基于S12G CAN總線通信的獨立NVM驅(qū)動安全bootloader設(shè)計　

摘要：本文針對傳統(tǒng)汽車ECU CAN總線通信bootloader將NVM驅(qū)動放置在MCU片上Flash， 存在程序跑飛進入NVM驅(qū)動時造成NVM數(shù)據(jù)丟失，從而出現(xiàn)ECU功能丟失或工作異常的問題，提出一種獨立NVM驅(qū)動的安全bootloader設(shè)計，并在NXP的S12G128上實現(xiàn)。

引言

　　CAN總線因其良好的差分通信抗干擾能力而被廣泛應(yīng)用于汽車ECU通信。bootloader是MCU上電或復(fù)位之后最先運行的一段永久駐留于MCU 片上NVM (Non-Volatile Memory，非易失性存儲器) 中的一段極小的程序，完成與PC上位機通信，下載、解析并存儲應(yīng)用程序到ECU的非易失性存儲器，從而完成應(yīng)用程序的在線升級^[1]。以往的bootloader設(shè)計將NVM的驅(qū)動程序放在片上Flash中，當(dāng)程序跑飛進入NVM驅(qū)動時就會造成NVM數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致ECU功能丟失或工作異常。如果將NVM驅(qū)動程序編譯到MCU RAM中，形成S19文件，與應(yīng)用程序一起由CAN總線下載到RAM中運行而不將其儲存在片上，則可以避免此類情況發(fā)生。

1 S12G128片上NVM資源及其獨立驅(qū)動程序開發(fā)

　　S12G128片上NVM資源包括片上的4KB EEPROM和128KB P-Flash。由于S12內(nèi)核中SP和PC寄存器都是16位寬，因此，其最大線性尋址范圍為64KB。為了高效地訪問大于64KB的P-Flash存儲空間，F(xiàn)reescale提出了存儲器分頁訪問機制，即通過0x8000～0xBFFF的16KB Flash窗口以存儲器映射的方式對分頁的Flash空間進行訪問^[2-3]。

1.1 S12G128片上NVM資源

　　S12G128的128KB P-Flash包括了從全局地址0x20000開始的8個連續(xù)16KB Flash頁，其支持1/2/4/8/16KB的區(qū)域 (region) 保護 (Protection) 和 整個P-Flash的加密 (Secure) 。所謂保護是指不能被應(yīng)用程序擦除和改寫，這一功能在bootloader開發(fā)中常被用于保護bootloader程序自身不被應(yīng)用程序修改。加密是針對BDM調(diào)試接口的，當(dāng)S12G加密之后，外部調(diào)試器能夠執(zhí)行的唯一BDM命令就是整片擦除，要想解密，就得執(zhí)行整片擦除命令將整個P-Flash上的數(shù)據(jù)清空或者輸入8個字節(jié)的正確后門密鑰 (backdoor key，位于局部地址0xFF00~0xFF07，全局地址0x3FF00~0x3FF07)。 從而有效的保護用戶的軟件知識產(chǎn)權(quán)^[2]。

　　S12G128的片上4KB EEPROM，地址空間為0x400～0x13FF，位于CPU可以直接訪問的局部地址^[3]中，所有無需分頁訪問。其包含1024個4Byte的最小擦除和編程扇區(qū)(sector)并支持靈活的保護功能。S12G 128 的NVM都支持硬件ECC，能夠自動糾正NVM數(shù)據(jù)的單比特錯誤和多比特檢錯。

1.2 S12G128 獨立NVM驅(qū)動開發(fā)

　　NXP提供的S12系列MCU的標(biāo)準(zhǔn)軟件驅(qū)動 (SSD—Standard Software Driver)，包含運行時獨立的源代碼、S19文件，C數(shù)組以及靜態(tài)庫等形式的NVM驅(qū)動^[5]。

　　本設(shè)計中使用標(biāo)準(zhǔn)軟件驅(qū)動開發(fā)獨立NVM驅(qū)動：首先，根據(jù)實際MCU型號配置SSD，make生成C數(shù)組形式的NVM驅(qū)動，將其整理在一個C文件中與SSD頭文件一起添加到CodeWarrior工程中編譯，并將各個NVM驅(qū)動函數(shù)地址放在位于地址0x3F80的數(shù)組中作為NVM驅(qū)動函數(shù)地址表。因為所有的NVM驅(qū)動函數(shù)數(shù)組和NVM驅(qū)動函數(shù)地址表都由C語言關(guān)鍵詞const修飾，是數(shù)組常量，默認(rèn)放在ROM_VAR段中，修改工程PRM鏈接文件，將ROM_VAR段放置在NVM_RAM段中即可將其編譯到0x3000開始的RAM地址，得到S19文件，從中即可分離得到NVM驅(qū)動及其函數(shù)地址表的S19格式文件。具體的NVM驅(qū)動函數(shù)映射地址表及PRM鏈接文件如圖1所示。

　　使用時，先將其加載在對應(yīng)的RAM地址，然后用函數(shù)指針調(diào)用。

2 基于CAN總線的bootloader設(shè)計

　　基于CAN總線的bootloader設(shè)計包括運行在PC上的上位機軟件和運行在目標(biāo)MCU中的bootloader軟件兩部分。

2.1 PC上位機軟件及通信協(xié)議設(shè)計

　　運行在PC上的上位機軟件主要功能是讀取目標(biāo)MCU的應(yīng)用程序S19文件，并調(diào)用USB轉(zhuǎn)CAN總線適配器(Adapter)，將其逐行下載到目標(biāo)MCU，其軟件設(shè)計軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

　　本設(shè)計中，采用Visual C++調(diào)用WFC和武漢吉陽光電的-GY8507 USB轉(zhuǎn)CAN適配器驅(qū)動，編寫上位機軟件。

　　上位機下載應(yīng)用程序S19文件的CAN消息是ID為0x64的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，而bootloader host程序應(yīng)答上位機的CAN消息幀是ID為0xC8的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，通信速率設(shè)置為500Kbit/s。因此在S12G初始化時將MSCAN模塊的接收ID濾波器設(shè)置為只接收ID為0x64的標(biāo)準(zhǔn)幀，以避免總線上其他ECU的干擾。具體的CAN消息命令定義如表1所示。

2.2 bootloader軟件設(shè)計

　　bootloader軟件設(shè)計流程如圖3所示。

　　MCU復(fù)位之后，進行系統(tǒng)初始化，配置系統(tǒng)時鐘和MSCAN，使能CPU全局中斷，然后等待上位機boot命令并檢查是否超時：如果在規(guī)定的500ms內(nèi)接收到了上位機請求進入boot的命令，則建立通信接收并解析得到行地址和字對齊的數(shù)據(jù)，接著判斷S19行地址空間，若是Flash地址且是第一次收到Flash數(shù)據(jù)，則將除bootloader程序之外的所有片上Flash擦除;若為EEPROM地址且是第一次收到EEPROM數(shù)據(jù)，則將全部EEPROM擦除;若是RAM地址，則不可擦除。對Flash地址的數(shù)據(jù)，在編程到Flash之前，還須將解析結(jié)果中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為Flash驅(qū)動所需的線性連續(xù)物理地址，并將數(shù)據(jù)進行4字對齊，以提高編程效率。依次逐行接收，解析并將結(jié)果燒寫到相應(yīng)地址的片上Flash/EEPROM/RAM中，直至整個應(yīng)用程序S19文件結(jié)束，最后復(fù)位外設(shè)、清除NVM驅(qū)動所在的RAM、關(guān)閉CPU全局中斷，結(jié)束bootloader跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序;如果在規(guī)定的500ms內(nèi)未收到上位機通過CAN發(fā)來的進入boot命令，則直接關(guān)閉CPU全局中斷，結(jié)束bootloader跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序。

2.3 應(yīng)用程序軟件設(shè)計

　　應(yīng)用程序設(shè)計時，需要保留bootloader所在的Flash空間并在系統(tǒng)初始化時設(shè)置IVOR=0xEF，將應(yīng)用程序中斷向量表偏移至0xEF80，使其與MCU復(fù)位后默認(rèn)的中斷向量表分開，從而執(zhí)行不同的外設(shè)中斷服務(wù)函數(shù)。

　　另外，需要將COP看門狗使能，在應(yīng)用程序主循環(huán)中正常喂狗，而在MSCAN接收中斷中對接收到的CAN消息ID進行判斷，若接收到Boot ID，則不喂狗，讓其溢出復(fù)位，從而進入bootloader。典型的應(yīng)用程序軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。

3 bootloader和應(yīng)用程序內(nèi)存分配及處理器專家配置

　　在bootloader工程中使用CodeWarrior 5.1 IDE自帶的內(nèi)核和外設(shè)圖形化配置和自動代碼生成工具--處理器專家(Processor Expert)配置外部8MHz晶振作為PLL參考時鐘，配置PLL倍頻輸出50MHz作為CPU運行時鐘，其二分配得到的25MHz作為總線時鐘頻率;MSCAN通信速率為500Kbit/s，使能接收中斷。配置0xF000~0xFEFF的3.8KB Flash作為bootloader存儲空間，堆棧大小為256B，保留0x3000到0x3FFF的4KB空間作為NVM驅(qū)動代碼的存儲和運行空間并將其初始化為0。系統(tǒng)RAM空間為0x2000到0x2FFF。

　　在應(yīng)用程序工程中，需要保留bootloader所在的Flash最后4KB空間，其余Flash空間全部可被應(yīng)用程序使用;對于RAM空間，則全部8KB都可以被用戶使用。而且必須保證其入口函數(shù)Entry_Point () 與bootloader中定義的應(yīng)用程序入口地址相同 (因為使用處理器專家生成的工程中，默認(rèn)從0xC000開始放置默認(rèn)中斷服務(wù)函數(shù)Cpu_Interrupt () 和匯編軟件延遲函數(shù)Cpu_Delay100US (), 其分別占2個字節(jié)和12個字節(jié)，然后才放置MCU復(fù)位中斷服務(wù)函數(shù)_EntryPoint () ，如果在處理器專家的CPU組件中未使能匯編軟件延遲函數(shù)，則應(yīng)將bootloader和應(yīng)用程序中的應(yīng)用程序入口地址由0xC00E改為0xC002 。

　　bootloader和應(yīng)用程序的內(nèi)存分配如圖5所示。

　　使用處理器專家CPU組件的編譯選項能夠非常方便的完成上述內(nèi)存分配并生成prm鏈接文件， bootloader內(nèi)存分配處理器專家配置結(jié)果如圖6所示。

　　生成相應(yīng)的鏈接文件為：

　　SEGMENTS

　　RAM = READ_WRITE 0x2000 TO 0x2FFF;

　　ROM_C000 = READ_ONLY 0xC00E TO 0xEFFF;

　　NVM_DRIVER_RAM = READ_WRITE 0x3000 TO 0x3FFF FILL 0x00;

　　BOOT_ROM = READ_ONLY 0xF000 TO 0xFEFF;

　　END

　　PLACEMENT

　　_PRESTART,

　　STARTUP,

　　ROM_VAR,

　　STRINGS,

　　NON_BANKED,

　　DEFAULT_ROM,

　　COPY INTO BOOT_ROM;

　　DEFAULT_RAM INTO RAM, NVM_DRIVER_RAM;

　　APP_ROM_ENTRY INTO ROM_C000;

　　END

　　INIT _EntryPoint

　　STACKSIZE 0x0100

4. 總結(jié)

　　本文針對NXP公司的S12 (X) 系列MCU在汽車ECU應(yīng)用中bootloader開發(fā)的實際需求，介紹了S12G128的片上NVM資源極其獨立驅(qū)動開發(fā)，提出并實現(xiàn)了一種基于CAN總線通信將NVM驅(qū)動程序由上位機下載到RAM中運行而非讓其駐留于MCU片上Flash的安全bootloader設(shè)計，有效避免了應(yīng)用程序跑飛運行至駐留于片上Flash的NVM驅(qū)動代碼所造成的程序/數(shù)據(jù)丟失失效。借助CodeWarrior 5.1 IDE的圖形化外設(shè)配置和自動代碼生成工具----處理器專家，便捷的實現(xiàn)了bootloader和應(yīng)用程序的內(nèi)存分配和片上外設(shè)配置。本設(shè)計提供完整設(shè)計工程和使用文檔，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)整車廠的要求修改CAN報文boot ID和命令，并增加相應(yīng)的UDP或者CCP協(xié)議棧即可快速開發(fā)出符合車廠要求的安全bootloader產(chǎn)品。

參考文獻：

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　　[2]孫同景. Freescale 9S12 十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2008，7.

　　[3]AN3784.Understanding the Memory Scheme in the S12(X) Architecture, Application Note. NXP Semiconductor, http://www.nxp.com. 2009.

　　[4]MC9S12G Family Reference Manual, Rev.1.25. NXP Semiconductor, http://www.nxp.com. 2014.

　　[5]Standard Software Driver for MC9S12G / MC9S12VR User’s Manual, Rev.3.1. NXP Semiconductor, http://www.nxp.com. 2012.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第73頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。