英飞凌XC2000系列——汽车ECU Bootloader 设计详解

简介：
写Boot是为了让准备从事、或者已经从事该工作的相关人员，能快速的了解什么是Boot,Boot的作用，以及ECU-Boot 的开发过程。
主要参考了两本书籍《嵌入式Linux系统教程》，《汽车嵌入式微处理器的工作原理与应用—英飞凌XC2000家族MCU》
第一次写这么多的，格式不是很会弄，还请谅解。

一 、Ecu Bootloader 详解

1目的
1、为了能让新手快速入门
2、让更多的人了解BootLoader
3、如何维护、开发BootLoader

二、BOOT简介

1、不仅在嵌入式系统在有Bootloader，在通常的PC机系统中，其引导加载的程序是由BIOS和位于硬盘MBR中的OS BootLoader完成的。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的BootLoader读到系统的RAM中，然后将控制权交给OS BootLoader。

2、BootLoader的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。

3、但对于嵌入式系统而言，出于经济性、价格方面的考虑，虽然一些嵌入式CPU中会嵌入一段短小的启动程序，但是通常并没有像BIOS那样的固件程序，所以相对于PC机上的OS Bootloader所做的工作，嵌入式系统的Bootloader不仅要完成将内核映象从硬盘上读到RAM中，然后引导启动操作系统内核，还需要BIOS所做的硬件检测和资源分配工作。可见，嵌入式系统中的Bootloader比起PC机中的Bootloader更强大，功能更多。

4、就如同XC2000系列的英飞凌芯片的嵌入式系统中（如XC2331D），系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，执行一系列操作之后，在进入0x00C00000地址段（在这里BootLoader的地址段为0x00C00000 ----0xC04000）而以其他芯片的处理器为核心的嵌入式系统，通常都有某种类型的固态存储设备（如EEPROM、FLASH等）被映射到这个预先设置好的地址上。

5、在系统加电复位后，处理器将首先处理Bootloader程序。因此Bootloader是系统加电后、操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先运行的一段代码，通过这段代码，可以初始化硬件设备，建立内存空间的映射图（有的CPU没有内存映射功能），从而将系统的软硬件环境设定在一个合适的状态，为最终调用操作系统内核，运行用户程序准备好正确的环境。

6、通常一个嵌入式系统软件架构可以分为四个层次：用户应用程序，文件系统，嵌入式操作系统内核和引导加载程序（即Bootloader）。从底往上各层次完成的主要功能如下如图：

三、BOOT模式

对于开发人员有两中模式：
1.引导加载应用程序（Bootloading）
2.下载应用程序（Downloading）

对于最终用户： 1.不晓得？？？

1.引导加载应用程序（Bootloading）
引导加载应用程序（Bootloading），是指Bootloader从目标机上的某个固件存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程没有用户的介入。这种模式是Bootloader的正常工作模式。当嵌入式产品最终发布时，Bootloader就被默认在这种模式下

2.下载应用程序（Downloading）
目标机上的Bootloader将通过串口或者网络或者USB等其他通信手段从主机下载文件，比如下载内核镜像、根文件系统镜像等，从主机下载的文件通常首先被Bootloader保存到目标机的RAM中，然后被Bootloader写到目标机的Flash内固态存储设备中。Bootloader的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时使用。此外，以后的系统更新也会使用Bootloader的这种工作模式。工作于这种模式下的Bootloader通常都会向他的中断用户提供一个简单的命令接口。

四、BOOT启动流程

1、BOOT主要功能就是：电路初始化和为高级语言编写的软件运行做准备。
Bootloader启动的具体流程如图所示，主要的过程如下：
I.启动代码的第一步是设置中断和异常向量；
II.完成系统启动所必须的最小配置，某些处理器芯片包含一个或几个全局寄存器，这些寄存器必须在系统启动的最初进行配置；
III.设置看门狗，用户设计的部分外围电路如果必须在系统启动时初始化，就可以放在这一步；

2、
配置系统所使用的存储器，包括 Flash，SRAM 和DRAM 等，并为它们分配地址空间。如果系统使用了DRAM或其它外设，就需要设置相关的寄存器，以确定其刷新频率，数据总线宽度等信息，初始化存储器系统。有些芯片可通过寄存器编程初始化存储器系统，而对于较复杂系统通常集成有MMU来管理内存空间；为处理器的每个工作模式设置栈指针，处理器有多种工作模式，每种工作模式都需要设置单独的栈空间；

3、
变量初始化，这里的变量指的是在软件中定义的已经赋好初值的全局变量，启动过程中需要将这部分变量从只读区域，也就是Flash拷贝到读写区域中，因为这部分变量的值在软件运行时有可能重新赋值。还有一种变量不需要处理，就是已经赋好初值的静态全局变量，这部分变量在软件运行过程中不会改变，因此可以直接固化在只读的Flash或EEPROM中；
数据区准备，对于软件中所有未赋初值的全局变量，启动过程中需要将这部分变量所在区域全部清零；
最后一步是调用高级语言入口函数，比如main函数等。

五、ECU-BOOT开发指南

1 ##这些协议我都传上了，自行下载看看，也可以去ISO找##
实现 Bootloader 通信，且适用于ECU通过CAN总线、LIN线、K线、OTA其中之一的方式实现程序的在线更新。
首先需要熟悉以下几个ISO规范-----Road Vehicles - Diagnostics on Controller Area Networks (CAN):
ISO 15765-2: Network layer services
ISO 15765-3: (UDS on CAN)
ISO 14229-1: Specification and requirements
ISO 14230-1:物理层
ISO 14230-2:数据链路层
ISO 14230-3:应用层

实现 Bootloader 功能，且适用于ECU通过BOOT实现程序按照一定的流程 更新程序。而这流程一般是供应商根据主机厂的需求而来，不同的主机厂所定义的下载流程规范是不一样的。

例如：
保时捷、布加迪、帕加尼、迈凯伦、柯尼塞格、迈巴赫、兰博基尼、雷克萨斯、劳斯劳斯、比亚迪、吉利、东方小康、上海通用五菱、等、、、他们的需求是不一样的。

提问：这里的需求不一致和看国际标准协议就没有冲突？那还看什么国际标准协议啊？
如果两者的协议有冲突，以什么协议规范为准呢？

答：这时候如果协议有冲突往往是在应用层协议有冲突，底层的物理、数据链路层是几乎不会变的，这就是为什么要分层开发的原因。如果协议不一致，主机厂往往会标明：按照主机厂定义的协议来开发（这时候主机厂协议的优先级高与国标协议），当然开发者也可以和主机厂进行协调。写偏差报告（反正很麻烦。）

这里推荐大家看看这个博主写得ISO 14229写得很详细。这是应用层相关的协议，开发中用的比较多。

链接: link.

六、ECU-BOOT开发工具

ECU-BOOT开发工具（1）TASKING VX-toolset for C166**

TASKING不仅功能强大，还能在线仿真调试。
特别适合开发，找bug。他是基于eclipse移植而来，许多使用方法是和JAVA是一样的：
例如：

1、快捷键

Ctrl + D : 删除一行的程序：把光标放在要删除的哪一行。
Alt + “/” : 智能代码提示
Ctrl + “/“ : 代码注释
Ctrl + O：快速outline视图
Ctrl + i：格式化代码
ctrl+shift+x和ctrl+shift+y：英文字母大小写的转换

2、常用数据类型操作

TASKING VX-toolset 编译器支持的 C 数据类型

3、存储器的使用规则

TASKING C 编译器有五种内部的寻址类型，即巨程（huge）、远程（far）、近程（near）、位寻址和 SFR。
巨程寻址： 32位线性地址，从0至16MB。
远程寻址： 32位页地址，高字包含一个10位的页数字，低字包含一个14位的16 kB页内偏移量。
近程寻址： 16位地址，高两位包含一个DPP数字，低14位包含一个14位的16 kB页内偏移量。
位寻址： 12位地址，包含一个8位的字偏移量位地址空间和一个4位位数字

建议：指针访问堆栈效率： __far 指针访问堆栈对象的代码产生效率比__shuge 指针好

4、绝对地址的分配

编译器使用__at()将一个对象或函数配置在存储器的一个绝对地址，这是一个 32 位
线性（巨程）地址。如果对象或函数使用__bit 修饰，那么这个地址是一个位地址。编译器
检查这个地址范围、存储器对齐方式和一个对象是否跨页边界。下面是的三个相关例子。
unsigned char Display[80*24] __at( 0x2000 )；
int i __at(0x1000) = 1；
void f(void) __at( 0xf0ff + 1 ) { }
如果对一个变量配置一个绝对地址，必须注意：
1.） __at()的参数必须是一个常数地址；
2.） 这个变量仅是一个全局变量，函数的参数、函数的局部变量不适用；
3.） 一个声明 extern 的全局变量在当前的模块不被编译器分配地址，不可能在一个外部变量使用__at()；
4.） 结构体的成员不能分配一个绝对地址；
5.） 变量的绝对地址不能重叠，否则尽管编译器不检查，但汇编器或连接器将出错

5、TASKING PROJECT 主要工程文件介绍----包括Dave生成的文件

 test.dav
这是一个 DAvE 保存的用户配置目标系统的二进制文件，是生成其它工程文件的基础。
 test.dpt
与 TASKING VX‐toolset 等 IDE 无缝链接的配置文件，内容包括 XC2000 目标芯片类型、编
译器类型、存储器模式、系统时钟和文件信息，不允许用户修改或添加任何信息。
 test.rtf
该文件为说明 DAvE 生成的文件所包含的函数，它是一个可用 word 阅读的富文本文件。
MAIN.H
主函数的头文件，包含主函数拟调用模块的头文件和宏定义，允许在“//USER CODE
BEGIN”和“//USER CODE END”之间添加用户代码。
 MAIN.C
包含主函数 main 的文件，允许用户代码设计的关键文件。它包括五个函数：
void MAIN_vInit(void)，该函数用来初始化微控制器，包含各个模块的初始化子函数。
void MAIN_vUnlockProtecReg(void)，该函数可以对受保护的寄存器进行写操作。
void MAIN_vLockProtecReg(void)，该函数可以实现对受保护的寄存器禁止写操作。
void MAIN_vChangeFreq(void)，该函数用来选择外部晶振并将系统频率配置到希望的工
作频率，如 80MHz、 66MHz 或 40MHz。
void main(void)，主函数，用户设计程序的函数。
 SCS.H
该头文件包含 SCS 驱动，是系统时钟配置的关键文件，不允许用户进行任何改动，包含
一些宏定义和编译预处理命令，含有两个函数。
INLINE void Scs_EnableHighPrecOsc(unsigned int Enable)，当外部晶振或时钟输入时，该
函数用来禁止或使能外部晶振或时钟振荡器，用户调用该函数能够减少等待时间。
INLINE void Scs_CopyWords(unsigned int SHUGE *DestPtr, const unsigned int SHUGE
*SrcPtr, unsigned int Words)，该全局函数将源地址的字复制到目的地址。
 SCS.C
包含多个 SCS 的驱动函数，与系统时钟配置相关，对应用户的 DAvE 工程配置，不允许
用户修改。
 XC22XXNREGS.H
该文件定义用户目标微控制器 XC22XXN 的寄存器，不允许修改，可供用户参考查看。
 IO.H
相对于用户配置的端口模块的头文件，包含该模块的函数定义和宏定义，用户可以添加
代码。
 IO.C
相对于用户配置的端口模块的 C 文件，包含该模块的初始化函数。
 cstart.h 和 cstart.c
包含目标芯片初始化信息，包括寄存器的初始化和变量的初始化，建议用户不修改这两个文件。
 TEST.simulator.launch 或 TEST.launch
软 件 仿 真 的 编 译 配 置 文 件 为 TEST.simulator.launch ， 硬 件 调 试 的 编 译 配 置 文 件 为
TEST.launch，该文件不允许修改。
 TEST.lsl
该文件包含存储器地址分配，定义了 DPP 四个页地址、中断矢量表和系统堆栈，不允
许修改。

TEST.mapxml
在编译完成后，可以在Debug中找到相应的 .mapxml文件。这文件是对 各种变量 函数的内存分配情况，可以详细的看到

注：.lsl是链接脚本文件：如果项目对地址分配比较严格的话，开发前是已经将Flash资源分配好了的，随着开发到后期，Boot功能越来越多，可能会超出内存使用，这时就要修改 .lsl文件，对内存资源重新分配。（对于.lsl的语法规则在芯片手册上有，Tasking的Help里也有）

ECU-BOOT开发工具（2）Infineon Memtool 4.3**

Memtool 是一个支持 XC2000 家族微控制器程序烧录的专业工具，特点如下：
（1） 通过 PLS 硬件工具，能够对微控制器内部和外部的 Flash/OTP 存储器烧录。
（2） 通过引导程序装载器、 K 线、调试器/仿真器 JTAG/DAP 接口烧录程序。
（3） 对于免费下载的工具，只能对片上的 Flash/OTP 烧录程序，仅支持引导程序装载器，支持带非易失性存储器的 XC2000 微控制器。
总之：就是可以读、写、芯片中的程序（以Hex方式的程序，不是源程序）

ECU-BOOT开发工具（3）dave.exe**

主要是用来配置底层程序，初始化各种IO,分配各种资源。（很强大）

ECU-BOOT开发工具（4）Cantest和ZCANPRO**

这两款软件都是周立功的，功能很强大，相比Vector上手简单，且价格实惠、实现人手一部到两部完全没有任何经济压力，大大加快开发的速度。
这需要配合硬件can卡使用，主要是实现Can网络报文的收发、监控、报文分析、等。
缺点：时间精度只有1ms,相比Vector的canoe（精度1us）差了一点。但开发中已经够用的，除了时间要求特别的严格的主机厂测试的一些功能，的时候就建议使用canoe来进行开发调试。

七、开发总结

1、项目需求

项目需求是一个项目的来源，后续所有工作都是围绕需求在进行，那怕其中有一点不明确，都会影响项目整体进度及软件质量，需和主机厂或者项目确认无误后在开发。

2、模块分析

软件除了模块的实现外，还需考虑模块间的偶合性，模块之间的接口。在本模块功能实现的同时，考虑是否会影响其他模块，因为每个人对需求的理解程度不一致，可能导致整个软件出现功能上问题。此类问题需模块开发人员了解模块间的功能关系，以及模块对软件功能的影响。

3、编码

提高开发人员编码的统一性，好的编码规范可以尽可能的减少软件维护成本，让开发人员快速而彻底的理解新的代码，长期规范性编码可以让人养成好的编码习惯，甚至可以锻炼出更加严谨的思维。

4、软件测试

软件测试决定了软件是否完成，能投入使用，也是整个开发过程中最重要的一步。软件测试分为开发自测和专业测试组测试，因为开发的测试用例和开发需求一致，所以发现BUG的可能性很小。所以需要专业测试组不断挖掘测试需求，优化测试手法，测试各种工况软件现象，做好软件释放的最后一道关卡。