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(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，濟(jì)南 250353；2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所；3.山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

引 言

在中小型嵌入式系統(tǒng)形式的汽車電子產(chǎn)品中，一般由MCU內(nèi)部的NOR Flash存儲(chǔ)并運(yùn)行系統(tǒng)程序，NOR Flash支持片內(nèi)運(yùn)行(Excute In Place)，不必把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。作為一種CMOS工藝的集成電路芯片，隨著其工作頻率越來越快、集成度越來越高、工藝尺寸越來越小，MCU及其內(nèi)部Flash越來越容易受到輻射效應(yīng)的影響[1]。輻射效應(yīng)可能會(huì)造成NOR Flash數(shù)據(jù)的破壞，從而使得基于程序指令運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用邏輯發(fā)生混亂。汽車電子產(chǎn)品的壽命一般都在10年以上，NOR Flash的數(shù)據(jù)一致性對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的功能穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性尤為重要，有必要研究一種方法來檢驗(yàn)汽車電子產(chǎn)品程序Flash數(shù)據(jù)的一致性。

在中小型嵌入式系統(tǒng)中，MCU程序Flash地址空間被劃分為若干扇區(qū)，扇區(qū)大小一般為16 KB或32 KB，有效程序數(shù)據(jù)一般被劃分為若干個(gè)分段(Segment)，分段位于扇區(qū)內(nèi)，尺寸不固定，但都小于扇區(qū)長(zhǎng)度，對(duì)于中小型嵌入式系統(tǒng)而言，幾個(gè)分段就能夠滿足程序存儲(chǔ)要求。

參考文獻(xiàn)[2]提出了一種判斷程序數(shù)據(jù)塊寫入是否正確的方法，在程序數(shù)據(jù)寫入過程中提取標(biāo)識(shí)信息，與程序數(shù)據(jù)塊已知的驗(yàn)證信息進(jìn)行對(duì)比，標(biāo)識(shí)信息和驗(yàn)證信息一致表明數(shù)據(jù)塊寫入正確。這種方法僅用于判斷燒寫數(shù)據(jù)時(shí)是否發(fā)生錯(cuò)誤，沒有考慮系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生破損的情況。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種對(duì)軟件程序數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)的方法，在軟件程序加載階段對(duì)程序各個(gè)模塊進(jìn)行哈希計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果發(fā)回服務(wù)器端進(jìn)行對(duì)比。這種方法不適合嵌入式系統(tǒng)程序Flash數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，而且沒有說明校驗(yàn)信息的生成方法。

本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的Bootloader，在產(chǎn)品生產(chǎn)階段通過CAN總線下載并燒錄應(yīng)用程序，保證了下載數(shù)據(jù)的一致性，在產(chǎn)品運(yùn)行階段，對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)對(duì)比，保證了產(chǎn)品生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)一致性[4]。

1 基于CAN總線的Bootloader

ISO 15765-3以ISO 14229-1定義的統(tǒng)一診斷服務(wù)(UDS)為基礎(chǔ)，規(guī)范了基于CAN總線的診斷服務(wù)(UDS on CAN)[5]，既可以用于汽車CAN節(jié)點(diǎn)的下線檢測(cè)、故障診斷、功能配置，也可以用于汽車CAN節(jié)點(diǎn)的程序下載和軟件升級(jí)。CAN節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序下載和升級(jí)的程序稱為Bootloader，Bootloader響應(yīng)診斷儀發(fā)起的UDS服務(wù)請(qǐng)求[6]，接收診斷儀發(fā)送的應(yīng)用程序指令數(shù)據(jù)，通過Flash驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行應(yīng)用程序Flash地址空間的擦除和應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的燒寫。

1.1 Flash地址空間

Bootloader地址空間和應(yīng)用程序地址空間分配如圖1所示。MCU的程序Flash同時(shí)存儲(chǔ)Bootloader和應(yīng)用程序，運(yùn)行在Bootloader地址空間上的程序?qū)?yīng)用程序數(shù)據(jù)燒寫或更新到應(yīng)用程序地址空間中[7]。圖中應(yīng)用程序Flash地址空間包含若干分段，以分段1、分段2、…、分段n表示，n為分段數(shù)量。各個(gè)分段的首地址和截止地址在應(yīng)用程序的鏈接文件中設(shè)定，在實(shí)際應(yīng)用中，由于函數(shù)指令數(shù)據(jù)不能跨段存儲(chǔ)，因此，分段的實(shí)際尾地址小于或等于設(shè)定的截止地址。

圖1 程序Flash地址空間分配

1.2 程序數(shù)據(jù)文件

應(yīng)用程序編譯、鏈接后生成程序數(shù)據(jù)文件，本方法選擇大多數(shù)MCU都支持的S19文件。S19的全稱為Motorola format for EEPROM programming，是摩托羅拉公司為程序和數(shù)據(jù)文件定義的一種可打印的ASCII形式編碼的S格式文件，以實(shí)現(xiàn)在不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)之間傳輸程序代碼和數(shù)據(jù)[8]。

S19文件中的每一行數(shù)據(jù)為一條SRecord，以S0型SRecord開始，以S9型SRecord結(jié)束，以S2型SRecord存放Flash寫入地址、程序數(shù)據(jù)、程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息[9]。

1.3 應(yīng)用程序分段

應(yīng)用程序的每個(gè)分段都由多條S2型SRecord組成，分段內(nèi)SRecord的Flash寫入地址連續(xù)，每條SRecord的程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相等。記分段內(nèi)第n條SRecord的Flash寫入地址為Addr(n)，第(n+1)條SRecord的Flash寫入地址為Addr(n+1)，SRecord的程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)en_s，三者滿足以下關(guān)系：

Addr(n+1)=Addr(n)+Len_s

(1)

假設(shè)該分段由m條SRecord組成，記分段首地址為Seg_s，分段尾地址為Seg_e，分段尺寸為Seg_len，則

Seg_s=Addr(1)

(2)

Seg_e=Addr(m)+Len_s-1

(3)

Seg_len=m*Len_s

(4)

Seg_s、Seg_e、Seg_len同時(shí)滿足以下關(guān)系：

Seg_len=Seg_e-Seg_s+1

(5)

應(yīng)用程序的鏈接文件指定了程序各個(gè)分段的首地址[10]，它不會(huì)隨應(yīng)用程序的修改而變化，分段尾地址和分段尺寸可以通過編譯鏈接生成的S19文件計(jì)算得出。

2 Flash數(shù)據(jù)一致性驗(yàn)證

本方法不僅可以檢測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)下線階段程序Flash數(shù)據(jù)的一致性，還能夠檢測(cè)產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)因電磁干擾、空間輻射等效應(yīng)對(duì)Flash數(shù)據(jù)造成的損壞。Flash數(shù)據(jù)一致性驗(yàn)證的校驗(yàn)信息為各分段尺寸和對(duì)所有Flash數(shù)據(jù)按照地址遞增的方式進(jìn)行CRC32計(jì)算得出的校驗(yàn)值。

2.1 生產(chǎn)階段一致性驗(yàn)證

在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，首先通過燒錄器燒寫B(tài)ootloader，然后通過診斷儀軟件，基于UDS on CAN協(xié)議將應(yīng)用程序下載到產(chǎn)品中，通過Bootloader進(jìn)行燒寫。下載應(yīng)用程序Flash數(shù)據(jù)的過程中，診斷儀解析S19文件，計(jì)算出各分段的尺寸和應(yīng)用程序Flash數(shù)據(jù)的CRC32校驗(yàn)值，并將之作為驗(yàn)證信息發(fā)送給Bootloader。Bootloader在燒寫應(yīng)用程序的過程中同樣計(jì)算各分段尺寸和應(yīng)用程序Flash數(shù)據(jù)的CRC32校驗(yàn)值，燒寫完成后，Bootloader比較診斷儀計(jì)算的驗(yàn)證信息和自身計(jì)算的校驗(yàn)信息，兩者一致，則表明應(yīng)用程序燒錄正確，然后在MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)Flash中存儲(chǔ)校驗(yàn)信息，并將應(yīng)用程序有效標(biāo)志置為0x55，存入數(shù)據(jù)Flash中。

診斷儀根據(jù)S19文件中各分段內(nèi)SRecord的Flash寫入地址連續(xù)的特性計(jì)算分段尺寸，具體計(jì)算方法為：

① 讀取分段首行SRecord，提取Flash寫入地址和程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，分段首地址賦值為Flash寫入地址，分段尾地址初始值賦值為Flash寫入地址+程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度-1。然后進(jìn)入步驟②；

圖3 Flash數(shù)據(jù)一致性驗(yàn)證

② 讀取下一行SRecord，提取Flash寫入地址和程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，如果Flash寫入地址等于分段尾地址+1，進(jìn)入步驟③，否則進(jìn)入步驟④；

③ 將分段尾地址累加，累加值為程序數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，判斷該行是否為S19文件最后一行，如果是，進(jìn)入步驟⑤，否則，進(jìn)入步驟②；

④ 按照式(5)計(jì)算分段尺寸，將該行視為下一個(gè)分段首行SRecord，進(jìn)入步驟①；

⑤ 按照式(5)計(jì)算分段尺寸，退出分段尺寸的計(jì)算過程。

圖2 分段尺寸計(jì)算

具體計(jì)算流程如圖2所示。Bootloader根據(jù)Flash寫入地址計(jì)算分段尺寸，F(xiàn)lash的燒寫以頁(Page)為單位，如果燒寫地址屬于分段i，將分段i尺寸累加，累加值為頁長(zhǎng)度。

2.2 運(yùn)行階段一致性驗(yàn)證

在產(chǎn)品運(yùn)行階段，上電后，MCU首先跳入Bootloader的地址空間運(yùn)行，檢查應(yīng)用程序有效標(biāo)志，如果讀取到的有效標(biāo)志為0x55，MCU跳入應(yīng)用程序的地址空間運(yùn)行。在應(yīng)用程序的初始化階段，讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)Flash中的校驗(yàn)信息，根據(jù)校驗(yàn)信息中的分段尺寸，讀取各個(gè)分段中的Flash數(shù)據(jù)，進(jìn)行CRC32校驗(yàn)，并將計(jì)算結(jié)果和校驗(yàn)信息中的CRC32校驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如果數(shù)據(jù)一致，表明程序Flash數(shù)據(jù)沒有損壞，系統(tǒng)正常運(yùn)行，如果不一致，表明程序Flash數(shù)據(jù)被損壞，進(jìn)入跛行模式。具體流程如圖3所示。

結(jié) 語