周 恒， 梁貴友， 柳 旭， 張建平， 周時(shí)瑩， 王 騰， 馬 骉

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，OTA功能已成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)［1-3］。常見OTA升級(jí)架構(gòu)是云服務(wù)器端通過TBOX 將升級(jí)包下載至車端緩存，由升級(jí)主控節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制器按照刷寫流程進(jìn)行升級(jí)更新［4-5］。陳祖銳等［6］采用將升級(jí)程序直接刷寫在應(yīng)用程序分區(qū)的升級(jí)技術(shù)，其局限性在于當(dāng)應(yīng)用程序升級(jí)失敗后，原分區(qū)里的程序已被擦除導(dǎo)致沒有程序可正常運(yùn)行，控制器將始終處于引導(dǎo)加載程序（Boot Loader）中無法正常工作。針對(duì)沒有可執(zhí)行的回滾程序問題，王棟梁等［7］采用在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部Flash 中存儲(chǔ)當(dāng)前版本的技術(shù)，當(dāng)升級(jí)失敗時(shí)網(wǎng)關(guān)會(huì)調(diào)用Flash 中的軟件再次進(jìn)行刷寫，此技術(shù)只針對(duì)RTOS傳統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制，并且存在網(wǎng)關(guān)內(nèi)存空間大且回滾邏輯繁瑣的缺點(diǎn)。嚴(yán)娟等［8］針對(duì)網(wǎng)關(guān)自升級(jí)將Flash 劃分為兩個(gè)相同區(qū)域，兩者功能上完全一樣互為備份，升級(jí)時(shí)只針對(duì)其中一個(gè)區(qū)域進(jìn)行升級(jí)，失敗時(shí)利用另一個(gè)區(qū)域進(jìn)行回滾，但是只針對(duì)Linux、QNX 和安卓等智能操作系統(tǒng)的控制器，RTOS 傳統(tǒng)控制器并沒有此類升級(jí)技術(shù)。

因此，針對(duì)現(xiàn)有RTOS 控制器只有1個(gè)分區(qū)［9］，且升級(jí)失敗造成無程序可回滾的問題，提出了一種雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)［10-11］?？紤]控制器內(nèi)存空間大小不同，設(shè)計(jì)了同面啟動(dòng)和異面啟動(dòng)升級(jí)技術(shù)。

該技術(shù)具有以下貢獻(xiàn)：

（1）針對(duì)如何管理分區(qū)的問題，設(shè)計(jì)了啟動(dòng)信息用于標(biāo)識(shí)雙分區(qū)屬性信息，選擇對(duì)應(yīng)的分區(qū)進(jìn)行刷寫升級(jí)、啟動(dòng)或回滾；

（2）在原芯片的基礎(chǔ)上通過外擴(kuò)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)同面啟動(dòng)的雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)，避免了芯片重新選型及硬件設(shè)計(jì)，減少了開發(fā)的工作量；

（3）設(shè)計(jì)了一種新的升級(jí)包選擇下載、安裝啟動(dòng)及回滾的異面啟動(dòng)雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)，優(yōu)化了升級(jí)包制作和刷寫流程，可以快速實(shí)現(xiàn)分區(qū)切換和軟件回滾。

1 雙分區(qū)定義

1.1 存儲(chǔ)空間分區(qū)

雙分區(qū)控制器除了引導(dǎo)加載程序分區(qū)外，一般需要激活分區(qū)（Active Slot）存放當(dāng)前執(zhí)行應(yīng)用程序，備份分區(qū)（Backup Slot）存放回滾舊版本程序，此外，還需要一個(gè)啟動(dòng)信息（Slot Info）分區(qū)，用于存儲(chǔ)激活分區(qū)和備份分區(qū)的相關(guān)屬性信息，硬件存儲(chǔ)空間如圖1所示。

1.2 控制器啟動(dòng)方式

引導(dǎo)加載程序需要根據(jù)啟動(dòng)信息來判斷當(dāng)前激活分區(qū)并引導(dǎo)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。該啟動(dòng)信息將在應(yīng)用程序的有效性判斷、下載刷新完成或版本回滾時(shí)進(jìn)行必要的狀態(tài)切換。啟動(dòng)信息關(guān)鍵屬性見表1。

表1 啟動(dòng)信息關(guān)鍵屬性

1.3 升級(jí)包的組成

對(duì)于純軟件實(shí)現(xiàn)雙分區(qū)的控制器，一般會(huì)有兩個(gè)起始地址不同的應(yīng)用程序分區(qū)，升級(jí)時(shí)需要兩個(gè)功能相同但起始地址不同的應(yīng)用程序。將兩個(gè)不同地址的應(yīng)用程序通過編譯合并后，生成一個(gè)大小為兩個(gè)程序分區(qū)的文件用于控制器的選取升級(jí)，如圖2所示。

圖2 雙分區(qū)升級(jí)包組成

2 雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)

2.1 同面啟動(dòng)升級(jí)技術(shù)

同面啟動(dòng)升級(jí)技術(shù)要求每次下載刷新及啟動(dòng)始終在片內(nèi)Flash 的激活分區(qū)進(jìn)行，設(shè)計(jì)的升級(jí)技術(shù)流程如下。

（1）控制器默認(rèn)出廠設(shè)置時(shí)激活分區(qū)和備份分區(qū)的軟件版本一致。

（2）控制器收到主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的0x31 01 FF 00擦除程序區(qū)指令時(shí)［13］，需先對(duì)比激活分區(qū)和備份分區(qū)程序版本號(hào)，如果不一致則需將激活分區(qū)中的程序復(fù)制到備份分區(qū)中。外擴(kuò)存儲(chǔ)器升級(jí)包下載流程如圖3所示。

圖3 外擴(kuò)存儲(chǔ)器升級(jí)包下載流程

（3）升級(jí)包下載刷新到激活分區(qū)后，啟動(dòng)信息屬性信息更新，控制器會(huì)先判斷激活分區(qū)程序有效性，如果激活分區(qū)程序有效，啟動(dòng)激活分區(qū)程序，并上報(bào)本次OTA任務(wù)升級(jí)成功。

（4）當(dāng)激活分區(qū)程序無效或安裝失敗時(shí)，利用備份分區(qū)程序復(fù)制到激活分區(qū)實(shí)現(xiàn)軟件版本回滾，升級(jí)流程及啟動(dòng)信息屬性更新變化如圖4所示。

圖4 同面啟動(dòng)升級(jí)流程

2.2 異面啟動(dòng)升級(jí)技術(shù)

異面啟動(dòng)是目前主流升級(jí)技術(shù)，控制器內(nèi)存空間滿足雙分區(qū)要求，主要分為基于SWAP AB 和基于非SWAP AB的雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)。

2.2.1 基于SWAP AB技術(shù)的下載流程

SWAP AB 技術(shù)是指利用地址重映射技術(shù)［13-15］將激活分區(qū)和備份分區(qū)的物理內(nèi)存地址進(jìn)行互換，保證了激活分區(qū)的地址始終保持固定，所以升級(jí)的重點(diǎn)在于如何管理下載刷新和分區(qū)切換，設(shè)計(jì)的升級(jí)下載流程如下。

（1）主控節(jié)點(diǎn)根據(jù)0x34 請(qǐng)求下載服務(wù)的起始地址和字節(jié)數(shù)，將升級(jí)包下載刷新到備份分區(qū)。

（2）當(dāng)升級(jí)包下載完成且校驗(yàn)通過后，啟動(dòng)信息屬性更新。

（3）控制器在進(jìn)行重啟或升級(jí)失敗回滾時(shí)，利用SWAP AB 技術(shù)將備份分區(qū)地址與激活分區(qū)地址互換，其下載流程如圖5所示。

圖5 基于SWAP AB技術(shù)升級(jí)包下載流程

2.2.2 基于非SWAP AB技術(shù)的下載流程

所謂非SWAP AB 技術(shù)是指控制器硬件上不支持兩個(gè)物理內(nèi)存地址的互換，而且控制器的激活分區(qū)和備份分區(qū)起始地址不同，所以設(shè)計(jì)的升級(jí)技術(shù)下載流程如下。

（1）由于控制器激活分區(qū)是Slot A 還是Slot B只有控制器可知，所以主控節(jié)點(diǎn)內(nèi)必須包含兩個(gè)內(nèi)存地址的升級(jí)包，升級(jí)包制作過程如圖2所示。

（2）在主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送0x31 01 FF 00 擦除指令前，控制器需將啟動(dòng)信息中備份分區(qū)的起始地址發(fā)給主控節(jié)點(diǎn)，由此確保擦除程序是備份分區(qū)程序。

（3）擦除成功后，由主控節(jié)點(diǎn)判斷選擇哪部分程序?qū)儆趥浞莘謪^(qū)并進(jìn)行下載刷新。

（4）當(dāng)升級(jí)包下載完成且校驗(yàn)通過后，重啟或升級(jí)失敗進(jìn)行軟件回滾時(shí)，啟動(dòng)信息中激活分區(qū)和備份分區(qū)狀態(tài)互換，下載刷新過程及啟動(dòng)信息狀態(tài)變化如圖6所示。

2.2.3 異面啟動(dòng)升級(jí)流程

升級(jí)包刷新成功后再判定激活分區(qū)程序有效性，如果激活分區(qū)中程序有效，則從激活分區(qū)啟動(dòng)執(zhí)行；如果程序初次判定無效，再次嘗試判斷，當(dāng)重復(fù)次數(shù)達(dá)到最大時(shí)說明程序無效，需要進(jìn)行程序回滾。

在進(jìn)行程序回滾時(shí)，控制器需先判斷備份分區(qū)中的程序有效性，當(dāng)判定無效次數(shù)達(dá)到最大時(shí)，則回滾失敗，控制器功能失效；如果備份分區(qū)中程序有效，更新啟動(dòng)信息屬性并啟動(dòng)回滾后的激活分區(qū)程序。具體異面啟動(dòng)升級(jí)流程如圖7所示。

圖7 異面啟動(dòng)升級(jí)流程

3 測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)測(cè)試環(huán)境主要分為ECU和上位機(jī)診斷儀系統(tǒng)［16-17］，系統(tǒng)框圖及實(shí)物分別如圖8～9所示。兩系統(tǒng)之間通過USB1、USB2接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸模擬主控節(jié)點(diǎn)刷新下載，其中，ECU側(cè)有一個(gè)KEY 按鍵控制LED 的閃爍，用于指示app的運(yùn)行情況。其中，USB1 用于引導(dǎo)加載程序的升級(jí)，USB2用于app中的通信。

圖8 雙分區(qū)升級(jí)測(cè)試框圖

圖9 雙分區(qū)升級(jí)測(cè)試實(shí)物

采用STM32H7 系列芯片驗(yàn)證升級(jí)技術(shù)，其內(nèi)部Nor Flash的存儲(chǔ)空間分區(qū)配置見表2。

表2 存儲(chǔ)空間分區(qū)配置表

3.2 測(cè)試驗(yàn)證方案

針對(duì)雙分區(qū)與傳統(tǒng)分區(qū)升級(jí)技術(shù)的差異點(diǎn)，設(shè)計(jì)測(cè)試用例時(shí)需要重點(diǎn)考慮升級(jí)異常時(shí)程序回滾功能的有效性、雙分區(qū)運(yùn)行的穩(wěn)定性等，測(cè)試類型主要分為正常系和異常系，主要測(cè)試用例及方法見表3。

表3 測(cè)試用例及方法

測(cè)試時(shí)先通過搭建的測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證單控制器升級(jí)回滾情況，通過后將開發(fā)的雙分區(qū)升級(jí)控制器安裝到實(shí)車上，利用目前上線運(yùn)營(yíng)的OTA整套升級(jí)系統(tǒng)，以及布置多控制器升級(jí)包來驗(yàn)證實(shí)車環(huán)境下失敗程序回滾功能。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)上述測(cè)試內(nèi)容和方法，利用搭建的系統(tǒng)及實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果（表4），每項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容至少需要正向測(cè)試50 次，且每次測(cè)試結(jié)果都滿足要求才能證明該項(xiàng)功能正常。

表4 雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，利用啟動(dòng)信息進(jìn)行分區(qū)管理，解決了升級(jí)啟動(dòng)分區(qū)選擇問題；針對(duì)外擴(kuò)存儲(chǔ)器不能啟動(dòng)執(zhí)行的問題，提出軟件復(fù)制備份的回滾機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)；針對(duì)異面啟動(dòng)中升級(jí)包下載的問題，提出備份分區(qū)信息讀取選擇下載技術(shù)，解決了下載的升級(jí)包與分區(qū)不對(duì)應(yīng)的問題。因此，上述技術(shù)解決了整個(gè)雙分區(qū)OTA升級(jí)流程中的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了RTOS控制器雙分區(qū)升級(jí)。

4 結(jié)論

本文提出了車載ECU 雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)，介紹了同面啟動(dòng)和異面啟動(dòng)的升級(jí)刷寫流程，通過開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性，得到的結(jié)論如下。

（1）對(duì)比異面啟動(dòng)升級(jí)中的兩種技術(shù)，發(fā)現(xiàn)具有SWAP AB 技術(shù)的芯片實(shí)現(xiàn)雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)的開發(fā)較簡(jiǎn)單，升級(jí)包傳輸時(shí)間更少，同時(shí)也減少了主控節(jié)點(diǎn)的判斷邏輯。目前，多數(shù)芯片都支持SWAP AB 技術(shù)，建議推廣使用基于SWAP AB 的異面啟動(dòng)升級(jí)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)控制器雙分區(qū)升級(jí)。

（2）同面啟動(dòng)升級(jí)中升級(jí)前備份或回滾時(shí)需要程序進(jìn)行復(fù)制，導(dǎo)致升級(jí)過程時(shí)間比較長(zhǎng)，帶給用戶體驗(yàn)不如異面啟動(dòng)升級(jí)技術(shù)，但是其優(yōu)點(diǎn)在于可基于原芯片實(shí)現(xiàn)雙分區(qū)升級(jí)技術(shù)，無需重新選型開發(fā)。

（3）通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)車不同控制器進(jìn)行大量的升級(jí)測(cè)試，驗(yàn)證了控制器雙分區(qū)升級(jí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和回滾時(shí)分區(qū)切換的有效性，同時(shí)得出控制器升級(jí)失敗的回滾成功率為100%。因此，該技術(shù)的應(yīng)用從根本上解決了因OTA升級(jí)失敗而導(dǎo)致車輛控制器功能失效的問題。