重型拖拉機(jī)控制器的引導(dǎo)加載程序與上位機(jī)設(shè)計(jì)

譚文陽，李軍偉，朱青松

山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049

0 引言

作為重型拖拉機(jī)控制的核心，重型拖拉機(jī)控制器控制策略直接決定重型拖拉機(jī)的性能和能量利用率，因此控制策略的升級(jí)維護(hù)技術(shù)成為當(dāng)前重型拖拉機(jī)控制器發(fā)展的關(guān)鍵。由于傳統(tǒng)的OSJTAG仿真工具對(duì)軟件進(jìn)行更新需要拆開控制器殼體，對(duì)控制器程序進(jìn)行直接操作，存在更新過程繁瑣和程序泄露等問題?；诳刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN)的引導(dǎo)加載程序技術(shù)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行更新升級(jí)，可以避免拆卸控制器殼體等損壞硬件的操作，通過重型拖拉機(jī)自身的CAN網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)程序的更新，因此可以避免對(duì)程序的直接操作，提高安全性。

相對(duì)文獻(xiàn)[1]中的基于MPC5634M單片機(jī)的引導(dǎo)加載程序設(shè)計(jì)，本文中充分利用MPC5744P的Flash支持同時(shí)讀寫(read-while-write，RWW)的特點(diǎn)，在下載程序時(shí)無需將引導(dǎo)加載程序移入隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(random access memory，RAM)，避免因下載程序時(shí)掉電而丟失引導(dǎo)加載程序的問題，同時(shí)省去對(duì)電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)進(jìn)行模擬等繁瑣設(shè)計(jì)，直接對(duì)Flash進(jìn)行操作，能夠解決文獻(xiàn)[1]掉電丟失引導(dǎo)加載程序的問題。

1 重型拖拉機(jī)引導(dǎo)加載程序與上位機(jī)功能分析

在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前，將引導(dǎo)加載程序存放在MPC5744P單片機(jī)的LOW Flash塊中，完成對(duì)MPC5744P單片機(jī)軟硬件的初始化，實(shí)現(xiàn)MPC5744P單片機(jī)用戶程序的啟動(dòng)與固件的更新[2-3]。MPC5744P單片機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)制可分為2種模式，啟動(dòng)加載模式與下載模式。由于MPC5744P單片機(jī)啟動(dòng)加載模式需要將引導(dǎo)加載程序加載到RAM中運(yùn)行,為節(jié)約RAM資源，本文中對(duì)引導(dǎo)加載程序的設(shè)計(jì)機(jī)制采用下載模式。上位機(jī)刷寫工具通過CAN總線向MPC5744P單片機(jī)發(fā)送更新應(yīng)用程序的控制命令，并實(shí)時(shí)反饋MPC5744P單片機(jī)的更新狀態(tài)。MPC5744P單片機(jī)依據(jù)上位機(jī)通過CAN總線發(fā)送的命令，將應(yīng)用程序存儲(chǔ)入MPC5744P單片機(jī)的256 KiByte Flash中。程序刷寫的基本原理如圖1所示。

圖1 上位機(jī)與BootLoader通信原理圖

2 重型拖拉機(jī)控制器端引導(dǎo)加載程序的開發(fā)

2.1 FlexCAN通信模塊的設(shè)計(jì)

通過對(duì)FlexCAN模塊進(jìn)行初始化配置與通信協(xié)議的制定，實(shí)現(xiàn)重型拖拉機(jī)控制器的引導(dǎo)加載程序與上位機(jī)的通信[4-5]。本文中MPC5744P控制器的CAN模塊使用的是8 MHz的時(shí)鐘，500 kbit/s的波特率。使用CAN0通道的消息緩存區(qū)0(message buffer 0,MB[0])作為發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)給上位機(jī)發(fā)送代碼，設(shè)置其發(fā)送MB的身份標(biāo)識(shí)符(identity document,ID)為0x520。使用CAN0通道的MB[4]MB[8]MB[31]作為接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)接收上位機(jī)的命令與S19文件，分別設(shè)置其MB只接收ID為0x521、0x550、0x555的報(bào)文。FlexCAN的初始化配置如圖2所示。

圖2 CAN模塊初始化配置

2.2 Flash的內(nèi)存劃分及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

MPC5744P的2.5 MiB的Flash內(nèi)存劃分為4個(gè)16 KiByte的LOW Flash，2個(gè)32 KiByte的MID Flash，6個(gè)64 KiByte的HIGN Flash以及8個(gè)256 KiByte的Flash，作用分別是：存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序、存儲(chǔ)應(yīng)用程序的啟動(dòng)地址、存儲(chǔ)應(yīng)用程序。

Flash驅(qū)動(dòng)主要用于擦除與寫入程序。MPC5744P在擦除Flash內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，只支持以Flash塊為最小單位擦除；而在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，一次最多只能寫入4頁(1024 bits)Flash內(nèi)存數(shù)據(jù)，超出的數(shù)據(jù)會(huì)被截取。本文中的引導(dǎo)加載程序存儲(chǔ)于LOW Flash中。對(duì)Flash的擦除與寫入分別通過程序?qū)崿F(xiàn)。

以MPC5744P的一個(gè)Flash塊擦除操作為例，具體流程如圖3所示。對(duì)Flash進(jìn)行擦除操作需要通過C55FMC模塊下的LOCK寄存器解鎖對(duì)應(yīng)的Flash；SEL寄存器選擇要進(jìn)行擦除的Flash；MCR寄存器的ERS位由0變?yōu)?啟動(dòng)一個(gè)擦除序列，由1變?yōu)?結(jié)束一個(gè)擦除序列；寄存器MCR的EHV位使能高壓操作進(jìn)行Flash內(nèi)存的擦除；等待MCR的DONE位置1，則高壓擦除完成。

對(duì)MPC5744P的Flash寫入過程如圖4所示。對(duì)Flash進(jìn)行寫入操作同樣通過LOCK寄存器解鎖對(duì)應(yīng)的Flash，MCR寄存器的PGM位由0變?yōu)?，啟動(dòng)一個(gè)寫入序列，由1變?yōu)?結(jié)束一個(gè)寫入序列，然后為對(duì)應(yīng)地址寫入數(shù)據(jù)。在此需注意MPC5744P的Flash只支持4 byte或8 byte對(duì)齊寫入，并且只能使用一種方式，本文中采用4 byte對(duì)齊方式寫入數(shù)據(jù)；MCR寄存器的EHV位與DONE位與擦除時(shí)作用一致。

圖3 Flash模塊的擦除配置 圖4 Flash模塊的寫入配置

2.3 中斷向量表的重映射

由于MPC5744P在單芯片啟動(dòng)時(shí)，會(huì)從低到高搜索8個(gè)帶有啟動(dòng)標(biāo)志位的Flash塊(Boot location 0～7)，每個(gè)Boot location的第一個(gè)地址RCHW若存儲(chǔ)了BOOT_ID(0x5A)，則此塊即為啟動(dòng)分區(qū)，同時(shí)作為啟動(dòng)分區(qū)的RCHW偏移4個(gè)地址存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)即為程序代碼的起始地址。中斷向量表依據(jù)此原理進(jìn)行重定位。通常工程建立時(shí)存儲(chǔ)BOOT_ID的RCHW默認(rèn)為0x00FA0000，本文中的BootLoader通過修改鏈接文件flash.ld的RCHW為0x00F98000來改變中斷向量表所處的Flash，同時(shí)確定整個(gè)程序代碼的運(yùn)行起始地址。程序復(fù)位后運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 程序復(fù)位后運(yùn)行流程

通過SECTIONS函數(shù)對(duì)Flash進(jìn)行具體劃分中斷向量表位置，部分代碼如下：

SECTIONS{

.intc_vector_table: ALIGN(4096)

{

KEEP(*(.intc_vector_table))

} > m_text

}

通過以下命令實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)重定位中斷向量表：

int32_t__attribute__((section(".cpu0_reset_vector")))RCHW2= (uint32_t)ENTRY_POINT。

通過上述程序?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用程序與引導(dǎo)加載程序的中斷向量表在內(nèi)存中地址的設(shè)置。

2.4 S19文件的解析

S19文件的正確解析是程序下載成功的關(guān)鍵，S19文件的格式如表1所示。

表1 S19文件格式

表1中所述記錄類型S0表示文件名等文件信息，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)無需寫入Flash內(nèi)存；記錄類型S1、S2、S3表示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地址分別為2 byte、3 byte、4 byte；記錄類型S4、S5、S6用來標(biāo)注S19文件中S1、S2、S3記錄類型的數(shù)量，非文件必需，無實(shí)際作用；記錄類型S7、S8、S9為S19文件結(jié)束的標(biāo)志[6-7]。

MPC5744P是32位微控制器，所以采用的記錄類型為S3。S19文件的解析與驗(yàn)證(即程序的完整性校驗(yàn))過程如圖6所示。

2.5 引導(dǎo)加載程序復(fù)位后的運(yùn)行過程

運(yùn)行MPC5744P的一般程序時(shí)，首先從默認(rèn)地址0x00FA0000中檢測(cè)到BOOT_ID標(biāo)志位，然后跳轉(zhuǎn)到主函數(shù)開始運(yùn)行。運(yùn)行本文中設(shè)計(jì)的引導(dǎo)加載程序時(shí)，首先從地址0x00F98000中檢測(cè)到BOOT_ID標(biāo)志位，然后跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)加載程序開始運(yùn)行。整個(gè)程序的具體運(yùn)行過程見圖7。

圖6 S19文件解析與驗(yàn)證

圖7 BootLoader運(yùn)行流程

3 重型拖拉機(jī)控制器上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)的主要作用是通過某公司USBCAN自帶的二次開發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)與引導(dǎo)加載程序之間的交互，從而實(shí)現(xiàn)程序的更新升級(jí)[8-9]，因此對(duì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)分為上位機(jī)界面設(shè)計(jì)和與控制器通信協(xié)議制定。

3.1 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)與CAN接口庫文件

利用具有直觀可視化界面的Python外部工具PyQt5對(duì)上位機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后自動(dòng)生成代碼，將生成的界面代碼與CAN卡的庫函數(shù)在Python中鏈接來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面的功能[10-11]。本文中用到的庫函數(shù)見表2。

表2 CAN卡的庫函數(shù)

除表2用到的接口庫函數(shù)外，同時(shí)用到接口庫函數(shù)的結(jié)構(gòu)體CAN_OBJ與INIT_CONFIG。CAN_OBJ結(jié)構(gòu)體表示幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，被用來存儲(chǔ)發(fā)送與接收函數(shù)的幀信息；INIT_CONFIG結(jié)構(gòu)體對(duì)CAN進(jìn)行初始化配置。

3.2 上位機(jī)通信協(xié)議

為提高引導(dǎo)加載程序的安全性，防止被隨意更改，制定自定義通信協(xié)議，通過上位機(jī)與MPC5744P單片機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制單片機(jī)運(yùn)行應(yīng)用程序或進(jìn)行引導(dǎo)加載程序功能的選擇以及擦除Flash數(shù)據(jù)并向Flash寫入數(shù)據(jù)等功能[12-13]。上位機(jī)的報(bào)文ID分別為0x521、0x550、0x555，控制器發(fā)送報(bào)文的ID為0x520。本文中所用的幀類型均為標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀，引導(dǎo)加載程序協(xié)議如表3所示。

ID為0x555的報(bào)文控制控制器是否進(jìn)入更新應(yīng)用程序模式，ID為0x550報(bào)文控制是否對(duì)控制器Flash進(jìn)行擦除與寫入操作，ID為0x521的報(bào)文向控制器發(fā)送S19文件里應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，ID為0x520的報(bào)文控制控制器應(yīng)答上位機(jī)是否已完成相應(yīng)操作[14-15]。

表3 BootLoader協(xié)議

上位機(jī)通過ID為0x555的的報(bào)文向控制器發(fā)送更新程序的數(shù)據(jù)命令2，控制器接收到上位機(jī)發(fā)送的更新程序命令后，通過ID為0x520的報(bào)文向上位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)2，表示控制器已進(jìn)入引導(dǎo)加載程序準(zhǔn)備更新程序?？刂破鬟M(jìn)入引導(dǎo)加載程序之后，上位機(jī)通過ID為0x550的報(bào)文向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)0xAA，控制器接收到此命令后，對(duì)Flash塊進(jìn)行擦除，等待擦除完成后，控制器通過ID為0x520的報(bào)文向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)3，表示對(duì)Flash塊的擦除操作完成。擦除操作完成后，上位機(jī)通過ID為0x550的報(bào)文向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)0xBB，控制器接收到此命令后，進(jìn)入等待上位機(jī)發(fā)送需寫入的S19文件數(shù)據(jù)狀態(tài)。最后上位機(jī)通過ID為0x521的報(bào)文向控制器發(fā)送要寫入Flash的數(shù)據(jù)，控制器接收到此數(shù)據(jù)后，開始向Flash寫入，當(dāng)對(duì)Flash寫入數(shù)據(jù)完成后，控制器通過ID為0x520的報(bào)文向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)4，表示對(duì)Flash寫入操作完成。

4 重型拖拉機(jī)控制器上位機(jī)與引導(dǎo)加載程序的測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的引導(dǎo)加載程序與上位機(jī)的在線升級(jí)功能，同時(shí)為更直觀觀測(cè)設(shè)計(jì)結(jié)果，通過下載小燈程序進(jìn)行驗(yàn)證。

上位機(jī)界面主要分為CAN卡的發(fā)送配置、運(yùn)行狀態(tài)顯示、程序下載3部分。發(fā)送配置界面通過“波特率”按鈕設(shè)置CAN通信的波特率，通過打開“CAN卡”按鈕對(duì)CAN卡進(jìn)行調(diào)用與初始化配置，通過“復(fù)位CAN卡”按鈕對(duì)CAN卡進(jìn)行復(fù)位，通過“關(guān)閉CAN卡”按鈕斷開CAN卡與上位機(jī)的連接。運(yùn)行狀態(tài)界面顯示CAN通信過程中程序運(yùn)行的具體狀態(tài)，上位機(jī)CAN卡初始化界面如圖8所示。程序下載界面分為下載功能界面與CAN接收/發(fā)送數(shù)據(jù)界面。下載功能界面中，“進(jìn)入app”按鈕表示復(fù)位后MPC5744P單片機(jī)進(jìn)入應(yīng)用程序，“準(zhǔn)備更新”按鈕表示復(fù)位后MPC5744P單片機(jī)進(jìn)入引導(dǎo)加載程序，“擦除數(shù)據(jù)”按鈕表示對(duì)MPC5744P單片機(jī)Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除，“開始更新”按鈕表示進(jìn)入程序刷寫，“加載程序”按鈕表示將S19文件上傳到上位機(jī)，“CAN接收/發(fā)送數(shù)據(jù)”界面顯示具體的S19文件，程序更新完成界面如圖9所示。

圖8 上位機(jī)CAN卡初始化 圖9 程序更新完成界面

圖10 MPC5744P開發(fā)板實(shí)測(cè)圖

MPC5744P開發(fā)板實(shí)測(cè)圖如圖10所示。上位機(jī)通過USBCAN卡與MPC5744P單片機(jī)的通信對(duì)小燈程序下載后，圖中所示小燈皆亮，表示程序下載成功。

5 結(jié)語

針對(duì)重型拖拉機(jī)控制器的引導(dǎo)加載程序以及對(duì)應(yīng)的上位機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)。對(duì)涉及引導(dǎo)加載程序的FlexCAN通信模塊、Flash閃存模塊、S19文件解析、中斷向量表重映射進(jìn)行了配置，同時(shí)對(duì)上位機(jī)界面與上位機(jī)的CAN通信進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過小燈程序?qū)υO(shè)計(jì)開發(fā)的引導(dǎo)加載程序和上位機(jī)軟件進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的引導(dǎo)加載程序與上位機(jī)能夠滿足對(duì)重型拖拉機(jī)控制器程序的更新與升級(jí)。