基于S32K148 的車輛網關CAN Bootloader開發與實現

袁 鋒，丁元章，張 偉，蔡定江

（1.長三角新能源汽車研究院有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.長三角電驅動科技鹽城有限公司，江蘇 鹽城 224000）

車輛網關（GateWay，GW）為純電動乘用車的重要零部件，在車輛數據協議實現與數據傳輸上起著關鍵作用。如果控制數據協議升級，車輛網關則需要相應的程序更新，傳統工具下載升級效率差，所以Bootloader的開發就顯得尤為重要［1-2］。Bootloader是固化在微處理器內部Flash特定位置的一段程序代碼。每次處理器啟動都會運行Bootloader，它會檢查是否有來自CAN總線的程序下載請求，如果有則進入Bootloader下載模式，進行程序下載，并校驗其完整性，最終完成應用程序的更新；如果沒有來自總線的程序下載請求，則跳轉至原有應用程序執行［3-5］。

本文采用NXP S32DS IDE集成開發環境S32 Design Studio for S32 Platform 3.4完成基于Cortex-M4F內核S32K148處理器CAN Bootloader軟件開發，程序調試器采用SUGGER JLlink V6.9。上位機開發采用Visual Studio 2010實現，通信CAN控制器采用USBCAN-E-mini實現。

1 Bootloader系統設計

1.1 Bootloader原理

Bootloader是車輛網關啟動時完成加載引導程序執行的代碼。Bootloader一般有兩種工作模式：①啟動加載模式，該模式下Bootloader作用是將之前存儲在存儲器中的應用程序加載到RAM中去執行；②下載模式，本文研究的重點，主要功能是下載應用程序，將程序先存在RAM中，再刷寫至Flash等固態存儲器中完成程序的下載。本文Bootloader系統采用的是基于上位機（PC作為上位機）、CAN控制器（USBCAN-E）和基于S32K148處理器的車輛網關（下位機）的結構，上位機發送的數據經CAN控制器傳送至車輛網關模塊。同樣，當網關模塊接收到應答后，會通過CAN控制器將數據發送至上位機，其結構如圖1所示。

程序進入Bootloader模式一般有以下兩種方式。

1）通過判斷處理器某個引腳電平的高低，識別電平高低狀態，軟件判斷執行應用程序或進入Bootloader下載模式。

2）通過設置標志位判斷，需要PC上位機與CAN控制器總線數據配合，識別特定的CAN數據格式、標識符和字節數據，軟件判斷執行應用程序或進入Bootloader下載模式。

本文采用方式2實現，該方式雖然在軟件處理上稍顯復雜，需要PC上位機與下位機之間的數據和時序的配合。但是相較于方式1，不需要引出單獨的引腳，可以減少使用一個I/O口，在整車應用上具有一定的便利性，且節省了I/O資源。

圖1 Bootloader結構圖

1.2 存儲器的分配

S32K148微處理器包含各種存儲器和內存映射外設，它們位于一個32位連續地址空間中，地址空間統一編址。該芯片具有3×512KB P-Flash空間，分配地址段為0x00000000～0x0017FFFF。Bootloader在此空間實現，分配地址0x00000000～0x00007FFF為Bootloader代碼存儲空間，大小為32KB，其余的P-Flash空間為應用程序使用。

2 Bootloader軟件設計

2.1 CAN模塊配置

S32K148處理器具有3個獨立的CAN模塊，可用來實現Bootloader的數據傳輸和狀態控制功能。其具有3路FlexCAN模塊，均可配置為CAN或CAN-FD工作模式。因目前車輛CAN總線大多還處于CAN工作模式，本文基于CAN模式采用CAN0 來實現。主要配置如下。

1）配置時鐘寄存器為外部16MHz晶振時鐘，并開啟時鐘門。

2）配置為CAN模式。

3）設置數據幀格式為標準幀，波特率為500kb/s。

4）配置采用中斷方式。

2.2 Flash模塊配置

Flash模塊的配置是Bootloader實現的重要一環，需要對相關寄存器進行配置。對Flash模塊編程主要涉及Flash初始化、Flash擦除與編程寫入操作，本文選用的S32K148微控制器Flash存儲空間為0x00000000～0x00007FFF，主要配置如下。

1）配置Flash時鐘源為內部SPLLDIV2時鐘，頻率為20MHz，并開啟時鐘門。

2）P-Flash的擦除方式為扇區擦除，芯片采用的是交叉訪問方式實現，最小擦除扇區為4KB，需在Flash驅動中進行相應設置，執行擦除指令時，需配置FCCOB0為0x09，擦除完成之后，方可對Flash執行寫命令。

3）P-Flash在FTFC->FCCOB寄存器中配置相應命令，實現Flash的編程寫入。FCCOB0為命令寄存器，可用來配置編程、擦除等命令。通過配置FCCOB0=0x07實現編程功能。一次編程的字節數為8個字節。編程地址和數據存儲在FCCOB1～FCCOB11寄存器中。

2.3 應用程序配置

在前文中提到Bootloader是固化在整車網關等ECU微控制器的內部Flash中某特定位置的一段程序代碼，應用程序同樣也是存儲在內部Flash中，兩者共同占據Flash存儲空間。所以二者的存儲地址要正確分配，避免重疊。

在本文中，Bootloader存放在0x00000000～0x00007FFF地址空間中。在LinkFiles文件中修改如下。

2.4 S19文件的生成

S19文件是NXP微控制器的程序刷寫文件，一般由開發環境自動輸出，具有特定的格式［6-7］。在不同的芯片和編譯環境中，其生成的文件不同。如MC9S12系列的編譯器Code－Warrior 5.2中，其生成文件的后綴為.s19，在MPC56系列編譯器CodeWarrior 2.10中，其生成的文件后綴為.mot，本文使用的S32 Design Studio生成的S-format 格式的文件后綴為.srec。雖然后綴名不同，其均具有相同的數據格式，簡述如下。

取生成的S19文件的中幾行記錄加以說明。

1）“S0”它是S文件的第一行數據，主要表示S文件的路徑以及文件名信息。

2）“S1”表示該行是一條S1類型的數據，數據13表示該行記錄有0x13個字節（包括2字節地址、16字節的數據、1字節校驗）。

3）“8000”表示該行記錄的地址信息。

4）“00F00120118400007984000079840000”表示該行S1類型數據的數據信息。

5）“CC”是該行數據的最后一個字節，表示該行記錄的校驗值。

本文采用S32 Design Studio進行開發，下文就在該環境下生成S19文件進行說明和討論。S32 Design Studio可以經過簡單的配置選擇，即可以生成S-format輸出文件。前文表述，S-format中的程序信息是由S1、S2或S3等行記錄組成。S1文件代表行記錄中2字節的地址域，S2文件代表行記錄中3字節的地址域，S3文件代表行記錄中4字節的地址域。通過實踐發現，在默認情況下，S32 Design Studio根據程序地址空間以及代碼規模自動選擇生成S1、S2或S3格式行記錄。這樣對我們在Bootloader開發中，進行上位機開發中帶來了不便。

為解決上述問題，在開發中，根據芯片的地址寬度為32位的特點，實現在將S19代碼生成或轉換為S3格式。實現方式有以下兩種。

1）在S32 Design Studio中設置，強制生成S3格式行記錄。

2）在S32 Design Studio中保持默認，通過上位機實現S1、S2向S3格式的轉換。

本文采用方式2，在上位機中軟件編程實現格式的轉換，便于工具的一致性和通用性。

示例如圖2與圖3所示。

圖2 生成S19文件

圖3 S3格式上位機轉換

3 Bootloader的軟件流程（圖4）

系統啟動后，初始化系統時鐘、Flash模塊、CAN模塊和控制變量。初始化完成后，進入主程序運行，定時接收Bootloader連接數據幀。當接收到特定的數據幀并連接成功后，進入Bootloader下載模式，執行應用程序刷寫循環。刷寫完成后，跳轉到應用程序起始地址執行。本文中的應用程序初始地址位0x00008000。

整個Bootloader流程如圖4所示。

圖4 Bootloader流程圖

下面給出本文上位機與基于S32K148處理器的下位機具體的通信過程，通過CAN通信口將S19記錄文件寫入網關ECU中。

1）上位機端開啟，加載并轉換記錄文件，點擊啟動連接，持續發送報文ID=0x64，data0=0xFF至下位機。下位機上電初始化，初始化完成后。進入計時循環，并中斷接收上位機報文，與上位機建立通信連接。若連接成功，回復ID=0xC8，data0=0x01至上位機，否則跳轉到應用程序起始地址執行。

2）連接成功，下位機執行擦除指令，擦除Bootloader所在地址之外的地址空間。

3）擦除完成，下位機發送當前狀態ID=0xC8，data0=0xC1至上位機，上位機開始逐行讀取S19文件行記錄，并發送至下位機，一行發送完成，上位機發送ID=0x64，data=0xFE。

4）下位機接收到一行完成標識，對接收到的數據進行校驗。

5）數據校驗成功后，執行Flash寫入操作，將S19文件行記錄中的數據寫入地址。行寫入完成，ID=0xC8，data=0xC3至上位機，表示一行數據接收并寫入完成。

6）循環執行行記錄接收、校驗和行編程。

7）上位機發送ID=0x64，data=0xFD，表示整個S19文件發送完成。

刷寫過程如圖5所示。

圖5 刷寫過程示例圖

4 結論

本文介紹了基于S32K系列微控制器S32K148，采用CAN總線技術，通過NXP S32DS IDE工具進行Bootloader相關的開發與實現。系統通過識別特定的CAN數據格式、標識符和數據字符選擇進入下載模式或者執行應用程序［8］。Bootloader與上位機通過固定ID的CAN幀進行交互反饋，可以成功地完成S19文件的下載并將其刷至目標Flash模塊中，便于系統升級。此外，本文了基于S32K148芯片的開發過程對于其它基于S32K系列Bootloader的開發也有一定的借鑒作用。當然本文也存在著需要進一步改進的地方，如采用UDS 14229協議傳輸S19文件和采用基于CAN-FD的Bootloader開發，這是后續開發的方向。