基于S32K148 的車輛網(wǎng)關(guān)CAN Bootloader開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

袁 鋒，丁元章，張 偉，蔡定江

（1.長三角新能源汽車研究院有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.長三角電驅(qū)動(dòng)科技鹽城有限公司，江蘇 鹽城 224000）

車輛網(wǎng)關(guān)（GateWay，GW）為純電動(dòng)乘用車的重要零部件，在車輛數(shù)據(jù)協(xié)議實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)傳輸上起著關(guān)鍵作用。如果控制數(shù)據(jù)協(xié)議升級，車輛網(wǎng)關(guān)則需要相應(yīng)的程序更新，傳統(tǒng)工具下載升級效率差，所以Bootloader的開發(fā)就顯得尤為重要［1-2］。Bootloader是固化在微處理器內(nèi)部Flash特定位置的一段程序代碼。每次處理器啟動(dòng)都會(huì)運(yùn)行Bootloader，它會(huì)檢查是否有來自CAN總線的程序下載請求，如果有則進(jìn)入Bootloader下載模式，進(jìn)行程序下載，并校驗(yàn)其完整性，最終完成應(yīng)用程序的更新；如果沒有來自總線的程序下載請求，則跳轉(zhuǎn)至原有應(yīng)用程序執(zhí)行［3-5］。

本文采用NXP S32DS IDE集成開發(fā)環(huán)境S32 Design Studio for S32 Platform 3.4完成基于Cortex-M4F內(nèi)核S32K148處理器CAN Bootloader軟件開發(fā)，程序調(diào)試器采用SUGGER JLlink V6.9。上位機(jī)開發(fā)采用Visual Studio 2010實(shí)現(xiàn)，通信CAN控制器采用USBCAN-E-mini實(shí)現(xiàn)。

1 Bootloader系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 Bootloader原理

Bootloader是車輛網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)時(shí)完成加載引導(dǎo)程序執(zhí)行的代碼。Bootloader一般有兩種工作模式：①啟動(dòng)加載模式，該模式下Bootloader作用是將之前存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的應(yīng)用程序加載到RAM中去執(zhí)行；②下載模式，本文研究的重點(diǎn)，主要功能是下載應(yīng)用程序，將程序先存在RAM中，再刷寫至Flash等固態(tài)存儲(chǔ)器中完成程序的下載。本文Bootloader系統(tǒng)采用的是基于上位機(jī)（PC作為上位機(jī)）、CAN控制器（USBCAN-E）和基于S32K148處理器的車輛網(wǎng)關(guān)（下位機(jī)）的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN控制器傳送至車輛網(wǎng)關(guān)模塊。同樣，當(dāng)網(wǎng)關(guān)模塊接收到應(yīng)答后，會(huì)通過CAN控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

程序進(jìn)入Bootloader模式一般有以下兩種方式。

1）通過判斷處理器某個(gè)引腳電平的高低，識別電平高低狀態(tài)，軟件判斷執(zhí)行應(yīng)用程序或進(jìn)入Bootloader下載模式。

2）通過設(shè)置標(biāo)志位判斷，需要PC上位機(jī)與CAN控制器總線數(shù)據(jù)配合，識別特定的CAN數(shù)據(jù)格式、標(biāo)識符和字節(jié)數(shù)據(jù)，軟件判斷執(zhí)行應(yīng)用程序或進(jìn)入Bootloader下載模式。

本文采用方式2實(shí)現(xiàn)，該方式雖然在軟件處理上稍顯復(fù)雜，需要PC上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)和時(shí)序的配合。但是相較于方式1，不需要引出單獨(dú)的引腳，可以減少使用一個(gè)I/O口，在整車應(yīng)用上具有一定的便利性，且節(jié)省了I/O資源。

圖1 Bootloader結(jié)構(gòu)圖

1.2 存儲(chǔ)器的分配

S32K148微處理器包含各種存儲(chǔ)器和內(nèi)存映射外設(shè)，它們位于一個(gè)32位連續(xù)地址空間中，地址空間統(tǒng)一編址。該芯片具有3×512KB P-Flash空間，分配地址段為0x00000000～0x0017FFFF。Bootloader在此空間實(shí)現(xiàn)，分配地址0x00000000～0x00007FFF為Bootloader代碼存儲(chǔ)空間，大小為32KB，其余的P-Flash空間為應(yīng)用程序使用。

2 Bootloader軟件設(shè)計(jì)

2.1 CAN模塊配置

S32K148處理器具有3個(gè)獨(dú)立的CAN模塊，可用來實(shí)現(xiàn)Bootloader的數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)控制功能。其具有3路FlexCAN模塊，均可配置為CAN或CAN-FD工作模式。因目前車輛CAN總線大多還處于CAN工作模式，本文基于CAN模式采用CAN0 來實(shí)現(xiàn)。主要配置如下。

1）配置時(shí)鐘寄存器為外部16MHz晶振時(shí)鐘，并開啟時(shí)鐘門。

2）配置為CAN模式。

3）設(shè)置數(shù)據(jù)幀格式為標(biāo)準(zhǔn)幀，波特率為500kb/s。

4）配置采用中斷方式。

2.2 Flash模塊配置

Flash模塊的配置是Bootloader實(shí)現(xiàn)的重要一環(huán)，需要對相關(guān)寄存器進(jìn)行配置。對Flash模塊編程主要涉及Flash初始化、Flash擦除與編程寫入操作，本文選用的S32K148微控制器Flash存儲(chǔ)空間為0x00000000～0x00007FFF，主要配置如下。

1）配置Flash時(shí)鐘源為內(nèi)部SPLLDIV2時(shí)鐘，頻率為20MHz，并開啟時(shí)鐘門。

2）P-Flash的擦除方式為扇區(qū)擦除，芯片采用的是交叉訪問方式實(shí)現(xiàn)，最小擦除扇區(qū)為4KB，需在Flash驅(qū)動(dòng)中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，執(zhí)行擦除指令時(shí)，需配置FCCOB0為0x09，擦除完成之后，方可對Flash執(zhí)行寫命令。

3）P-Flash在FTFC->FCCOB寄存器中配置相應(yīng)命令，實(shí)現(xiàn)Flash的編程寫入。FCCOB0為命令寄存器，可用來配置編程、擦除等命令。通過配置FCCOB0=0x07實(shí)現(xiàn)編程功能。一次編程的字節(jié)數(shù)為8個(gè)字節(jié)。編程地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FCCOB1～FCCOB11寄存器中。

2.3 應(yīng)用程序配置

在前文中提到Bootloader是固化在整車網(wǎng)關(guān)等ECU微控制器的內(nèi)部Flash中某特定位置的一段程序代碼，應(yīng)用程序同樣也是存儲(chǔ)在內(nèi)部Flash中，兩者共同占據(jù)Flash存儲(chǔ)空間。所以二者的存儲(chǔ)地址要正確分配，避免重疊。

在本文中，Bootloader存放在0x00000000～0x00007FFF地址空間中。在LinkFiles文件中修改如下。

2.4 S19文件的生成

S19文件是NXP微控制器的程序刷寫文件，一般由開發(fā)環(huán)境自動(dòng)輸出，具有特定的格式［6-7］。在不同的芯片和編譯環(huán)境中，其生成的文件不同。如MC9S12系列的編譯器Code－Warrior 5.2中，其生成文件的后綴為.s19，在MPC56系列編譯器CodeWarrior 2.10中，其生成的文件后綴為.mot，本文使用的S32 Design Studio生成的S-format 格式的文件后綴為.srec。雖然后綴名不同，其均具有相同的數(shù)據(jù)格式，簡述如下。

取生成的S19文件的中幾行記錄加以說明。

1）“S0”它是S文件的第一行數(shù)據(jù)，主要表示S文件的路徑以及文件名信息。

2）“S1”表示該行是一條S1類型的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)13表示該行記錄有0x13個(gè)字節(jié)（包括2字節(jié)地址、16字節(jié)的數(shù)據(jù)、1字節(jié)校驗(yàn)）。

3）“8000”表示該行記錄的地址信息。

4）“00F00120118400007984000079840000”表示該行S1類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信息。

5）“CC”是該行數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)，表示該行記錄的校驗(yàn)值。

本文采用S32 Design Studio進(jìn)行開發(fā)，下文就在該環(huán)境下生成S19文件進(jìn)行說明和討論。S32 Design Studio可以經(jīng)過簡單的配置選擇，即可以生成S-format輸出文件。前文表述，S-format中的程序信息是由S1、S2或S3等行記錄組成。S1文件代表行記錄中2字節(jié)的地址域，S2文件代表行記錄中3字節(jié)的地址域，S3文件代表行記錄中4字節(jié)的地址域。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在默認(rèn)情況下，S32 Design Studio根據(jù)程序地址空間以及代碼規(guī)模自動(dòng)選擇生成S1、S2或S3格式行記錄。這樣對我們在Bootloader開發(fā)中，進(jìn)行上位機(jī)開發(fā)中帶來了不便。

為解決上述問題，在開發(fā)中，根據(jù)芯片的地址寬度為32位的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在將S19代碼生成或轉(zhuǎn)換為S3格式。實(shí)現(xiàn)方式有以下兩種。

1）在S32 Design Studio中設(shè)置，強(qiáng)制生成S3格式行記錄。

2）在S32 Design Studio中保持默認(rèn)，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)S1、S2向S3格式的轉(zhuǎn)換。

本文采用方式2，在上位機(jī)中軟件編程實(shí)現(xiàn)格式的轉(zhuǎn)換，便于工具的一致性和通用性。

示例如圖2與圖3所示。

圖2 生成S19文件

圖3 S3格式上位機(jī)轉(zhuǎn)換

3 Bootloader的軟件流程（圖4）

系統(tǒng)啟動(dòng)后，初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、Flash模塊、CAN模塊和控制變量。初始化完成后，進(jìn)入主程序運(yùn)行，定時(shí)接收Bootloader連接數(shù)據(jù)幀。當(dāng)接收到特定的數(shù)據(jù)幀并連接成功后，進(jìn)入Bootloader下載模式，執(zhí)行應(yīng)用程序刷寫循環(huán)。刷寫完成后，跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序起始地址執(zhí)行。本文中的應(yīng)用程序初始地址位0x00008000。

整個(gè)Bootloader流程如圖4所示。

圖4 Bootloader流程圖

下面給出本文上位機(jī)與基于S32K148處理器的下位機(jī)具體的通信過程，通過CAN通信口將S19記錄文件寫入網(wǎng)關(guān)ECU中。

1）上位機(jī)端開啟，加載并轉(zhuǎn)換記錄文件，點(diǎn)擊啟動(dòng)連接，持續(xù)發(fā)送報(bào)文ID=0x64，data0=0xFF至下位機(jī)。下位機(jī)上電初始化，初始化完成后。進(jìn)入計(jì)時(shí)循環(huán)，并中斷接收上位機(jī)報(bào)文，與上位機(jī)建立通信連接。若連接成功，回復(fù)ID=0xC8，data0=0x01至上位機(jī)，否則跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序起始地址執(zhí)行。

2）連接成功，下位機(jī)執(zhí)行擦除指令，擦除Bootloader所在地址之外的地址空間。

3）擦除完成，下位機(jī)發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)ID=0xC8，data0=0xC1至上位機(jī)，上位機(jī)開始逐行讀取S19文件行記錄，并發(fā)送至下位機(jī)，一行發(fā)送完成，上位機(jī)發(fā)送ID=0x64，data=0xFE。

4）下位機(jī)接收到一行完成標(biāo)識，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

5）數(shù)據(jù)校驗(yàn)成功后，執(zhí)行Flash寫入操作，將S19文件行記錄中的數(shù)據(jù)寫入地址。行寫入完成，ID=0xC8，data=0xC3至上位機(jī)，表示一行數(shù)據(jù)接收并寫入完成。

6）循環(huán)執(zhí)行行記錄接收、校驗(yàn)和行編程。

7）上位機(jī)發(fā)送ID=0x64，data=0xFD，表示整個(gè)S19文件發(fā)送完成。

刷寫過程如圖5所示。

圖5 刷寫過程示例圖

4 結(jié)論

本文介紹了基于S32K系列微控制器S32K148，采用CAN總線技術(shù)，通過NXP S32DS IDE工具進(jìn)行Bootloader相關(guān)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過識別特定的CAN數(shù)據(jù)格式、標(biāo)識符和數(shù)據(jù)字符選擇進(jìn)入下載模式或者執(zhí)行應(yīng)用程序［8］。Bootloader與上位機(jī)通過固定ID的CAN幀進(jìn)行交互反饋，可以成功地完成S19文件的下載并將其刷至目標(biāo)Flash模塊中，便于系統(tǒng)升級。此外，本文了基于S32K148芯片的開發(fā)過程對于其它基于S32K系列Bootloader的開發(fā)也有一定的借鑒作用。當(dāng)然本文也存在著需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，如采用UDS 14229協(xié)議傳輸S19文件和采用基于CAN-FD的Bootloader開發(fā)，這是后續(xù)開發(fā)的方向。