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        英飛凌AURIX? TC3xx系列以太網OTA技術
        2022-11-25 2201次

          隨著自動化、智能化、網絡化的發展及其在汽車中的廣泛應用,行業對各汽車控制單元的安全高效數據更新提出了越來越高的要求。通過研究汽車領域對ECU更新需求和英飛凌AURIX? TC3xx系列A/B SWAP功能,以AURIX? TC3xx千兆以太網為媒介,TC387為載體研究如何實現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。


          什么是OTA







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

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

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

          OTA 系統功能示意如圖1所示:



          圖1 系統功能示意圖


          幾種常見的OTA實現方式比較及優勢分析

          在進行SOTA更新時,需要把舊的應用程序擦除,把新的應用程序寫入。常規的實現方式需要分別開發BootLoader程序和APP程序,MCU上電先運行BootLoader,BootLoader根據情況選擇是否跳轉到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中內置通訊協議棧,更新時,先向MCU發送指令使其跳轉到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。該方案的優點是不需要額外的Flash暫存數據,缺點是BootLoader代碼更復雜,且如果數據傳輸發生中斷,舊的APP將不能被恢復。該方案更適合Flash容量較小的MCU。


          方案二

          更新程序時,由APP接收更新數據并暫存于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數據寫入APP運行地址處。該方案的優點是更新數據的接收由APP完成,BootLoader不需要通訊協議棧,代碼量更小,且數據傳輸中斷時,原有APP不損壞。缺點是需要額外的Flash空間暫存更新數據。


         方案三

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

          注釋:同時也可以將方案一和方案二相結合,即先采用方案一在BootLoader程序中內置通訊協議棧,更新時,先向MCU發送指令使其跳轉到BootLoader。之后接收更新數據的時候,采用方案二的方法,先將數據暫存于Flash,待數據全部接收完成后再擦除舊的APP,寫入新的APP。結合方案一和方案二的優點,且能在沒有APP或APP損壞的狀態下實現程序更新。缺點是BootLoader代碼量更大,Flash空間占用更大。

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



          圖2 TC3xx實現SOTA方案常見拓撲圖


          經過上面的分析,可以看到幾種常見方案都有其優缺點。但對于TC3xx這一類的MCU來說,Flash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,防止數據傳輸中斷導致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編譯時不需要區分AB區,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,結合實例詳細講解使用英飛凌AURIX? TC3xx如何實現更優的SOTA。


          推薦的OTA實現方式詳解

          TC3xx的Flash地址映射方式

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

          TC3xx 如果使能了AB SWAP功能,Flash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據執行寫入和擦除操作的能力來實現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,變為CPUx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,就可以實現第二章節所述方案三,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的物理系統地址執行的,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SOTA地址映射的參數在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功能實現詳解

          實現SOTA功能所需關注配置項

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



          圖6 SOTA功能所需關注配置項



          SOTA模式使能UCB_OTP.PROCONTP.SWAPEN,該參數決定是否開啟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。


          我們參考下面關于SOTA功能實現的UCB,內容定義:















          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功能實現時SWAP配置及流程

          SOTA功能應用時:分系統剛啟動時SWAP配置和系統運行時SWAP配置。


          系統啟動時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設置相應的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扇區都不能使用新映像重新編程。

          最后,由于SWAPEN是在UCB_OTP里面設置的,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 系統剛啟動時SWAP配置及流程


          系統運行時SWAP配置:

          下面是程序正在運行時,需要實現軟件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的非激活的PFLASH Bank,如果非激活的BANK中對應的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,在應用程序中運行的EEPROM驅動程序和執行BOOT刷寫之間需要進行一些協調。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/擦除期間出現硬故障,可以使用替換邏輯扇區功能(有關更多詳細信息,請參閱DMU章節)。此功能允許用戶使用“替換邏輯扇區”命令序列將故障邏輯扇區映射到冗余扇區。

          由于UCB刷寫次數的限制(100次),我們可以通過16 個SWAP配置依次使用來增加SWAP的次數(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,可以通過UCB_SWAP_ORIG/UCB_SWAP_COPY配置如下寄存器:











          增加SWAP次數方法流程如圖8所示:


          圖8 增加SWAP次數方法流程


          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 系統運行時SWAP配置


          總結

          TC3xx SWAP特性實現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。詳細參數請查相應的數據手冊。

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

          ●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寄存器的保護。

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