基于Overlay動態分配的ECU在線標定實現

王 民 劉龍龍

(上海汽車集團股份有限公司技術中心 上海 201804)

0 引 言

在整車V模型的開發流程中，軟件測試和標定是非常重要的一環，軟件的功能是否滿足需求需要測試和標定進行驗證。當前，軟件標定功能是基于XCP協議，利用不同的標定測量工具(如INCA、CANape等)開展的，通過將不同的參數進行標定驗證，得出軟件最優化的功能，最終將標定好的參數固化到FLASH中，完成整個標定的過程。傳統的標定方式是這樣實現的：在軟件初始化過程中，定義在FLASH中的參數(標定量)會被全部拷貝到RAM中進行重映射，在請求更改標定量時，通過更改RAM中的數據更改FLASH中的數據，進而影響參數的變化。此過程中，要將FLASH中的所有標定量拷貝到RAM中，需要有足夠大的RAM空間，工程上通常這需要定制有超大RAM的開發芯片。當RAM空間小于所要映射的FLASH空間時，由于部分標定量不能被拷貝到RAM中實現映射，進而導致此部分標定量不能被標定[1]。

由于有超大RAM的芯片只在開發階段使用，其使用量不多，價格通常是量產芯片的一百倍左右。同時能做在線標定的這種ECU控制器也非常昂貴，是常規量產控制器的幾十倍，所以如果在量產小RAM芯片上實現通常的標定功能就能顯而易見地節省一大筆開銷。因此，針對RAM空間小于標定FLASH空間的情況下，如何利用有限的RAM資源實現在線標定功能成為本文的研究目的。

1 在線標定實現原理

1.1 Overlay機制功能描述

本文基于英飛凌AURIX芯片的Overlay模塊實現ECU在線標定功能開發[2]，其他芯片也具有類似的模塊來實現此功能[3-4]。英飛凌AURIX芯片提供了Data Overlay功能以實現FLASH和RAM之間的映射，其目的是實現更改RAM中的內容達到最終更改FLASH中的內容。在程序設計的時候，所有的標定量都會被定義在FLASH中，實現標定FLASH和RAM之間的映射，使得更改RAM中的數據也能更改映射之后的FLASH中的數據，以達到在線標定的目的，Data Overlay功能示意如圖1所示。

圖1 Data Overlay功能示意

針對Data Overlay功能的實現，AURIX芯片定義了32個Overlay塊，每個Overlay塊可通過如下三個參數實現目標地址(FLASH)和映射地址(RAM)之間的映射。

Overlay塊目標地址：被映射的FLASH起始地址。

Overlay塊大小：被映射的FLASH的大小，大小范圍是32～128 KB。

Overlay塊映射地址：映射到的RAM起始地址。

每個Overlay塊有3個寄存器來實現上述三個參數的配置：Overlay塊目標地址通過寄存器OTAR配置。Overlay塊大小通過寄存器OMASK配置。Overlay塊映射地址通過寄存器RABR來配置，其中：RABR.OMEM用于選擇重映射的RAM類型，共有LMU、DSPR、EMEM和EBU四種RAM可用；RABR.OBASE用于選擇映射的RAM起始地址；RABR.OVEN用于使能或不使能目標地址和映射地址之間的映射。Data Overlay的實現原理如圖2所示。

圖2 Data Overlay實現原理

1.2 ECU在線標定過程

由于XCP標準中已經詳細地描述了在線標定的流程[5]，在此只簡單陳述標定的流程。當工程師利用標定工具(Master端，如INCA)與ECU連接的時候，主要包含了如表1所示的指令[6-8]。

表1 連接ECU時的XCP指令集

當Master端RAM空間的checksum數值與ECU端FLASH和RAM空間的checksum數值不一致時，Master會提示是否將Master端的數據下載到ECU RAM端，如果選擇下載，則會執行如表2所示的指令。

表2 ECU Download數據時的XCP指令集

在下載完數據之后，ECU就被切換到RAM PAGE區域，此時定義在FLASH中的標定量就可以被修改。當用戶通過SET_CAL_PAGE ECU to FLASH的時候，ECU就被切換到FLASH PAGE區域，此時定義在FLASH區的標定量就不可以被修改，軟件以定義在FLASH中的標定量原始數值運行。在整個標定過程中，最重要的就是DOWNLOAD和SET_CAL_PAGE指令，本文主要進行的工作就是在ECU接收到Master請求的DOWNLOAD命令時，利用Overlay機制如何動態分配FLASH空間與RAM空間的映射，并將所請求更改的數據拷貝到已實現映射的RAM中去。

2 軟件設計

2.1 內存劃分

由于AURIX芯片支持通過RABR寄存器的OVEN位控制每個Overlay塊單獨的使能和非使能，這就為動態分配Overlay塊以實現FLASH和RAM之間的映射提供了可能。與傳統的標定方式不同的是,基于AURIX的Overlay機制的標定方式不需要FLASH全部與RAM之間進行映射，而只需要對于被標定的變量所在的FLASH進行映射即可，這就需要對FLASH和RAM進行空間上的劃分。由于AURIX芯片只提供了32個Overlay塊可供映射，且可用標定RAM資源只有32 KB，為了最大化地利用RAM資源，在劃分的時候以1 KB為基本單位。例如，標定FLASH空間大小為512 KB，用于標定的RAM資源為32 KB，則需要將FLASH空間劃分為512塊，每塊大小為1 KB，編號為0～511，即FLS0-FLS511，每塊FLASH的起始地址也固定；RAM空間也劃分為32塊，每塊大小也是1 KB，編號為0～31，即RAM0-RAM31，每塊RAM的起始地址也因此固定。這樣就能夠建立起FLASH塊和RAM塊之間的映射網，即FLS0-FLS511可與RAM0-RAM31實現映射，FLS0可以映射到RAM0，FLSn(n不等于0，且小于512)也可以映射到RAM0，但同一時刻，FLS0和FLSn不能同時映射到同一個RAM塊。由于受制于RAM空間大小，最大只能映射32 KB的RAM空間，即FLASH和RAM之間的映射比例為16∶1。FLASH塊和RAM塊之間的映射關系如圖3所示。

圖3 Overlay機制中FLASH和RAM之間的映射關系

2.2 Overlay動態映射實現

Master發送DOWNLOAD指令到ECU，該指令包含了被標定量的地址、被標定量長度、被標定量的新數值信息。ECU解析到該指令時，實現流程如下：

1) 根據被標定量的地址信息，判斷被標定量所在的FLASH塊是否已經與某一RAM塊建立映射關系。若已經實現映射，則執行2)；若沒有實現映射，則執行3)。

2) 該FLASH塊已經實現映射，只需要將被標定量的新數據拷貝到映射的RAM空間中即可，此時會出現兩種情況：若被標定量的新數據和FLASH中的數據一致，執行(1)；若被標定量的新數據和FLASH中的數據不一致，執行(2)。

(1) 當被標定量的新數據和FLASH中的數據一致時，即軟件在運行時利用FLASH中的數據和RAM中的數據效果是一致的，為提高RAM的利用率，此RAM塊可以解除與FLASH的映射。在此過程中需要將寄存器OTAR設置為0，RABR寄存器的OBASE位設置為0，RABR寄存器的OVEN位設置為0，這樣此RAM塊就解除與FLASH的映射關系，可以為其他FLASH塊的映射提供資源。

(2) 當被標定量的新數據和FLASH中的數據不一致時，則原先的映射關系維持不變，只要將新的標定數據下載到對應的RAM空間中去即可。

3) 被標定量所在的FLASH塊沒有實現與RAM映射，則首先判斷RAM空間是否充足，判斷RAM空間是否充足的方法是掃描32個Overlay塊RABR寄存器的OVEN位是否為1，若所有的RAM塊都已實現映射關系，則表示空間不足，否則表示空間足夠。若空間足夠，則執行(1)，若空間不足，則執行(2)。

(1) 當RAM空間充足時，則該FLASH在與RAM映射的時候，按照RAM編號從小到大的順序執行，搜尋到編號為n(n小于32)的RAM未被映射，則需將寄存器OTAR設置為該FLASH塊的起始地址，OMASK設置為代表1 KB大小的0xFE0，RABR寄存器的OBASE位設置為編號為RAMn的起始地址，RABR寄存器的OVEN位設置為1，表示映射已經使能。以上寄存器設置完畢之后，將該FLASH塊中的數據拷貝到映射之后的RAMn空間中，并將新標定數據下載到RAMn空間中的所對應的偏移地址中，這樣軟件在運行的時候利用的是RAMn中的新數據。

(2) 當RAM空間不足時，則不能使能新的映射關系，此時應該返回拒絕命令給Master，以此通知標定人員該標定請求被拒絕。在出現標定拒絕時，有兩種方案可以進行：第一種是將原先不需要的標定量更改回默認數值，根據1)中的(1)可知，此時可以騰出RAM空間為下一次新的標定請求做準備；第二種方案是將所有已經映射的標定量固化到FLASH中，這樣所有的RAM空間都會騰出，為下一次新的標定請求做準備。

上述整個軟件實現的流程如圖4所示。

圖4 基于Overlay動態分配的在線標定流程

3 測試驗證

為了驗證該軟件是否能夠在RAM空間小于FLASK空間的情況下實現在線標定功能，測試代碼中增加66個標定變量CAL_0-CAL_65和66個觀測變量MEA_0-MEA_65，MEA_0-MEA_65分別被相應的標定變量賦值，66個標定量在編譯時被分配到33個不同的FLASH塊中，其中CAL_0和CAL_1被分配到FLASH0，CAL_2和CAL_3被分配到FLASH1，以此類推。通過在線標定CAL_0-CAL_65為不同的數值，觀測變量MEA_0-MEA_65是否為相應的數值。測試結果如下：

1) 更改標定變量CAL_0為1，觀測變量MEA_0也為1，并且此時只有一個Overlay塊實現FLASH0映射到RAM0，其他Overlay塊不會被設置,如圖5所示。

圖5 只有一個Overlay塊使能

2) 更改標定變量CAL_1為2，觀測變量MEA_1也為2，由于CAL_1和CAL_0被分配在同一個FLASH空間中，因此此時還是只有一個Overlay塊使能，其他Overlay塊不會被設置。

3) 更改標定量CAL_2-CAL_63的數值，觀測變量MEA_2-MEA_63也會隨之更改，此時所有的Overlay塊實現了RAM和FLASH的映射。

4) 更改標定量CAL_64的數值，由于無RAM資源可用，此時會拒絕標定人員的請求。

5) 更改標定變量CAL_0和CAL_1為默認數值，觀測變量MEA_0和MEA_1也回到默認數值，此時FLASH0所映射的RAM0資源已經釋放。再次請求更改標定量CAL_64的數值為65，則觀測變量MEA_64也變為65，標定請求實現，如圖6所示。

圖6 Overlay塊釋放并被重新使能

綜上測試結果，滿足設計要求，即在FLASH空間大于RAM空間的情況下，能夠實現標定量的標定請求，而在標定RAM空間不足的情況下，可提示標定人員釋放不需要的標定RAM空間以為后續標定請求做準備。

4 結 語

針對傳統的標定實現方式，本文分析了其利弊，提出了基于Overlay動態分配管理的在線標定解決方案，其在標定FLASH需求大于RAM空間的情況下，仍能實現所請求的標定變量的標定功能，而不需要與FLASH空間等大的RAM資源，這在開發階段對于節省控制器的成本是非常有利的。

同時，在FLASH和RAM空間比例較大的時候，極端情況下如果標定人員的標定請求非常大，可能會頻繁出現標定量不可被標定的情況。針對這種情況，可有兩種方案解決：一種方案是將使用頻率高的標定量集中定義在相同的幾個FLASH空間中，這樣在映射的時候，就不會占用新的RAM空間，保證每一個映射的RAM區域利用率非常高；另一種方案是增加其他可用的RAM映射區域，如每個核的DSPPR存儲區域，在軟件集成完畢之后，整個軟件運行的RAM使用情況已經明確，可以將暫未利用的RAM區域用來做映射，這也是后期研究的目標。