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  隨著自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展及其在汽車中的廣泛應(yīng)用，行業(yè)對各汽車控制單元的安全高效數(shù)據(jù)更新提出了越來越高的要求。通過研究汽車領(lǐng)域?qū)CU更新需求和英飛凌AURIX? TC3xx系列A/B SWAP功能，以AURIX? TC3xx千兆以太網(wǎng)為媒介，TC387為載體研究如何實現(xiàn)OTA，并使用英飛凌AURIX? TC3xx HSM模塊有效提高OTA安全，驗證了當前熱門OTA技術(shù)。

  什么是OTA

  OTA：Over-the-Air Technology，即空中下載技術(shù)。

  OTA升級：通過OTA方式實現(xiàn)固件或軟件的升級。通過無線通信方式實現(xiàn)軟件升級，都可以叫OTA升級，比如無線以太網(wǎng)/藍牙等。

  HSM：Hardware Security Module 模塊保證刷寫的安全可靠。

  OTA 系統(tǒng)功能示意如圖1所示：

  圖1 系統(tǒng)功能示意圖

  幾種常見的OTA實現(xiàn)方式比較及優(yōu)勢分析

  在進行SOTA更新時，需要把舊的應(yīng)用程序擦除，把新的應(yīng)用程序?qū)懭?。常?guī)的實現(xiàn)方式需要分別開發(fā)BootLoader程序和APP程序，MCU上電先運行BootLoader，BootLoader根據(jù)情況選擇是否跳轉(zhuǎn)到APP和是否進行程序更新。具體來說有以下幾種方式：

  方案一

  BootLoader中內(nèi)置通訊協(xié)議棧，更新時，先向MCU發(fā)送指令使其跳轉(zhuǎn)到BootLoader，之后先擦除舊APP，在接收新APP的同時直接將其寫入Flash的APP運行地址處。該方案的優(yōu)點是不需要額外的Flash暫存數(shù)據(jù)，缺點是BootLoader代碼更復(fù)雜，且如果數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生中斷，舊的APP將不能被恢復(fù)。該方案更適合Flash容量較小的MCU。

  方案二

  更新程序時，由APP接收更新數(shù)據(jù)并暫存于Flash，再將APP更新標志位置位;MCU重啟時，BootLoader檢查更新標志位，如有效，則擦除舊的APP，再將暫存于Flash的新APP數(shù)據(jù)寫入APP運行地址處。該方案的優(yōu)點是更新數(shù)據(jù)的接收由APP完成，BootLoader不需要通訊協(xié)議棧，代碼量更小，且數(shù)據(jù)傳輸中斷時，原有APP不損壞。缺點是需要額外的Flash空間暫存更新數(shù)據(jù)。

  方案三

  在Flash中劃分出兩塊相同大小的區(qū)域，分為A區(qū)和B區(qū)，都用來存放APP，但同一時間下只有一個區(qū)的APP是有效的，分別設(shè)置一個標志位標識其有效性。初始狀態(tài)下先將APP寫入A區(qū)，更新的時候，將新的APP寫入B區(qū)，再把A區(qū)的APP擦除，同時更新兩個區(qū)的有效性標志位狀態(tài)。BootLoader中判斷哪個區(qū)的APP有效，就跳轉(zhuǎn)到哪個區(qū)運行。這種方法不需要重復(fù)拷貝APP數(shù)據(jù)，但最大的一個缺陷是AB區(qū)的APP程序運行地址不同，需要分別編譯，從而使得可應(yīng)用性大大降低。

  注釋：同時也可以將方案一和方案二相結(jié)合，即先采用方案一在BootLoader程序中內(nèi)置通訊協(xié)議棧，更新時，先向MCU發(fā)送指令使其跳轉(zhuǎn)到BootLoader。之后接收更新數(shù)據(jù)的時候，采用方案二的方法，先將數(shù)據(jù)暫存于Flash，待數(shù)據(jù)全部接收完成后再擦除舊的APP，寫入新的APP。結(jié)合方案一和方案二的優(yōu)點，且能在沒有APP或APP損壞的狀態(tài)下實現(xiàn)程序更新。缺點是BootLoader代碼量更大，F(xiàn)lash空間占用更大。

  英飛凌AURIX? TC3xx實現(xiàn)上述SOTA方案拓撲圖，如圖2 所示：

  圖2 TC3xx實現(xiàn)SOTA方案常見拓撲圖

  經(jīng)過上面的分析，可以看到幾種常見方案都有其優(yōu)缺點。但對于TC3xx這一類的MCU來說，F(xiàn)lash容量通常都很大，足夠用，所以通?？梢韵劝袮PP暫存下來再進行更新，防止數(shù)據(jù)傳輸中斷導(dǎo)致APP不可用。

  同時AURIX? TC3xx也支持AB SWAP功能。以方案三為例：TC3xx系列如果使能SOTA功能，它的AB Bank Flash物理地址支持兩種不同物理地址映射到同一個邏輯地址方式(MCU自動從兩種物理地址映射一個虛擬地址)，從而使得APP編譯時不需要區(qū)分AB區(qū)，使用相同的邏輯地址即可，從而避免了方案三的硬傷，為我們提供了一種最佳的SOTA方案。接下來，我們將以方案三作為基礎(chǔ)，結(jié)合實例詳細講解使用英飛凌AURIX? TC3xx如何實現(xiàn)更優(yōu)的SOTA。

  推薦的OTA實現(xiàn)方式詳解

  TC3xx的Flash地址映射方式

  首先， TC33x和TC33xED不支持AB SWAP功能，其他TC3xx設(shè)備都能夠通過AB SWAP功能實現(xiàn)SOTA軟件更新。

  TC3xx 如果使能了AB SWAP功能，F(xiàn)lash大小實際能用的最少減半，TC3xx各系列AB SWAP能力如圖3所示。

  圖3 TC3xx支持AB SWAP功能芯片系列及映射關(guān)系

  啟用SOTA功能時，通過將PFLASH拆分為兩A和B兩個Bank的能力，其中一組可以讀取和執(zhí)行BANK組，而另一組可以寫入新代碼。因此雖然單個物理PFLASH Bank中不支持同時讀寫(RWW)功能，但是通過AB分組支持未使用的BANK組提供安全可靠地對數(shù)據(jù)執(zhí)行寫入和擦除操作的能力來實現(xiàn)SOTA功能。

  舉例TC387 AB SWAP特性

  為了方便理解英飛凌TC3xx SOTA 功能，我們以TC387為例進行分析。TC387 PFLASH 10M空間映射關(guān)系，使能了AB SWAP后，實際使用大小為4M，如圖4所示：

  圖4 TC387 PFLASH 映射關(guān)系以及可用PFLASH大小

  TC387的4M PFlash地址空間無論是A Bank還是B Bank, 對于用戶來說，統(tǒng)一為虛擬地址0X80000000-0x803FFFFF 4M地址空間。但是刷寫過程中， A bank實際操作物理地址0X80000000-0x803FFFFF 4M空間，B Bank 實際操作物理地址0X8060 0000-0x80AF FFFF 4M空間。

  注意，如果使能了AB SWAP功能，TC3xx PFLASH就沒有所謂Local PFLASH和Global PFLASH概念，統(tǒng)一理解為Global PFLASH。CPU訪問PFLASH由之前的CPUx可以通過Local總線訪問本PFLASHx提高訪問速度，變?yōu)镃PUx訪問PFLASH只能通過Global總線從而稍微增加了CPU訪問PFLASH時間。具體參考圖5所示。

  圖5 SOTA功能使能后只能通過Global總線訪問PFLASH

  TC3xx的SOTA功能描述

  當TC387 SOTA功能激活時，PFLash被劃分為兩部分A Bank和B Bank，一部分用來存儲讀取可執(zhí)行代碼(active bank)，另一部分可用來寫入(inactive bank)即刷寫。當APP更新完畢后，兩個部分互換，即切換上面兩種地址映射方式。在標準模式下使用PF0-1作為active bank，后文稱作組A，在Alternate模式下使用PF2-3作為active bank，后文稱作組B，就可以實現(xiàn)第二章節(jié)所述方案三，且能寫入完全相同的APP程序，以相同的地址(邏輯地址)進行運行。

  需要注意的是，所有NVM操作都是通過DMU使用PFLASH的物理系統(tǒng)地址執(zhí)行的，也就是說，NVM操作總是使用標準的地址映射，而不管選擇使用哪種地址映射?！癗VM操作”是一個術(shù)語，用于任何針對FLASH的命令，如程序、擦除等，但不包括讀取代碼。有關(guān)SOTA地址映射的參數(shù)在Flash中的UCB(User Configuration Block)中進行配置，在UCB中配置后，只有當下次MCU復(fù)位的時候才會更新配置，后文會有詳細解釋。

  TC3xx的SOTA功能實現(xiàn)詳解

  實現(xiàn)SOTA功能所需關(guān)注配置項

  英飛凌AURIX? TC3xx實現(xiàn)SOTA功能主要需要配置如圖6所示：

  圖6 SOTA功能所需關(guān)注配置項

  SOTA模式使能UCB_OTP.PROCONTP.SWAPEN，該參數(shù)決定是否開啟SOTA模式，在寄存器Tuning Protection Configuration中的SWAPEN進行配置，對應(yīng)UCB定義如下：

  使能AB SWAP功能的UCB定義(UCB32-39是ORIG, 40-47 COPY，建議全部都需要配置，內(nèi)容可以一樣。)如下：

  配置UCB_SWAP_ORIG/UCB_SWAP_COPY中的UCB_SWAP_ORIG_MARKERLx/UCB_SWAP_COPY_MARKERLx，激活下一次reset需要運行的標準(0x00000055)還是備選(0x000000AA)地址。在寄存器SCU_SWAPCTRL中，可以查看當前激活的是標準還是備選地址。

  我們參考下面關(guān)于SOTA功能實現(xiàn)的UCB，內(nèi)容定義：

  同1描述UCB塊，只要使能了SOTA就會自動禁止CPU通過本地總線訪問PFLASH功能，紅色方框中寄存器值自動為1，即禁止。

  SOTA功能實現(xiàn)時SWAP配置及流程

  SOTA功能應(yīng)用時：分系統(tǒng)剛啟動時SWAP配置和系統(tǒng)運行時SWAP配置。

  系統(tǒng)啟動時SWAP配置：

  如果SOTA功能使能，那么代碼生成的文件至少需要刷進Active Bank。為了信息安全，建議通過UCB_PFLASH設(shè)置相應(yīng)的sectors讀寫保護。

  起始地址需要在UCB_BMHD配置好。

  如果當前選擇的是標準地址，那么0x00000055H需要寫入UCB_SWAP的MARKERL0.SWAP這個域。然后通過把MARKERL0.SWAP的地址寫入MARKERH0.ADDR予以確認;同時，將CONFIRMATIONL0.CODE的地址寫入CONFIRMATIONH0.ADDR;同時，將57B5327FH寫入57B5327FH予以確認。

  UCB_ OTP一次性刷寫保護以設(shè)置所需的OTP、WOP和標定保護。請注意，任何受OTP或WOP保護的扇區(qū)都不能使用新映像重新編程。

  如果使能了HSM，主核代碼和HSM代碼需要同時刷入到AB bank的PFLASH S0-S39。

  任何受OTP保護的HSM扇區(qū)都不能使用新映像重新編程。

  最后，由于SWAPEN是在UCB_OTP里面設(shè)置的，所以要在下一個重啟后SOTA的使能才有效。具體流程，參考圖7所示：

  圖7 系統(tǒng)剛啟動時SWAP配置及流程

  系統(tǒng)運行時SWAP配置：

  下面是程序正在運行時，需要實現(xiàn)軟件SWAP到新程序的配置流程。

  為了可以正確切換到新程序中，首先新的程序需要刷到對應(yīng)的非激活的PFLASH Bank，如果非激活的BANK中對應(yīng)的sectors使能了讀寫保護，那么刷寫之前要先解保護。

  切記：由于NVM特性，PFLASH 和DFLASH不能同時操作。因此，在應(yīng)用程序中運行的EEPROM驅(qū)動程序和執(zhí)行BOOT刷寫之間需要進行一些協(xié)調(diào)。確保要寫入的新程序所用的的PFLASH正確無誤。例如：如果在PFLASH的SOTA重新編程/擦除期間出現(xiàn)硬故障，可以使用替換邏輯扇區(qū)功能(有關(guān)更多詳細信息，請參閱DMU章節(jié))。此功能允許用戶使用“替換邏輯扇區(qū)”命令序列將故障邏輯扇區(qū)映射到冗余扇區(qū)。

  由于UCB刷寫次數(shù)的限制(100次)，我們可以通過16 個SWAP配置依次使用來增加SWAP的次數(shù)(100*16=1600次)。方式流程如下圖8所示：

  注意：上一次用過的配置，CONFIRMATIONL(x-1) ) 和CONFIRMATIONH(x-1) 全寫為1。

  增加SWAP次數(shù)，可以通過UCB_SWAP_ORIG/UCB_SWAP_COPY配置如下寄存器：

  增加SWAP次數(shù)方法流程如圖8所示：

  圖8 增加SWAP次數(shù)方法流程

  新的配置寫好后，選擇下一次要激活的程序，等下一次重啟即運行新刷寫的程序。詳細流程如圖9所示：

  圖9 系統(tǒng)運行時SWAP配置

  總結(jié)

  TC3xx SWAP特性實現(xiàn)OTA功能后，特別注意以下五點：

  ●Flash大小實際能用的最少減半，詳情參考圖3。

  ●CPU訪問Flash只能通過Global總線從而稍微增加了訪問時間，參考圖5。詳細參數(shù)請查相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊。

  ●PFLASH的prefetch功能被禁止，同樣會稍微影響整個系統(tǒng)的性能。

  ●功能安全方面：Active Bank 的safety_endinit保護依舊存在，但是Inactive Bank的safety_endinit保護無效。

  ●信息安全方面：Active Bank 和Inactive Bank同樣受信息安全相關(guān)寄存器的保護。