基于Overlay動(dòng)態(tài)分配的ECU在線標(biāo)定實(shí)現(xiàn)

王 民 劉龍龍

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 上海 201804)

0 引 言

在整車V模型的開發(fā)流程中，軟件測(cè)試和標(biāo)定是非常重要的一環(huán)，軟件的功能是否滿足需求需要測(cè)試和標(biāo)定進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)前，軟件標(biāo)定功能是基于XCP協(xié)議，利用不同的標(biāo)定測(cè)量工具(如INCA、CANape等)開展的，通過將不同的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證，得出軟件最優(yōu)化的功能，最終將標(biāo)定好的參數(shù)固化到FLASH中，完成整個(gè)標(biāo)定的過程。傳統(tǒng)的標(biāo)定方式是這樣實(shí)現(xiàn)的：在軟件初始化過程中，定義在FLASH中的參數(shù)(標(biāo)定量)會(huì)被全部拷貝到RAM中進(jìn)行重映射，在請(qǐng)求更改標(biāo)定量時(shí)，通過更改RAM中的數(shù)據(jù)更改FLASH中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響參數(shù)的變化。此過程中，要將FLASH中的所有標(biāo)定量拷貝到RAM中，需要有足夠大的RAM空間，工程上通常這需要定制有超大RAM的開發(fā)芯片。當(dāng)RAM空間小于所要映射的FLASH空間時(shí)，由于部分標(biāo)定量不能被拷貝到RAM中實(shí)現(xiàn)映射，進(jìn)而導(dǎo)致此部分標(biāo)定量不能被標(biāo)定[1]。

由于有超大RAM的芯片只在開發(fā)階段使用，其使用量不多，價(jià)格通常是量產(chǎn)芯片的一百倍左右。同時(shí)能做在線標(biāo)定的這種ECU控制器也非常昂貴，是常規(guī)量產(chǎn)控制器的幾十倍，所以如果在量產(chǎn)小RAM芯片上實(shí)現(xiàn)通常的標(biāo)定功能就能顯而易見地節(jié)省一大筆開銷。因此，針對(duì)RAM空間小于標(biāo)定FLASH空間的情況下，如何利用有限的RAM資源實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定功能成為本文的研究目的。

1 在線標(biāo)定實(shí)現(xiàn)原理

1.1 Overlay機(jī)制功能描述

本文基于英飛凌AURIX芯片的Overlay模塊實(shí)現(xiàn)ECU在線標(biāo)定功能開發(fā)[2]，其他芯片也具有類似的模塊來實(shí)現(xiàn)此功能[3-4]。英飛凌AURIX芯片提供了Data Overlay功能以實(shí)現(xiàn)FLASH和RAM之間的映射，其目的是實(shí)現(xiàn)更改RAM中的內(nèi)容達(dá)到最終更改FLASH中的內(nèi)容。在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，所有的標(biāo)定量都會(huì)被定義在FLASH中，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定FLASH和RAM之間的映射，使得更改RAM中的數(shù)據(jù)也能更改映射之后的FLASH中的數(shù)據(jù)，以達(dá)到在線標(biāo)定的目的，Data Overlay功能示意如圖1所示。

圖1 Data Overlay功能示意

針對(duì)Data Overlay功能的實(shí)現(xiàn)，AURIX芯片定義了32個(gè)Overlay塊，每個(gè)Overlay塊可通過如下三個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)地址(FLASH)和映射地址(RAM)之間的映射。

Overlay塊目標(biāo)地址：被映射的FLASH起始地址。

Overlay塊大小：被映射的FLASH的大小，大小范圍是32～128 KB。

Overlay塊映射地址：映射到的RAM起始地址。

每個(gè)Overlay塊有3個(gè)寄存器來實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)參數(shù)的配置：Overlay塊目標(biāo)地址通過寄存器OTAR配置。Overlay塊大小通過寄存器OMASK配置。Overlay塊映射地址通過寄存器RABR來配置，其中：RABR.OMEM用于選擇重映射的RAM類型，共有LMU、DSPR、EMEM和EBU四種RAM可用；RABR.OBASE用于選擇映射的RAM起始地址；RABR.OVEN用于使能或不使能目標(biāo)地址和映射地址之間的映射。Data Overlay的實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 Data Overlay實(shí)現(xiàn)原理

1.2 ECU在線標(biāo)定過程

由于XCP標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)詳細(xì)地描述了在線標(biāo)定的流程[5]，在此只簡(jiǎn)單陳述標(biāo)定的流程。當(dāng)工程師利用標(biāo)定工具(Master端，如INCA)與ECU連接的時(shí)候，主要包含了如表1所示的指令[6-8]。

表1 連接ECU時(shí)的XCP指令集

當(dāng)Master端RAM空間的checksum數(shù)值與ECU端FLASH和RAM空間的checksum數(shù)值不一致時(shí)，Master會(huì)提示是否將Master端的數(shù)據(jù)下載到ECU RAM端，如果選擇下載，則會(huì)執(zhí)行如表2所示的指令。

表2 ECU Download數(shù)據(jù)時(shí)的XCP指令集

在下載完數(shù)據(jù)之后，ECU就被切換到RAM PAGE區(qū)域，此時(shí)定義在FLASH中的標(biāo)定量就可以被修改。當(dāng)用戶通過SET_CAL_PAGE ECU to FLASH的時(shí)候，ECU就被切換到FLASH PAGE區(qū)域，此時(shí)定義在FLASH區(qū)的標(biāo)定量就不可以被修改，軟件以定義在FLASH中的標(biāo)定量原始數(shù)值運(yùn)行。在整個(gè)標(biāo)定過程中，最重要的就是DOWNLOAD和SET_CAL_PAGE指令，本文主要進(jìn)行的工作就是在ECU接收到Master請(qǐng)求的DOWNLOAD命令時(shí)，利用Overlay機(jī)制如何動(dòng)態(tài)分配FLASH空間與RAM空間的映射，并將所請(qǐng)求更改的數(shù)據(jù)拷貝到已實(shí)現(xiàn)映射的RAM中去。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)存劃分

由于AURIX芯片支持通過RABR寄存器的OVEN位控制每個(gè)Overlay塊單獨(dú)的使能和非使能，這就為動(dòng)態(tài)分配Overlay塊以實(shí)現(xiàn)FLASH和RAM之間的映射提供了可能。與傳統(tǒng)的標(biāo)定方式不同的是,基于AURIX的Overlay機(jī)制的標(biāo)定方式不需要FLASH全部與RAM之間進(jìn)行映射，而只需要對(duì)于被標(biāo)定的變量所在的FLASH進(jìn)行映射即可，這就需要對(duì)FLASH和RAM進(jìn)行空間上的劃分。由于AURIX芯片只提供了32個(gè)Overlay塊可供映射，且可用標(biāo)定RAM資源只有32 KB，為了最大化地利用RAM資源，在劃分的時(shí)候以1 KB為基本單位。例如，標(biāo)定FLASH空間大小為512 KB，用于標(biāo)定的RAM資源為32 KB，則需要將FLASH空間劃分為512塊，每塊大小為1 KB，編號(hào)為0～511，即FLS0-FLS511，每塊FLASH的起始地址也固定；RAM空間也劃分為32塊，每塊大小也是1 KB，編號(hào)為0～31，即RAM0-RAM31，每塊RAM的起始地址也因此固定。這樣就能夠建立起FLASH塊和RAM塊之間的映射網(wǎng)，即FLS0-FLS511可與RAM0-RAM31實(shí)現(xiàn)映射，F(xiàn)LS0可以映射到RAM0，F(xiàn)LSn(n不等于0，且小于512)也可以映射到RAM0，但同一時(shí)刻，F(xiàn)LS0和FLSn不能同時(shí)映射到同一個(gè)RAM塊。由于受制于RAM空間大小，最大只能映射32 KB的RAM空間，即FLASH和RAM之間的映射比例為16∶1。FLASH塊和RAM塊之間的映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 Overlay機(jī)制中FLASH和RAM之間的映射關(guān)系

2.2 Overlay動(dòng)態(tài)映射實(shí)現(xiàn)

Master發(fā)送DOWNLOAD指令到ECU，該指令包含了被標(biāo)定量的地址、被標(biāo)定量長(zhǎng)度、被標(biāo)定量的新數(shù)值信息。ECU解析到該指令時(shí)，實(shí)現(xiàn)流程如下：

1) 根據(jù)被標(biāo)定量的地址信息，判斷被標(biāo)定量所在的FLASH塊是否已經(jīng)與某一RAM塊建立映射關(guān)系。若已經(jīng)實(shí)現(xiàn)映射，則執(zhí)行2)；若沒有實(shí)現(xiàn)映射，則執(zhí)行3)。

2) 該FLASH塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)映射，只需要將被標(biāo)定量的新數(shù)據(jù)拷貝到映射的RAM空間中即可，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：若被標(biāo)定量的新數(shù)據(jù)和FLASH中的數(shù)據(jù)一致，執(zhí)行(1)；若被標(biāo)定量的新數(shù)據(jù)和FLASH中的數(shù)據(jù)不一致，執(zhí)行(2)。

(1) 當(dāng)被標(biāo)定量的新數(shù)據(jù)和FLASH中的數(shù)據(jù)一致時(shí)，即軟件在運(yùn)行時(shí)利用FLASH中的數(shù)據(jù)和RAM中的數(shù)據(jù)效果是一致的，為提高RAM的利用率，此RAM塊可以解除與FLASH的映射。在此過程中需要將寄存器OTAR設(shè)置為0，RABR寄存器的OBASE位設(shè)置為0，RABR寄存器的OVEN位設(shè)置為0，這樣此RAM塊就解除與FLASH的映射關(guān)系，可以為其他FLASH塊的映射提供資源。

(2) 當(dāng)被標(biāo)定量的新數(shù)據(jù)和FLASH中的數(shù)據(jù)不一致時(shí)，則原先的映射關(guān)系維持不變，只要將新的標(biāo)定數(shù)據(jù)下載到對(duì)應(yīng)的RAM空間中去即可。

3) 被標(biāo)定量所在的FLASH塊沒有實(shí)現(xiàn)與RAM映射，則首先判斷RAM空間是否充足，判斷RAM空間是否充足的方法是掃描32個(gè)Overlay塊RABR寄存器的OVEN位是否為1，若所有的RAM塊都已實(shí)現(xiàn)映射關(guān)系，則表示空間不足，否則表示空間足夠。若空間足夠，則執(zhí)行(1)，若空間不足，則執(zhí)行(2)。

(1) 當(dāng)RAM空間充足時(shí)，則該FLASH在與RAM映射的時(shí)候，按照RAM編號(hào)從小到大的順序執(zhí)行，搜尋到編號(hào)為n(n小于32)的RAM未被映射，則需將寄存器OTAR設(shè)置為該FLASH塊的起始地址，OMASK設(shè)置為代表1 KB大小的0xFE0，RABR寄存器的OBASE位設(shè)置為編號(hào)為RAMn的起始地址，RABR寄存器的OVEN位設(shè)置為1，表示映射已經(jīng)使能。以上寄存器設(shè)置完畢之后，將該FLASH塊中的數(shù)據(jù)拷貝到映射之后的RAMn空間中，并將新標(biāo)定數(shù)據(jù)下載到RAMn空間中的所對(duì)應(yīng)的偏移地址中，這樣軟件在運(yùn)行的時(shí)候利用的是RAMn中的新數(shù)據(jù)。

(2) 當(dāng)RAM空間不足時(shí)，則不能使能新的映射關(guān)系，此時(shí)應(yīng)該返回拒絕命令給Master，以此通知標(biāo)定人員該標(biāo)定請(qǐng)求被拒絕。在出現(xiàn)標(biāo)定拒絕時(shí)，有兩種方案可以進(jìn)行：第一種是將原先不需要的標(biāo)定量更改回默認(rèn)數(shù)值，根據(jù)1)中的(1)可知，此時(shí)可以騰出RAM空間為下一次新的標(biāo)定請(qǐng)求做準(zhǔn)備；第二種方案是將所有已經(jīng)映射的標(biāo)定量固化到FLASH中，這樣所有的RAM空間都會(huì)騰出，為下一次新的標(biāo)定請(qǐng)求做準(zhǔn)備。

上述整個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)的流程如圖4所示。

圖4 基于Overlay動(dòng)態(tài)分配的在線標(biāo)定流程

3 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該軟件是否能夠在RAM空間小于FLASK空間的情況下實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定功能，測(cè)試代碼中增加66個(gè)標(biāo)定變量CAL_0-CAL_65和66個(gè)觀測(cè)變量MEA_0-MEA_65，MEA_0-MEA_65分別被相應(yīng)的標(biāo)定變量賦值，66個(gè)標(biāo)定量在編譯時(shí)被分配到33個(gè)不同的FLASH塊中，其中CAL_0和CAL_1被分配到FLASH0，CAL_2和CAL_3被分配到FLASH1，以此類推。通過在線標(biāo)定CAL_0-CAL_65為不同的數(shù)值，觀測(cè)變量MEA_0-MEA_65是否為相應(yīng)的數(shù)值。測(cè)試結(jié)果如下：

1) 更改標(biāo)定變量CAL_0為1，觀測(cè)變量MEA_0也為1，并且此時(shí)只有一個(gè)Overlay塊實(shí)現(xiàn)FLASH0映射到RAM0，其他Overlay塊不會(huì)被設(shè)置,如圖5所示。

圖5 只有一個(gè)Overlay塊使能

2) 更改標(biāo)定變量CAL_1為2，觀測(cè)變量MEA_1也為2，由于CAL_1和CAL_0被分配在同一個(gè)FLASH空間中，因此此時(shí)還是只有一個(gè)Overlay塊使能，其他Overlay塊不會(huì)被設(shè)置。

3) 更改標(biāo)定量CAL_2-CAL_63的數(shù)值，觀測(cè)變量MEA_2-MEA_63也會(huì)隨之更改，此時(shí)所有的Overlay塊實(shí)現(xiàn)了RAM和FLASH的映射。

4) 更改標(biāo)定量CAL_64的數(shù)值，由于無(wú)RAM資源可用，此時(shí)會(huì)拒絕標(biāo)定人員的請(qǐng)求。

5) 更改標(biāo)定變量CAL_0和CAL_1為默認(rèn)數(shù)值，觀測(cè)變量MEA_0和MEA_1也回到默認(rèn)數(shù)值，此時(shí)FLASH0所映射的RAM0資源已經(jīng)釋放。再次請(qǐng)求更改標(biāo)定量CAL_64的數(shù)值為65，則觀測(cè)變量MEA_64也變?yōu)?5，標(biāo)定請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 Overlay塊釋放并被重新使能

綜上測(cè)試結(jié)果，滿足設(shè)計(jì)要求，即在FLASH空間大于RAM空間的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)定量的標(biāo)定請(qǐng)求，而在標(biāo)定RAM空間不足的情況下，可提示標(biāo)定人員釋放不需要的標(biāo)定RAM空間以為后續(xù)標(biāo)定請(qǐng)求做準(zhǔn)備。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的標(biāo)定實(shí)現(xiàn)方式，本文分析了其利弊，提出了基于Overlay動(dòng)態(tài)分配管理的在線標(biāo)定解決方案，其在標(biāo)定FLASH需求大于RAM空間的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)所請(qǐng)求的標(biāo)定變量的標(biāo)定功能，而不需要與FLASH空間等大的RAM資源，這在開發(fā)階段對(duì)于節(jié)省控制器的成本是非常有利的。

同時(shí)，在FLASH和RAM空間比例較大的時(shí)候，極端情況下如果標(biāo)定人員的標(biāo)定請(qǐng)求非常大，可能會(huì)頻繁出現(xiàn)標(biāo)定量不可被標(biāo)定的情況。針對(duì)這種情況，可有兩種方案解決：一種方案是將使用頻率高的標(biāo)定量集中定義在相同的幾個(gè)FLASH空間中，這樣在映射的時(shí)候，就不會(huì)占用新的RAM空間，保證每一個(gè)映射的RAM區(qū)域利用率非常高；另一種方案是增加其他可用的RAM映射區(qū)域，如每個(gè)核的DSPPR存儲(chǔ)區(qū)域，在軟件集成完畢之后，整個(gè)軟件運(yùn)行的RAM使用情況已經(jīng)明確，可以將暫未利用的RAM區(qū)域用來做映射，這也是后期研究的目標(biāo)。