OTA與控制器

隨著特斯拉將OTA的功能引入到汽車中，汽車行業發生了新的范式革命，智能汽車相比傳統汽車成為新物種的存在，OTA不僅是汽車不斷成長的“生命通道”，更是成為了車企新商業模式的“黃金通道”。然而，OTA仍然面臨諸多挑戰，這需要匯集行業的智慧共同面對。

OTA到底對控制器做了什么？

現如今整車OTA是一個非常熱門的話題，無論是新勢力還是傳統主機廠都極力宣傳自己的OTA能力，但在cao sir看來，目前市面上所有的OTA都是不夠徹底的OTA，cao sir稱之為半OTA！

當廠家說OTA時他在說什么？

OTA：空中升級（ON THE AIR）是通過無線通訊網絡，實現對汽車控制器MCU里的軟件進行更新。

這里面有一個許多人搞混淆的問題，OTA更新MCU哪一部分的軟件？

要想回答這個問題需要我們首先得知道汽車控制器是什么！

汽車控制器本質上就是一個嵌入式系統的單片機MCU，可以完整實現特定的功能！

嵌入式單片機MCU的最大特點是，它的硬件結構會根據實現功能的差異而進行裁剪。（劃重點，此處很重要，后面要用到）

與強大的個人計算機（PC）不同的是，結構簡單功能單一的控制器單片機的內部軟件代碼有兩大類，一部分是操作系統、用戶數據、標定數據等代碼，統稱為應用程序（APP），另一部分則是運行引導程序（Bootloader）。

Bootloader是一段獨立的代碼(這段Boot代碼一般是出廠預置，或使用編程器燒錄的，通常只有1k或4k，通常是占用一塊獨立的Block，當系統上電之后，Bootloader可以進行：關閉WATCHDOG、改變系統時鐘、初始化存儲控制器、將更多的代碼復制到內存中等一系列初始化動作，然后再將操作系統內核制到內存中運行。簡單地說，Bootloader就是這么一小段程序，它在系統上電時開始執行，初始化硬件設備、準備好軟件環境，最后調用操作系統內核進入工作。與之對應的是PC中的BIOS。

由于Bootloader保存在Flash的首地址，MCU上電后，默認從Flash開始的第一個讀取棧指針，第二個字就是復位中斷的入口，并根據該指針進度復位處理函數中執行相應的函數，由于中斷向量表1尋找復位中斷處理函數指向Bootloader，所以必然首先進入Bootloader程序中中執行，進行初始化設置，然后再進入下一個中斷向量表2中執行APP程序的復位中斷處理函數。

Bootloader和APP應用程序在嵌入式存儲器中的位置如下：

由于我們所有的操作系統和用戶數據都放在APP程序中，通過更改這部分數據可以優化控制器的使用體驗，所以許多汽車廠家所謂對MCU進行固件更新（FOTA）實際上就是對MCU內存中的APP存儲區域進行刷寫。

如何進行刷寫？

刷寫（在線編程）目前有兩種實現方法：在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)。ISP一般是通過單片機專用的串行編程接口對單片機內部的Flash存儲器進行編程，而IAP技術是從結構上將Flash存儲器映射為兩個存儲體,當運行一個存儲體上的用戶程序時,可對另一個存儲體重新編程,之后將控制從一個存儲體轉向另一個。ISP和IAP很相似，都是不需要把芯片從板子上拔出來，就達到了用PC-MCU的編程接口(JTAG、串口、雙絞線、SPI等)搞定新版本的升級的目的，但是他倆又有著很大的不同。

IAP技術從結構上將Flash存儲器中APP程序運行區映射為兩個存儲體,當運行一個存儲體上的用戶程序時,可對另一個存儲體重新編程,之后將控制從一個存儲體轉向另一個。支持在應用編程（IAP）的芯片會將內存分3個程序區：1、引導程序區Bootloader，2、APP程序運行區，3、下載區。芯片通過串口接收到下載命令,進入引導區運行引導程序,在引導程序下將new code內容下載到下載區,下載完畢并校驗通過后，Bootloader控制擦除原程序并將下載區內容復制到2區,運行復位程序,則IAP完成。

IAP刷寫的好處是，在不改變引導程序區的前提下，對APP程序運行區進行編程，從而優化應用層的軟件的體驗。

為了方便實現IAP刷寫，ISO發布了統一診斷標準UDS（ISO14229），用于診斷儀（客戶端）和MCU（服務器）之間的會話控制、安全訪問、例程控制、DTC讀取，MCU軟件刷寫（軟件下載）等服務.

其中在編程會話模式下（Programming Session），先通過$31 01 FF 00指令將Flash中的APP數據擦除，再通過$34+$36服務指令可將軟件數據寫入到單片機的RAM中，再通過$31 01 02服務指令對內存進行確認，最后重新啟動MCU就完成了刷寫。

需要指出的是在數據傳輸層面，根據傳輸協議的不同分為基于控制局域網的診斷DoCAN（ISO15765）或者基于以太網的診斷DoIP（ISO13400）。

目前車輛的OTA的大致流程是：

首先云端服務器TSP通過無線通訊協議（DDS/MQTT）將要刷新的軟件發送給車輛網聯模塊T-BOX；

然后車輛網聯模塊T-BOX通過CAN或者Ehernet傳輸協議發給車輛網關GATEWAY；

第三步將車輛網關GATEWAY作為上位機，通過UDS診斷服務對MCU進行IAP刷寫；

最后一步，刷寫完成后，重新啟動，MCU運行新的APP軟件。

而ISP一般是通過單片機專用的串行編程接口直接對單片機內部的Flash存儲器進行編程。也就是將PC編譯完成的MCU可運行的二進制代碼文件通過尋址直接編程入MCU內相應的程序存儲器中。ISP刷寫不僅可以對APP程序進行在線編程，還可以對引導程序區Bootloader進行在線編程。

ISP刷寫的硬線連接框圖

由于不同MCU的Bootloader支持的刷寫方式以及MCU支持的通訊協議不同，導致ISP刷寫工具千花百樣。比如飛思卡爾嵌入式單片機常用P&E的Multilink刷寫工具，一端通過USB串口與上位機連接，一端通過SWD串口與單片機通訊，進入BDM模式刷寫。

P&G Mutilink刷寫工具

OTA的短板是無法對控制器的Bootloader進行刷寫

還記得前面說過的一句話么：嵌入式單片機的最大特點是，它的硬件結構會根據實現功能的差異而進行裁剪。

Bootloader的實現嚴重依賴于具體硬件，在嵌入式系統中硬件配置千差萬別，即使是相同的CPU，它的外設(比如Flash)也可能不同，所以不可能有一個Bootloader支持所有的CPU、所有的電路板。即使是支持CPU架構比較多的U-Boot，也不是一拿來就可以使用的(除非里面的配置剛好與你的板子相同)，需要進行一些移植。

目前整車上的控制器是由不同的供應商來提供，每個供應商都會根據自己控制器的功能特點，選擇最合適的嵌入式系統硬件。在產品的開發階段，工程師使用專用燒錄工具對MCU的程序進行燒錄；然而到了產品的生產階段或者售后階段，進行應用程序燒錄或升級操作的往往是生產線上的工人，他們不易掌握程序燒錄器的使用方法，貿然對Bootloader刷寫可能會造成MCU程序崩潰（變磚頭），因此在控制器開發完成以后，往往會把控制器的JTAG調試口封住以防軟件被窺視。

在OTA中，由于每個控制器的Bootloader不同，上位機（一般是網關）是不支持對所有控制器的Bootloader進行刷新的，只能基于CAN或者Ethernet通訊，使用UDS協議對MCU中的APP軟件進行刷寫。

例如在Bootloader程序中，要求在編程模式下支持UDS的$14清除故障碼的服務，就必須修改Bootloader程序，通過OTA就無法實現此功能。

未來，隨著域控制器或者中央控制器的發展，汽車控制器數量會減少，硬件配置則向個人電腦PC看齊，如果整車MCU能像PC那樣使用一套標準的配置主板，那么通過OTA對Bootloader進行刷寫有望成為現實！