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CPAUTOSAR中的FOTA技术栈

原创 汽车电子与软件 2024-12-24 08:08
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作者：不可说
出品：汽车电子与软件


#01
CP与FOTA
   
FOTA（Firmware Over-The-Air）是一种通过无线网络远程更新车辆中的软件的技术。

随着安全要求的不断提升以及分布式、互联功能带来的软件复杂性日益增加，车辆系统需要频繁保持最新状态。为了减少因软件更新而带来的耗时和重复前往维修厂的麻烦，应通过FOTA技术向车辆推送软件更新。

CP AUTOSAR对FOTA的支持主要体现在以下几个方面：

  • 软件包管理：CP AUTOSAR提供了一套丰富的软件包管理功能，以支持FOTA。这些功能包括软件包的下载、验证、存储和安装。车辆可以通过无线网络接收到新的软件包，并使用CP AUTOSAR提供的安全机制进行验证，以确保软件包的完整性和可靠性。验证通过后，软件包可以被存储在车辆的存储器中，准备进行更新。

  • 更新过程执行：CP AUTOSAR定义了FOTA更新过程的执行流程。这包括检测新的软件包、下载软件包、安装软件包以及更新后的验证等步骤。在更新过程中，CP AUTOSAR提供了数据完整性和安全性的保障，以确保软件包的正确性和可靠性。

不过，CP AUTOSAR自身是不直接支持OTA的。这意味着要更新在CP AUTOSAR上运行的应用程序，就必须更新整个ECU的代码。通过其他控制器对运行CP AUTOSAR的控制器进行更新，并不被视为CP AUTOSAR自身的OTA功能。
             


#02
FOTA简介
  
FOTA引入了一种通用机制，允许在车辆运行时更新ECU（电子控制单元）软件。当当前ECU软件正在执行且功能完全正常时，新的ECU软件应在后台进行打包准备。在安装过程中，必须验证新软件的真实性和完整性。一旦验证通过，ECU应能启用新的软件版本。不过，软件的启用需要ECU进入一种特殊模式，因此在车辆行驶过程中不得启动或执行新软件的启用操作。启用新软件应在确保车辆安全的状态下进行，比如车辆静止、发动机熄火且已施加驻车制动时。

如果在启用新软件的过程中或之后发现异常或错误，ECU应具备内部回滚功能，即能够恢复到之前的软件版本。这意味着之前的软件会保留在ECU上，并可以随时重新启用。
         

 

不同的无线技术（UMTS、LTE、蓝牙、WiFi、5G）可用于将车辆连接到后端/云系统，以提供将软件下载到车辆的能力。通过CAN、CAN-FD、Flexray或汽车以太网等车辆总线，将新软件分发到需要更新的目标ECU。
         

 

如今，大多数ECU都具备更新升级功能。通常，这种软件更新的实现接口采用闪存引导加载程序的形式，并且支持通过OTA技术更新主ECU。可以通过将软件更新任务从外部诊断仪发送到已连接的车载ECU（作为OTA-Master）上，来实现无线的软件更新。从目标ECU的角度来看，无论是通过传统的诊断仪还是通过OTA-Master进行更新，整个过程都十分便捷。
         

 

这种方法涉及几个重要方面，需要在实施过程中仔细考虑（以下针对单分区升级方案）：

首先，从功能角度来看，在整个软件更新过程中，目标ECU将无法正常运行，这通常意味着整个车辆在软件更新期间会处于不可用状态。   

其次，在分布式电子电气架构中，由于多个ECU需要在一次更新活动中同步更新，与单独更新一个ECU相比，车辆的不可用时间可能会更长。

再者，如果在安装新软件的过程中或之后出现问题，虽然可以通过OTA主控端启动并重新安装之前的软件来进行修复，但这一操作会进一步延长车辆的不可用时间，并有可能导致ECU功能完全失效。

此外，如果需要进行软件回滚，那么与更新相关的所有依赖ECU也必须同步进行回滚操作。

最后，采用这种方法时，我们还需要特别注意电池的剩余容量，以确保更新过程的顺利进行。



#03
FOTA流程
  
FOTA的整体更新过程可分为几个阶段，可以参考如下图示：


FOTA升级过程图示

1. Update  


术语“（FOTA）update”用于表示 ECU 的整个更新过程（如果是其他依赖 ECU 更新，则表示多个 ECU）。它包含下面描述的所有任务，例如download, installation, verification, activation等。如有必要，可以将回滚功能视为更新过程的一部分。

2. Download  


下载镜像是指将FOTA目标ECU的完整更新所需的ECU软件、数据和配置从后端服务器传输到FOTA主节点，即FOTA的Master ECU。   

3. Installation  


Installation是指将待更新的ECU软件从FOTA主节点ECU转移到FOTA目标ECU。由于一次将整个ECU软件完全传输到FOTA目标ECU并不方便，因此该过程是使用数据块实现的。当没有更多块要传输到FOTA目标ECU并且所有块都已成功写入内存堆栈时，安装过程就完成了。

此外，安装过程还包括FOTA目标ECU内的flash驱动程序将软件实际写入非活动目标分区。

4. Verification  


Verification验证过程是要确保更新的ECU软件的正确性。这只会影响相应FOTA目标ECU中的普通ECU软件（例如镜像或者差异化更新）。

5. Activation  


Activation激活过程是ECU引导分区的实际启动操作。对于采用不可切换内存架构的ECU，比如那些使用外部闪存或固定多分区内存的ECU，这个过程还涉及到从临时存储（例如外部闪存）到内部闪存的复制。一旦确认了前一个ECU软件版本的备份，激活过程即告完成。新安装的软件必须在车辆处于安全状态时才能最终激活，开发者有责任确保车辆在这种安全状态下进行操作。

6. Rollback  


在回滚过程中，必须恢复之前运行软件的所有ECU和用户数据。回滚完成后，ECU软件和用户数据必须与整个更新过程开始之前没有差异。   




#04
FOTA技术架构
 

FOTA 流程中所有相关组件和模块的架构概述

整体 FOTA 架构设计如上图所示，包括：

  • FOTA Target ECU

它接收从 FOTA Master刷写的 ECU 软件，并将软件写入到内存堆栈（实际的 ECU 软件烧录过程）；

  • FOTA Master ECU

缓存所有新的 ECU 软件工件，以发送到 FOTA 目标 ECU；

  • 后端服务器

为 FOTA Master ECU 提供要安装到 FOTA Target ECU 的镜像；

1. FOTA Target ECU  


由于FOTA处理程序规范目前仍在发展阶段，尚未涵盖和明确定义所有功能，因此现阶段将其视为CDD。如果未来FOTA的功能集增长到足够复杂，足以构成一个独立的BSW模块时，AUTOSAR可能会考虑定义FOTA BSW模块。
   
由于 AUTOSAR Dcm 模块实现了UDS诊断协议，因此直接提供了许多有用的功能以实现FOTA功能。对于FOTA程序，可以有如下的功能实现：

  • 会话处理

  • 安全访问

  • 身份验证

  • 服务处理（用户工作），例如：

  • 0x22/0x2E Read/WriteDataByIdentifier

  • 0x31 路由控制

  • 0x34 RD/0x36 TD/0x37 TE（请求下载/传输数据/传输退出）

  • 错误处理

  • 检查更新升级条件

  • 重置/重启 ECU
         

 

Nv Data

在AUTOSAR中，NvM模块主要负责管理数据闪存，包括用户数据、标定数据、错误记录、快照以及ECU软件的其他运行时数据。这些数据会被组织成所谓的NvDataBlock。NvM模块提供了功能接口，允许读取、写入或删除这些数据块。

为了迁移或修改NvData，应当使用NvM模块提供的功能，而不是直接操作数据闪存。这是因为FOTA（固件空中升级）的Master和Target端都不应直接与数据闪存交互，以防止数据受到干扰、阻塞或损坏。

如果数据发生变化，例如影响到NvData或用户数据的迁移，这些变化需要由实施者进行处理。

然而，为了安全地存储与FOTA进程相关的信息（如当前FOTA进程状态、FOTA处理程序上次成功写入的内存地址等），并确保这些信息在中断期间能够持续存在，应使用NvM模块来处理这些（FOTA特定的）用户数据。   
         

 

2. FOTA Master (UCM-Master)  


FOTA Target ECU 需要与相应的主节点通信，以便接收 FOTA 镜像数据。此 Master 实例必须存储车辆网络中所有相关 ECU 的镜像数据，数据量突然不会少。

通常，Classic Platform所针对的嵌入式ECU在内存、存储及计算能力上资源较为有限。因此，一种可行的方案是将FOTA Master实例的职责转移到资源更丰富的AP平台上的ECU中。

与 FOTA Target ECU 通信的实现目前由更新和配置管理模块（UCM，Update And Configuration Management）完成。这将产生以下逻辑体系结构：


3. Backend  


后台FOTA服务器Backend 实例表示要更新的车辆的初始镜像程序和通知接口。有关可用新软件的通知可以从后端实例触发到车辆，或者车辆自行决定何时询问是否有新软件可用（轮询方法）。但是，如果车辆网络中一个或多个 ECU 的新软件可用，则启动镜像拉取过程并将镜像存储在车辆内的适当位置（例如 FOTA Master）。后台服务器还必须提供有关与其他软件包的依赖关系的信息。车辆可以与后台服务器共享有关 FOTA 流程的状态和更新进度信息，以便进行分析和诊断。   
    


#05
FOTA内部状态
   
FOTA Handler 模块需要在处理 FOTA 镜像期间处理并指示所有不同的状态。这还包括恢复中断（例如由于驾驶周期更改）或暂停（例如通过更高优先级的诊断请求）。为了将此信息提供给启动和触发 FOTA 程序的 FOTA Master，应实现诊断服务，从 FOTA Target 的角度提供和更新安装程序的当前状态。这些不同的状态应通过以下状态来反映：

  • IDLE

ECU启动程序后FOTA Handler的初始状态

  • INIT

FOTA处理程序已初始化，Dcm已设置为正确状态（在Dcm FOTA会话中，已授予安全访问权限）。

  • READY

所有FOTA数据块均已完成安装，可以触发激活程序。

  • PROCESSING

FOTA Handler由Dcm调用触发，因为新块已被接收并正在处理。

  • WAIT

FOTA处理程序已成功处理最后一个接收到的数据块，返回了Dcm函数返回值，并正在等待下一个数据块。

  • VERIFY

自行设定如何验证数据包，CP对这方面没有具体的约定。

  • ACTIVATE

FOTA安装已完成，并从FOTA Master收到相应的工作指令，该指令指示下一次启动过程中的分区切换。   

  • ERROR

可以反馈Target的错误状态，根据实际情况自已进行定义，CP对这方面没有具体的约定。
         

 

上述所有状态应有助于保持FOTA Target状态，从而保持整个FOTA更新过程的确定性、可靠性和可恢复性。这将导致一个状态机来处理FOTA更新，如图所示：


FOTA状态机




#06
小  结
     
AUTOSAR CP中的FOTA流程是一种在运行时更新ECU软件的机制，它通过无线技术将新软件下载到车辆上，并在后台进行安装和验证，以减少车辆停机时间并提高软件更新效率。FOTA技术架构包括FOTA目标ECU、FOTA主机和后端等组件，通过一系列步骤实现软件的下载、安装、激活和回滚等功能。内部状态机则管理FOTA过程中的各种状态转换，确保软件更新的可靠性和安全性。   
      
   

 

/ END /


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