一、BOOT來源
你有沒有遇到過電腦新安裝了軟件，然后提示你Reboot的場景？這里的Reboot，大家都知道是重啟，而Boot就是啟動(dòng)的意思。但你有沒有想過為什么電腦啟動(dòng)會(huì)叫做Boot? Boot不是靴子嗎？
Boot作為啟動(dòng)術(shù)語的來源確實(shí)與靴子有關(guān)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的啟動(dòng)都是從硬件上電開始的，此時(shí)軟件還沒工作，需要一個(gè)引導(dǎo)程序把它拉起來。而拉起軟件的動(dòng)作又需要軟件自身的啟動(dòng)和運(yùn)行，這個(gè)過程就很像一句英文諺語：
Pull oneself up by one's bootstraps.
意思是通過鞋帶把自己提起來，寓意自食其力，靠自己振作起來。由于兩者思想如出一轍，計(jì)算機(jī)發(fā)展初期就把啟動(dòng)的引導(dǎo)程序稱作BootStrap Loader，或Bootloader或Boot。
圖1：用鞋帶把自己拉起來的示意圖
二、Bootloader簡介
圖2：Bootloader示意圖
三、Flash Bootloader
實(shí)際上，Flash Bootloader應(yīng)該算是Bootloader引導(dǎo)后的第二道程序。第一道被引導(dǎo)起來的Bootloader會(huì)判斷ECU狀態(tài)，再根據(jù)這個(gè)狀態(tài)來拉起應(yīng)用程序或者進(jìn)入Flash Bootloader。由于簡略表達(dá)或者概念模糊，在實(shí)際工作場合中很多時(shí)候都會(huì)聽到有人把Bootloader和Flash Bootloader混為一談。我們可以根據(jù)場合保持溝通的連貫性，但心里應(yīng)該清晰區(qū)分兩者的區(qū)別。
圖3：Flash Bootloader與內(nèi)存關(guān)系示意框圖
PBL的作用是在應(yīng)用軟件有效時(shí)引導(dǎo)它。PBL存儲(chǔ)在MCU芯片的Flash，它一般是產(chǎn)品出廠時(shí)一次性刷好的，芯片上電或重啟后，第一批執(zhí)行的代碼就是PBL。需要刷寫軟件時(shí)，PBL可以通過統(tǒng)一診斷服務(wù)（UDS），基于CAN或以太網(wǎng)等底層總線協(xié)議與外界診斷儀通信。在校核完診斷儀的權(quán)限后，PBL會(huì)將診斷儀上的SBL下載到MCU的內(nèi)存RAM上，然后由SBL進(jìn)行刷寫。SBL包含PBL提供的所有服務(wù)以及閃存驅(qū)動(dòng)器（Flash Driver）和一些額外的UDS服務(wù)。通過UDS觸發(fā)，SBL會(huì)利用Flash Driver擦除舊軟件，并把新軟件寫到對應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)。具體流程如下圖4所示：
圖4：MCU刷寫流程示意圖
為了避免應(yīng)用軟件被意外誤刷寫或者刪除，PBL中一般不包含Flash Driver，不能直接操作閃存。每次刷寫時(shí)，包含Flash Driver的SBL都會(huì)從診斷儀中重新加載到內(nèi)存。這種PBL和SBL的分工方案，有這些好處：
1.平時(shí)防止應(yīng)用軟件被誤刷寫。
2.提高網(wǎng)絡(luò)安全性。每次從診斷儀下載SBL時(shí)，都可以通過安全鑒權(quán)機(jī)制，確保合法的診斷儀才能觸發(fā)刷寫。
3.通過SBL還能反向刷寫更新PBL，提高了Bootloader的整體靈活度。
四、SoC的啟動(dòng)和刷寫
上面說的Flash Bootloader是針對傳統(tǒng)高度嵌入式系統(tǒng)的。但相信各位汽車同仁也感受到，越來越多的高性能計(jì)算芯片正在汽車上普及，汽車中央電腦等方案也是不絕于耳。對于這些高性能計(jì)算芯片，行業(yè)內(nèi)常以SoC（System on Chip）相稱。SoC的啟動(dòng)和刷寫方案和MCU如出一轍，但由于其內(nèi)部存儲(chǔ)管理系統(tǒng)和內(nèi)部總線更加復(fù)雜，啟動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)與MCU略有差異，其細(xì)節(jié)更接近于我們熟悉的個(gè)人電腦。總體的啟動(dòng)流程如下圖所示。
圖5：BIOS和UEFI啟動(dòng)流程示意圖
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)一般采用上圖上部分的BIOS啟動(dòng)。BISO是Basic Input Output System的縮寫，是計(jì)算機(jī)硬件與軟件第一次相遇的地方。BIOS的代碼通常被嵌入到電腦的主板的EEPROM中。BIOS可以完成計(jì)算機(jī)上電后的基本自檢，并指示計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行基本功能，如啟動(dòng)和鍵盤控制。在BIOS中也可以選擇配置啟動(dòng)參數(shù)。對，這就是我們以前重裝電腦系統(tǒng)時(shí)，在BIOS里可以選擇從光盤還是硬盤啟動(dòng)等操作的原因。然后BIOS會(huì)調(diào)用硬盤起始位置的MBR（Master Boot Record），然后按照其中的分區(qū)表拉起Bootloader，然后是操作系統(tǒng)內(nèi)核，再到操作系統(tǒng)和應(yīng)用。
當(dāng)然BIOS的設(shè)計(jì)已經(jīng)有年頭了?，F(xiàn)在生產(chǎn)的電腦基本都是使用UEFI（Unified Extensible Firmware Interface），汽車上的高性能計(jì)算單元也一樣。從實(shí)現(xiàn)功能上來看，UEFI可以認(rèn)為是升級(jí)版的BIOS。
UEFI是一個(gè)微型操作系統(tǒng)，它在內(nèi)存中加載Bootloader，再執(zhí)行額外的操作程序。作為微型操作系統(tǒng)，UEFI運(yùn)行在固件之上，可以支持的功能比BIOS多得多，包括系統(tǒng)驗(yàn)證等安全功能。其中最核心的區(qū)別是，UEFI支持更大的尋址空間，并且可以在32位或64位模式下運(yùn)行（BIOS只支持16位），也就是UEFI可以支持更大的硬盤或者網(wǎng)絡(luò)共享，并且啟動(dòng)速度更快。
圖6：A/B分區(qū)升級(jí)示意圖
五、車載控制器啟動(dòng)的挑戰(zhàn)
新年伊始，萬象更新。每年的開始階段對這一整年的影響都舉足輕重。對車載控制器的啟動(dòng)來說也是類似，好的開始是成功的一半。正是由于啟動(dòng)的重要性，也有不少挑戰(zhàn)要通過啟動(dòng)過程來解決。其中最突出的就是關(guān)于信息安全和啟動(dòng)時(shí)間的挑戰(zhàn)。
啟動(dòng)的信息安全挑戰(zhàn)
圖7：一種MCU和SoC安全啟動(dòng)方案的示意圖
啟動(dòng)時(shí)長的挑戰(zhàn)
車載業(yè)務(wù)對于啟動(dòng)時(shí)間又非常敏感。例如當(dāng)下大家都習(xí)慣的倒車影像，我們通常坐上車、系好安全帶、發(fā)動(dòng)車輛掛倒擋，就希望影像能夠出現(xiàn)在中控屏。試想如果整個(gè)啟動(dòng)時(shí)長需要1分鐘，那我們就需要在車上等待幾十秒，或者脫離輔助功能“盲開”出去了，這樣的用戶體驗(yàn)會(huì)很差。
為了迎接這個(gè)挑戰(zhàn)，車載域控制器或計(jì)算平臺(tái)經(jīng)常會(huì)引入休眠模式。這也類似我們電腦的休眠模式，就是讓原本掉電丟失的內(nèi)存上的內(nèi)容先存儲(chǔ)到硬盤里，下次啟動(dòng)時(shí)再將所有內(nèi)容重新加載到內(nèi)存上，而不是采用重新從UEFI加載Bootloader到內(nèi)核再初始化的那一套流程。這樣控制器技能長時(shí)間保持低功耗，又能在需要喚醒時(shí)能夠快速啟動(dòng)工作。當(dāng)然，這需要耗費(fèi)硬盤上的額外空間來存儲(chǔ)休眠時(shí)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。以下圖Windows 8的示意圖為例，傳統(tǒng)冷啟動(dòng)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間來初始化系統(tǒng)，但是從休眠模式中啟動(dòng)時(shí)，只需把硬盤中的休眠數(shù)據(jù)（Hiberfile）加載到內(nèi)存，就可以開始用戶登錄了。
圖8：Windows 8冷啟動(dòng)和從休眠中的啟動(dòng)時(shí)長對比示意圖
而除了休眠模式，控制器還可以通過優(yōu)化安全啟動(dòng)策略縮短啟動(dòng)時(shí)長。有些情況下，可以允許控制器先拉起Bootloader，操作系統(tǒng)和應(yīng)用，并記錄其啟動(dòng)的簽名、指紋等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。待系統(tǒng)工作后，TEE會(huì)在后臺(tái)再次校驗(yàn)已經(jīng)啟動(dòng)的系統(tǒng)是否合法，如果非法則進(jìn)入相應(yīng)的安全模式。這種做法比先驗(yàn)證再啟動(dòng)的方案會(huì)損失安全性，但是能縮短啟動(dòng)時(shí)長。基于整車網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)的分析，可以讓部分較為安全的控制器（例如不與外網(wǎng)直接通訊的本地控制器）采用這種策略。
當(dāng)然，產(chǎn)品的發(fā)展都是多維度而不是單一維度的。車載控制器的啟動(dòng)過程也應(yīng)該按照多維度標(biāo)準(zhǔn)去取舍和開發(fā)。這就像當(dāng)年傳統(tǒng)非智能手機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間是很快，也很安全，沒有那么多病毒。但還是被現(xiàn)在啟動(dòng)時(shí)間更長、安全風(fēng)險(xiǎn)更大的智能手機(jī)所取代了。春節(jié)期間大家在家看的智能電視也是一個(gè)道理。在汽車智能化的大趨勢下，啟動(dòng)過程相信也會(huì)不斷平衡，做得更加智能、高效、安全。
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