五種單片機固件自更新的方法

汽車軟件Boot程序的主要作用是刷新App程序。在一個具體客戶項目中，Boot也是客戶需求的一部分，跟隨項目也有軟件開發(fā)計劃（有的為了和其它Boot區(qū)分，把項目上的Boot稱作CB, Customer Boot）。

對于已經(jīng)下線盒蓋的控制器，無論是在供應商或者客戶手里測試，只能通過CB刷新App。如果需要CB自刷新，就需要額外的方法。

1、規(guī)范：

整車廠只有對App程序刷新的規(guī)范，沒有對Boot自刷新的規(guī)范。因為規(guī)范是針對量產(chǎn)車的，售后只負責App程序的升級，不對Boot升級（也不允許Boot升級）。

所以，Boot的自刷新只存在于項目開發(fā)階段，且由供應商自行提供方案。本文分析五種Boot自更新方式的優(yōu)缺點。

方式一，SB更新CB：

如圖1-a，有的軟件架構(gòu)是兩級Boot：SB+CB，Start Boot只檢查CPU最小系統(tǒng)，與具體項目的外圍電路無關(guān)，它獨立于客戶需求，由供應商自行維護，在Pilot項目早期就應開發(fā)完成。因為程序啟動順序是SB->CB->App,這樣在SB里增加刷新邏輯可以更新CB。通常情況下運行CB更新App程序，特殊情況下程序啟動后一直停留在SB里，更新CB。

優(yōu)點：

1.邏輯結(jié)構(gòu)簡單清晰，軟件分工明確。

2.一次刷新，操作簡易。

缺點：

1.需要較大的Flash空間在SB里存放刷新邏輯，項目SOP后又要禁止這種刷新方式，造成額外的浪費。

2.軟件分三級啟動，結(jié)構(gòu)復雜，開發(fā)和維護成本較高。對于不需要SB的控制器是一種負擔。

3.萬一SB也需要更新怎么辦？按照這種策略，還得做個SSB？顯然不現(xiàn)實。

方式二、RAM+Flash Reboot更新

如圖2-a，不存在SB情況下，程序啟動順序是CB->App。需要刷新Boot時，首先把Reboot程序下載到不用的RAM里（圖2-b），然后在RAM環(huán)境下運行ReBoot,下載新的CB（圖2-c）

優(yōu)點：

1. 不需要額外的Flash空間，Boot程序運行只需要少量的RAM，因此為App設計的RAM臨時可以保存Reboot程序。

2. RAM擦寫速度很快，則下載ReBoot的速度會很快。

缺點：

在CB更新過程中萬一CPU掉電，重新上電后Reboot內(nèi)容全無，CB已經(jīng)破損，程序不能正常啟動，控制器癱瘓，只能開蓋用JTAG燒寫程序。

方式三、RAM+RAM ReBoot更新（對方式二的改進）

首先把ReBoot（藍色）+NewCB（紫色）一起都下載到RAM里（圖3-a），然后運行ReBoot,擦除CB Flash區(qū)域，將RAM中NewCB復制到CB Flash區(qū)域（這一步內(nèi)部完成）。最后，重新上電復位，RAM中的ReBoot和NewCB自動丟失，程序從新的CB開始運行。

優(yōu)點：

?1.相比方式二少了一步刷新（因為ReBoot和CB是綁在一起的）。

?2.相比方式二CB更新全部在CPU內(nèi)部執(zhí)行，不受外界干擾，耗時更短。

缺點：

?1. 相比方式二需要更大的RAM空間存儲ReBoot+NewCB。

?2. 和方式二一樣存在CB更新階段掉電后控制器癱瘓的風險。

方式四、借助App程序Flash空間

刷新分三步：1.圖4-b運行CB，擦除App，把ReBoot下載到App區(qū)域。2.圖4-c運行ReBoot,擦除舊CB，刷入新CB。3.圖4-d運行新CB，刷回App。

優(yōu)點：

1.不需要額外的Flash和RAM資源。

2.穩(wěn)定可靠，通過優(yōu)化設計，可以保證在任何一個步驟突然掉電，上電后可以繼續(xù)操作，控制器不會刷死。（詳細設計方法請看附錄）

3.對CB做稍微改造就可以成為Reboot程序，開發(fā)快速。

缺點：

1.步驟繁多，為了更新CB必須要先擦除App，最后恢復App，至少三次刷新。對不熟悉步驟的操作者容易搞混亂。

2.整體刷新時間會較長，兩次Boot+一次App

方式五、借助額外Flash空間

相比方式四，需要一塊和CB一樣大小的額外Flash空間，刷新分三步：

圖5-b,運行CB，刷入ReBoot到額外Flash。

圖5-c,運行ReBoot，更新CB。

運行新的CB，破壞ReBoot（全部擦除，或只擦除ReBoot有效性標志）

優(yōu)點：相比方式四，不需要破壞App程序，也省去了這部分更新時間。

缺點：相比方式四，需要額外的Flash空間，且必須是獨立的Block。

小結(jié)：

本質(zhì)上只有三種：

依賴啟動程序SB（方式一），當CPU的Flash資源很富余且項目需要兩級Boot時，用該方法最節(jié)省時間。

借助RAM（方式二、三）3.借助Flash（方式四、五）。只需要單級Boot（CB）時，可以容忍因Boot刷新癱瘓必須要給控制器開蓋帶來時間，人力，物力的成本損耗的情況下用方式二，三較方便。

只需要單級Boot（CB）時，不允許或不方便控制器開蓋，但可以容忍Boot更新步驟繁多時間較長的情況下用方式四、五最可靠。

綜上，工程師需要根據(jù)整體軟件架構(gòu)，CPU資源，時間人力物料等成本因素綜合考慮一種適合自己產(chǎn)品及項目的Boot自刷新方法。

附錄：

《Boot自刷新方式四（借助Flash）的具體實現(xiàn)方法》

背景：

對于方式四借助Flash刷新【不存在刷死風險，在任何一個步驟中控制器突然掉電，上電后可以繼續(xù)操作。】的結(jié)論，是有條件的。筆者給出這個結(jié)論是從最理想的前提思考的，即只要控制器中至少有一個Boot存在（即使一個是壞的），程序就可以從任何一正常的Boot啟動運行。這里就有一個問題，CPU怎么判斷哪個Boot是好的，哪個是壞的？現(xiàn)在分析一下存在控制器刷死這種風險的情況和幾種對策方案。

兩級啟動地址介紹：

如下圖示，CPU上電后程序按地址順序，檢查BootSector的有效性，如果BOOT_ID合法則從指定的地址開始執(zhí)行，否則檢查下一個BootSector。

考慮CPU至少具備兩個啟動地址的情況，如圖1-a,當且僅當啟動地址1有效時（App為空），程序啟動后自動進入Boot。如圖1-b,當且僅當啟動地址2有效時（不帶Boot測試），程序啟動后自動進入App。如圖1-c，當啟動地址1，2都有效勢，程序優(yōu)先從地址1啟動，在Boot里檢查App程序有效時，再靠跳轉(zhuǎn)指令Jump到啟動地址2，開始運行App。

方式四控制器刷死情況分析：

如圖 2-a，運行Reboot更新CB途中斷電。重新上電后，如圖2-b，由于啟動地址1的內(nèi)容是在刷新開始就被更新了是有效的，程序會進入CB運行，但是CB不完整，必然運行出錯，程序不會跳入ReBoot里，從而不能再刷新（即刷死）。假設從擦除完舊CB開始到刷入新CB完成的時間有10S，在此期間掉電的可能性也不能忽略。

對策一、Boot有效性標志與啟動地址重合

考慮最普遍情況，CPU只能整塊（Block）的擦出（16K,32K,64K...），可以最少4字節(jié)單位寫，沒有順序限制，現(xiàn)在CB只用了一個Block?，F(xiàn)在調(diào)整刷新順序：擦出成功后，先刷新橙色區(qū)域，最后一步刷新啟動地址1有效性標志（灰色區(qū)域）。這樣，即使在更新橙色區(qū)域過程中掉電。

重新上電后，程序依然從啟動地址2開始運行，即重新運行Reboot繼續(xù)等待刷新CB指令，如圖3-a所示。具體操作時也不需要更改下載流程，使用$34,36服務按順序從上位機傳輸數(shù)據(jù)到CPU中，先把啟動地址1的有效性標志放到RAM里，當把橙色區(qū)域都下載到Flash后，再從RAM里把啟動地址1的有效性標志寫到Flash里（這一步10ms以內(nèi)即可完成，完全可以忽略在此時間內(nèi)掉電的可能性）

如果最后一步啟動地址1刷新成功，再重新上電后，程序從啟動地址1開始運行新的Boot。即啟動地址1起了Boot有效性標志的作用（最先擦，最后寫），如圖3-b所示。

對策二、Boot有效性標志獨立置尾，增加Boot有效性檢查邏輯

如圖4-a,把Boot分成2個段，Sec1里僅存放少量的啟動自檢查邏輯，當它檢測到置于Sec2末尾的CB_ValidFlg無效時，即認為Boot是不完整的，則程序控制跳轉(zhuǎn)到啟動地址2繼續(xù)運行ReBoot，重新刷新Boot。

如圖4-b,當Sec1的邏輯檢測到CB_ValidFlg有效時，即認為Boot刷新完成，則程序控制跳轉(zhuǎn)入Sec2里，此時由于App(ReBoot)末尾的App_ValidFlg是無效的，程序并不會跳轉(zhuǎn)入ReBoot里，接下來就可以刷入新的App了。

這種方法只需要對CB的邏輯和段分配做一下調(diào)整，不需要更改刷新順序。Sec1里的啟動自檢查邏輯可以做的盡量小，則只要保證刷新Sec1段的過程中不掉電，控制器就不會刷死，大大降低風險。但是對量產(chǎn)軟件，檢查CB_ValidFlg無效就直接跳轉(zhuǎn)入App是不合理的，所以當Boot最終定型后，應該把這個跳轉(zhuǎn)邏輯關(guān)閉。