S19文件協(xié)議，而且每一個地址或數(shù)據(jù)等信息均以字符的形式發(fā)送.

4.4.1 S19協(xié)議解析

S19文件是飛思卡爾推薦使用的標準程序下載文件，該文件格式由記錄類型、記錄長度、存儲地址、代碼數(shù)據(jù)和校驗碼5個部分組成[5].S19文件的每一行總是以“S”開始，其后的一位數(shù)字表示該行記錄的類型.如S0表示該行記錄為說明性信息，非程序數(shù)據(jù)；S1表示該行記錄為程序數(shù)據(jù)且地址為16位地址，S2則表示該行記錄為程序數(shù)據(jù)且地址為24位地址；S9表示該行為整個S19文件的結(jié)束行.由于本文在擦、寫時采用全局地址，所以經(jīng)式(1)轉(zhuǎn)化后的S19文件只包括S0、S2和S9.記錄類型之后的一個字節(jié)表示其后該行記錄所包含的字節(jié)長度.緊接著的3個字節(jié)表示目標地址，之后是寫入目標地址的數(shù)據(jù).最后一個字節(jié)為該行記錄的校驗碼，校驗碼加代表信息長度、目標地址、寫入目標地址數(shù)據(jù)的所有字節(jié)的和為0xFF.

BootLoader通過CAN中斷接收到ID為0x50F的S19數(shù)據(jù)幀后，會將數(shù)據(jù)依次存入指定緩存中，然后周期性地對緩存數(shù)據(jù)進行組織和解析.由于上位機發(fā)過來的數(shù)據(jù)全部為字符的形式，因此，首先應(yīng)將字符轉(zhuǎn)化為16進制數(shù)，然后整理成以字節(jié)為單位的有效數(shù)據(jù).如在解析信息長度時，應(yīng)連續(xù)讀取兩個字符，將其分別轉(zhuǎn)化為16進制數(shù)后，第1個數(shù)左移4位加第2個數(shù)，這樣即可整理為一個有效的字節(jié)數(shù)據(jù).

在對S19文件進行解析時，首先判斷接收到的第一個字節(jié)是否為'S'以及第二個字節(jié)是否為'0'、'2'或'9'，如果不符合則舍棄該條信息.若符合則開始對信息長度、地址、數(shù)據(jù)和校驗碼的解析，然后按照S19協(xié)議對校驗碼進行校驗，如果校驗結(jié)果為有效則將目標地址、寫入目標地址的數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的緩存中.至此，一條S19信息被成功解析.

4.4.2 P-Flash數(shù)據(jù)寫入

當一條有效的S19信息被接收并成功解析后，還應(yīng)對該信息做進一步判斷.如果接收的是S9或接收過程中有錯誤，則直接退出數(shù)據(jù)寫入程序；如果是S0，則予以忽略；如果是S2，則按照解析出的目標地址，將程序數(shù)據(jù)寫入.

在數(shù)據(jù)寫入之前，應(yīng)對目標地址進行判斷.若目標地址位于中斷向量區(qū)，則首先按第3節(jié)所述對其進行更改，然后再執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入程序；若目標地址不位于中斷向量區(qū)，但超出了第2節(jié)所規(guī)定的應(yīng)用程序區(qū)域，則拒絕執(zhí)行寫入程序.

Codewarrior編譯器生成的S19文件連續(xù)地址之差為32的整數(shù)倍，即每一條S19信息涵蓋32個字節(jié)的P-Flash數(shù)據(jù)信息，即使轉(zhuǎn)化成全局地址后，這一規(guī)則依然不變.FCCOB寄存器中有4個字，即8個字節(jié)用于存放程序數(shù)據(jù).因此，每一條S19信息中的數(shù)據(jù)可以分4次寫入，每一次的寫入方法如4.3所述.

5 上位機設(shè)計

BootLoader系統(tǒng)中的上位機基于Labview開發(fā)，其基本工作原理是：首先讀取S19文件，然后按行將S19文件中的十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的字符串數(shù)組，并補以行結(jié)束符.整合好的字符串數(shù)組會以8個字符為一組通過PEAK CAN工具轉(zhuǎn)成CAN信號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)控制器(最后一次不足8個的字符串發(fā)送實際字符長度).

由于本文設(shè)計的BootLoader系統(tǒng)無需應(yīng)用程序做適應(yīng)性更改，因此，上位機必須在跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序之前啟動.上位機啟動后即向網(wǎng)關(guān)控制器發(fā)送握手指令，若后者沒有反饋，上位機將連續(xù)10s發(fā)送該指令.這一策略要求操作員應(yīng)在啟動上位機后10s內(nèi)將網(wǎng)關(guān)控制器上電或復(fù)位.若BootLoader接收到握手指令，并成功進行反饋，上位機將退出握手環(huán)節(jié)，并進入等待刷寫環(huán)節(jié).握手成功后，BootLoader將自行進入環(huán)境配置及擦除P-Flash過程，擦除成功后將向上位機發(fā)送擦除成功信號.上位機接收到該信號即退出等待，逐條發(fā)送S19文件.BootLoader接收并解析S19文件，寫入成功后向上位機發(fā)送寫入成功信號.若上位機在發(fā)送完最后一條S19信息后一段時間內(nèi)沒有接收到寫入成功信號，則默認為本次程序更新失敗.程序更新成功后，需操作員手動復(fù)位網(wǎng)關(guān)控制器，從而執(zhí)行新的應(yīng)用程序.整個操作過程及系統(tǒng)狀態(tài)均會在上位機中實時顯示.BootLoader系統(tǒng)上位機工作流程如圖7所示.

圖7 BootLoader系統(tǒng)上位機工作流程

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的BootLoader系統(tǒng)幾乎無需應(yīng)用程序做任何適應(yīng)性更改，因此可直接在其他以XET256為平臺的產(chǎn)品上運行.試驗證明，該系統(tǒng)操作方便、實現(xiàn)簡單、運行可靠，能夠正確地實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序更新，從而大大方便了網(wǎng)關(guān)控制器的實車調(diào)試，加快了項目進度.

[1] 王伏，張忠能，杭勇.基于CAN總線的電控單元程序引導(dǎo)加載功能開發(fā)[J].微型電腦應(yīng)用,2011，27(2):30-32.

[2] 奚英澤，于健楠，徐鳳.基于飛思卡爾MPC5634M單片機的Bootloader設(shè)計[C]//中國汽車工程學會.2013中國汽車工程學會年會論文集.北京:中國學術(shù)期刊電子出版社,2013:566-569.

[3] Freescale.MC9S12XEP100RMV1(1.25)[M/OL].(2013-02)[2014-03-28]. http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data sheet/MC9S12XEP100RMV1.pdf.

[4] 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[5] 張夕杰，李清政，王喬.MPC5534單片機在線程序更新系統(tǒng)研制[J].國外電子測量技術(shù),2013(12):49-52.