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Over-The-Air Software-Updates erfolgreich mit AUTOSAR Classic umsetzen

Kennen Sie die unterschiedlichen OTA-Ansätze im Fahrzeug?

Vergleich von OTA-Update-Strategien

Software-Updates „Over-The-Air“ (OTA) sind heute fester Bestandteil vieler Produkte der Unterhaltungselektronik. Apps auf Smartphones und Tablets werden praktisch täglich mit Updates versorgt. Applikationen als auch die Firmware der Geräte lassen sich so fortlaufend und einfach direkt beim Endverbraucher aktualisieren.

Im Automotive-Bereich sind Software-Updates „Over-The-Air“ derzeit zwar vereinzelt schon umgesetzt, allerdings ist die Funktionalität dann meist auf bestimmte Steuergeräte bzw. Anteile der Fahrzeugsoftware eingeschränkt. Durch die steigende Komplexität der Fahrzeugsoftware und deren Bedeutung für die Funktionalität wächst der Bedarf an Software-Updates – selbst für sicherheitsrelevante Anwendungen/Funktionen.

Da heutige Fahrzeuge mehr als 100 Steuergeräte enthalten können, ist eine optimale Implementierung eine echte Herausforderung. Die auf mehrere Steuergeräte verteilten Fahrzeugfunktionen müssen über sogenannte Update-Kampagnen, bestehend aus Update-Paketen für alle betroffenen Steuergeräte, aktualisiert werden. Dies kann zu teilweise komplexen Update-Szenarien im Fahrzeug führen. Dabei ist es unabdingbar, dass die Aktualisierungsprozesse automatisch, unbeaufsichtigt und vollkommen verlässlich ablaufen. Im Falle eines Fehlers muss jederzeit sichergestellt sein, dass das Fahrzeug zurück in einen betriebsbereiten Zustand gebracht werden kann, notfalls durch ein vollständiges Wiederherstellen der vorherigen Software-Version.

Fokus auf AUTOSAR Classic Steuergeräten

Flash Bootloader als optimale Ergänzung

Damit rücken auch klassische Steuergeräte in den Fokus, die auf der Basissoftware AUTOSAR Classic basieren, wie beispielsweise Türsteuergeräte aus der Body-Domäne. Üblicherweise verfügen diese Steuergeräte über einen sogenannten Flash Bootloader, über den die Applikationssoftware inklusive der AUTOSAR Basissoftware per Diagnose auf dem Steuergerät aktualisiert wird.

Flash Bootloader sind seit vielen Jahren im Einsatz, um eine Steuergerätesoftware zu programmieren oder später im Lebenszyklus zu aktualisieren. Es sind vergleichsweise kleine und dabei hochoptimierte Programme, die per Diagnose angesprochen werden und den Flash-Speicher löschen und neu beschreiben. Updates über den Flash Bootloader erfolgen während der Entwicklung, der Produktion und in der Werkstatt. Zum Zeitpunkt des Updates lässt sich die volle Bandbreite des entsprechenden Bussystems nutzen. Die Programmierung findet in jedem Fall in einem sicheren Zustand des Fahrzeugs statt.

Für den Anwendungsfall von Software-Updates „Over-The-Air“ ist ein Flash Bootloader ebenfalls eine optimale Ergänzung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Software-Update über den Flash Bootloader

Die neue Software wird drahtlos in das Fahrzeug übertragen und auf einem zentralen Steuergerät, hier „Connectivity-Steuergerät“ genannt, mit ausreichend großem Speicher zwischengespeichert. Sobald die Software auf das Zielsteuergerät im sicheren Zustand aufgespielt werden soll, startet das Connectivity-Steuergerät den Update-Prozess und lädt per Diagnosesequenz das Software-Update auf das Zielsteuergerät – genau so, wie es der Werkstatt-Diagnosetester machen würde.

 

Zwei limitierende Faktoren bei OTA

1. Während des Update-Prozesses verbleibt das Fahrzeug im sicheren Zustand und kann nicht genutzt werden. Diese „Down-Time“ des Fahrzeugs wird vom OEM im Sinne des Kundenkomforts üblicherweise streng limitiert – dies hat erheblichen Einfluss auf den Umfang bzw. die Größe der Updates.

2. Die am Update-Prozess beteiligten Steuergeräte müssen mit Strom versorgt werden. Die Restkapazität der Batterie gibt somit eine strikte Grenze für die Dauer des Updates vor.

 

Houston, wir haben KEIN Problem!

Der Weg zur effizienten Update-Kampagne

Wie bereits erwähnt ist die Möglichkeit zur Wiederherstellung eines vorherigen Softwarestandes im Falle eines fehlerhaften Updates alternativlos. Daher ist im Extremfall ein vollständiges Reprogrammieren und Zurückrollen von allen an der Update-Kampagne beteiligten Steuergeräten erforderlich. Durch die oben genannten limitierenden Faktoren Down-Time und Batteriekapazität sind die Möglichkeiten eines Flash Bootloaders im OTA-Szenario eingeschränkt.

Eine andere Möglichkeit ist die Übertragung der Daten an die jeweiligen Zielsteuergeräte bereits während des Normalbetriebs, also während der Fahrt, mit der Speicherung in einem von der Fahrapplikation getrennten Speicherbereich (Abbildung 2). Die Daten sind dabei nicht notwendigerweise im Connectivity-Steuergerät zwischengespeichert. Vielmehr werden die empfangenen Daten direkt an die Zielsteuergeräte weitergereicht.

Dieser Ansatz hat folgende Vorteile:

  • Die Übertragungszeit des Updates zum Zielsteuergerät im sicheren Fahrzeugzustand wird eingespart.
  • Ein Wiederherstellen der vorherigen Software ist ohne weitere Datenübertragung möglich.
Abbildung 2: Software-Download während der Fahrt

Mit Konzepten, die auf eine entsprechende Hardwareunterstützung zur Umschaltung der Software-Versionen bauen, lassen sich Aktivierungszeiten auf ein Minimum reduzieren. Das Fahrzeug bleibt also trotz Software-Update jederzeit betriebsbereit.

AUTOSAR Classic hat mit dem Release 19-11 Requirements an eine Firmware Over-The-Air (FOTA) Lösung, die eine Datenübertragung bereits während der Fahrt ermöglicht, veröffentlicht. Noch wurden jedoch kein entsprechendes Basissoftwaremodule im Standard eingeführt.

Vector hat mit MICROSAR Classic bereits frühzeitig auf FOTA gesetzt und bietet bereits seit 2018 eine Erweiterung der MICROSAR Basissoftware für den Software-Download an, die insbesondere die AUTOSAR Anforderungen erfüllt.

Teil 2

Speicherpartitionierung und Versionsumschaltung

Eine Grundvoraussetzung für ein erfolgreiches OTA-Update ist die Speicherpartitionierung im Zielsteuergerät: Der Speicher muss eine Möglichkeit bieten, das Softwareupdate während der normalen Ausführung zwischenzuspeichern, potenziell über mehrere Fahrzyklen hinweg.

Strategien zur Speicheroptimierung

Dieser Teil der Artikelserie konzentriert sich daher auf mögliche Strategien zur Speicheroptimierung. Die verschiedenen Wege unterscheiden sich hauptsächlich anhand der erforderlichen Hardware-Eigenschaften als auch der Performance des Umschaltens, d.h. der Zeit, die maßgeblich für den Fahrzeug-Stillstand beim Softwareupdate verantwortlich ist.

Um während der normalen Ausführung der Steuergeräteapplikation eine neue Softwareversion zu empfangen und im Steuergerät zwischenspeichern zu können, ist ein zusätzlicher Speicher notwendig, der unabhängig von der laufenden Software gelesen und beschrieben werden kann. Im Folgenden gehen wir von typischen Mikrocontrollern aus, die die Applikation direkt vom Flash-Speicher ausführen. Für den Einsatz erforderlich ist daher ein Flash-Speicher, der mindestens eine zusätzliche Partition mit Read-While-Write (RWW) Eigenschaft unterstützt, die nicht für die Ausführung der Applikation genutzt wird. Eine solche RWW-Partitionierung ermöglicht die Ausführung von Code aus der einen Partition, während in eine andere Partition geschrieben werden kann. Die gelesene Partition enthält dabei die aktuelle Software. Die geschriebene Partition ist diejenige, in die die neue Software geschrieben wird.

Dieser Ansatz stellt eine Lösung für die Speicherung des Softwareupdates dar. Allerdings muss die neue Software auch zur Ausführung gebracht werden, also aktiviert werden. Insgesamt lassen sich folgende drei typischen Ansätze betrachten:

Hardware-assisted A/B-Swap

Ein A/B Swap-fähiger Controller unterteilt seinen internen Speicher in zwei Partitionen. Diese beiden Partitionen können im Wechsel eine einheitliche Ausführungsadresse zugewiesen bekommen. Es ist somit möglich, dass ein einmalig gelinktes Image an zwei unterschiedlichen physikalischen Positionen ausgeführt werden kann. Welche die aktive Partition (A oder B) gerade ist, wird typischerweise entweder in einem Hardware-Register dauerhaft abgelegt oder bei jedem Neustart per Software gesetzt. Für die Umschaltung reicht also ein Neustart des Steuergeräts aus. Es gibt praktisch keine Downtime des Steuergeräts während der Aktivierungsphase.

Abbildung 3 zeigt beispielhaft die Umschaltung in einem System mit A/B-Bänken. Der physikalische Adressbereich 0xA00000 - 0xC00000 ist nach der Umschaltung über den Bereich 0x00000 – 0x20000 lese- und ausführbar.

Abbildung 3: Umschaltung in einem System mit A/B-Bänken

Dual-Binary-Ansatz und Position-Independent Code

Auch ohne Hardwareunterstützung der Adressbereiche von Bank A und B lässt sich eine schnelle Umschaltung erreichen. Was aber sind die Bedingungen und Einschränkungen dazu?

Beim Dual-Binary Ansatz wird ein Softwarestand für die Applikation sowohl spezifisch für die Adressen für Bank A und für Bank B gebaut. Ein Softwareupdate besteht also immer aus zwei verschiedenen Binärdaten. Es werden nur die Daten heruntergeladen, die für die gerade inaktive Bank geeignet sind. Vor der Einspielung eines Updates erfolgt also anhand der aktiven Partition die Auswahl der richtigen Daten. Diese Lösung hat jedoch massiven Einfluss auf die Software-Logistik des Fahrzeugherstellers. Denn für jede Softwareversion müsste er zwei Stände pflegen und verwalten.  Abbildung 4 zeigt beispielhaft das Szenario im Dual-Binary-Ansatz.

Abbildung 4: Szenario im Dual-Binary-Ansatz

Eine andere Möglichkeit ist, die Software unabhängig von der konkreten Ausführungsadresse zu programmieren. Dieser Ansatz wird Position-Independent-Code genannt. Er wird von einigen Compilern unterstützt. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass die Unterstützung von Position-Independent-Code mit sehr hohen Anforderungen an die Struktur des Codes einhergeht. Daraus ergeben sich unter anderem Nachteile hinsichtlich der Ausführungsperformanz.

Last but not Least: Der Caching-Ansatz mit Backup

Sollten weder die Hardware-unterstützte Umschaltung von Adressbereichen noch die beiden oben genannten Alternativansätze in Frage kommen, ist dies kein Grund zu verzweifeln. Denn es gibt noch einen generischen Ansatz. Beim Caching-Ansatz mit Backup ist lediglich ein von der aktiven Partition unabhängiger Zwischenspeicher erforderlich. Dieser muss natürlich groß genug sein, um den Softwarestand zwei Mal abzuspeichern. Die Idee hinter diesem Ansatz ist es, dass der Bereich der aktiven (also aktuell ausgeführten) Software konstant bleibt. Während der Umschaltung wird der Bereich gelöscht und mit der neuen Software überschrieben. Um die Anforderung an eine Rollback-Möglichkeit zu erfüllen, muss die aktuelle Software als Backup gespeichert werden. Der Zwischenspeicher muss daher sowohl die neue (inaktive) Software als auch das Backup abspeichern können.

Diese Voraussetzung ist erfüllt bei

  • internem Flash mit mindestens zwei RWW-Partitionen, wobei Partitionen, die nicht zur Ausführung genutzt werden, zwei Softwarestände speichern können

         oder

  • Verfügbarkeit von zusätzlichem externem Speicher, der zwei Softwarestände speichern kann.

Abbildung 5 zeigt beispielhaft den Caching-Ansatz mit Backup. Die Erstellung des Backups kann, wie der Download der neuen Software, im Hintergrund ausgeführt werden. Für die Umschaltung muss lediglich der aktive Bereich gelöscht und mit der Software aus der inaktiven Partition geschrieben werden.

Abbildung 5: Caching-Ansatz mit Backup

Der Caching-Ansatz hat allerdings gegenüber den anderen Ansätzen mit internem Flash einen klaren Nachteil: Nämlich den der längeren Aktivierungsdauer. Vorteilhaft hingegen ist, dass er bei der Hardwareauswahl mehr Freiheiten bietet. Außerdem erfordert der Caching-Ansatz im Gegensatz zum Dual-Binary-Ansatz keine Verwaltung von unterschiedlichen Binärdaten für unterschiedliche Ausführungsadressen.

Die Nutzung von externem Speicher dürfte seine Vorteile also insbesondere bei existierenden Steuergeräteprojekte ausspielen, die um die Möglichkeit des Software-Downloads erweitert werden sollen. Ein wirklicher Rettungsanker also, wenn die Voraussetzungen der anderen Ansätze an den internen Flashspeicher nicht zu erfüllen sind.

Teil 3

Software-Download mit MICROSAR Classic

Dieser letzte Teil der Artikelserie stellt die Vorteile der Vector Lösung für Software-Downloads als Erweiterung der Basissoftware MICROSAR Classic vor. Wir zeigen Ihnen, wie Sie damit OTA-Anforderungen optimal umsetzen.

Nützliche Erweiterungen

Mit MICROSAR Classic bietet Vector eine Basissoftware gemäß dem etablierten Standard AUTOSAR Classic an. MICROSAR Classic enthält viele nützliche Erweiterungen, die über die Spezifikation hinausgehen, um die Anforderungen von Steuergeräteentwicklern bestmöglich abzudecken. So enthält MICROSAR Classic bereits seit einigen Jahren eine Lösung für den Software-Download. Diese ermöglicht es, während der normalen Ausführung der Applikation Software Updates zu empfangen und effizient zu verarbeiten.

AUTOSAR Classic hat mit Release 19-11 erstmals Anforderungen an Firmware Over-The-Air (FOTA) veröffentlicht, die dem Konzept des Downloads während der normalen Ausführung folgen. AUTOSAR hat jedoch bislang kein eigenes FOTA-Basissoftware-Modul mit Schnittstelle (API) definiert. Dennoch sind die in AUTOSAR genannten Anforderungen bereits mit der Vector Lösung voll erfüllt, gerade auch im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Diagnoseapplikation.

Abbildung 6 zeigt, wie sich das Software-Download-Cluster in den MICROSAR-Classic-Stack eingliedert und welche Schnittstellen zur Verfügung stehen.

Abbildung 6: Abhängigkeiten zu anderen AUTOSAR Clustern

 

(1) Der Software-Download-Stack bietet Schnittstellen zu Kommunikations- und Diagnosemodulen für Datenübertragung und Update-Steuerung an. In der Regel werden diese Funktionen vom Zentralsteuergerät genutzt.

(2) Für die Verifikation (beispielsweise Signaturprüfung) und Prozessierung (Entschlüsselung) der empfangenen Daten werden Crypto-Module genutzt. Weitere Bibliotheken, beispielsweise für die Überprüfung einer CRC über die Daten des Updates, lassen sich ebenfalls anbinden.

(3) Eine wesentliche Anforderung an einen Software-Download im Hintergrund ist die Unterbrechbarkeit, um den Download möglicherweise über mehrere Fahrzyklen hinweg fortsetzen und schließlich abschließen zu können. Dazu ist es notwendig, den Zustand des Downloads regelmäßig oder beim Herunterfahren des Steuergeräts abzuspeichern. Hierfür wird die Funktionalität der Memory-Module verwendet, um Daten nicht-flüchtig im Datenflash des Steuergeräts abzulegen.
Ein weiterer Grund für die gegenseitige Abhängigkeit ist die notwendige Koordination von Flash-Zugriffen, wenn der darunterliegende Flash-Speicher für Daten- als auch Programm-Flash über keine vollständig unabhängigen Zugriffsmechanismen verfügt. Sowohl der Memory-Stack (für Datenflash) als auch der Software-Download-Stack (für Programmflash) sind Nutzer der gemeinsamen Ressource Flash-Speicher. Sofern ein unabhängiger Zugriff nicht in Hardware unterstützt wird, müssen gleichzeitige Zugriffe per Software aufgelöst werden.

(4) Um projektspezifische Bedingungen für Speicherung und Aktivierung von Software-Updates unterstützen zu können, sind Abfragen in die (Kunden-)Applikation vorgesehen. Zum Beispiel lassen sich Vorbedingungen an eine Update-Aktivierung in der Applikation durch Abfragen von CAN-Signalen implementieren. Ein weiteres Szenario ist die Ausführung von Zuliefer-spezifischen Abhängigkeitsprüfungen, um die Konsistenz der gesamten Software im Steuergerät sicherzustellen.

Bleiben Sie dran, denn nun gehen wir auf die Verbindungen (1), (2) und (3) genauer ein und schauen uns dabei die einzelnen Module des Vector Software-Download-Stacks an.

(1) OEM-spezifische Protokoll-Implementierung

Abbildung 7: Download-Handler als Anbindung an zentrales Update-Management

Der Vector Software-Download-Handler implementiert die Verbindung zur zentralen Updatesteuerung und kann, je nach Anforderungen, Diagnosebotschaften oder Botschaften proprietärer Protokolle empfangen und verarbeiten. Da Protokolle und Sequenzen in der Regel OEM-spezifisch sind, wird der Download-Handler bei Vector auch OEM-spezifisch implementiert. Die oben genannten projektspezifischen Abfragen werden dabei an eine Kundenapplikation ausgelagert.

(2) Update-Management und Data-Processing

Abbildung 8: Update-Manager und Stream-Processor als Herzstück

Das Herzstück des Software-Download-Stacks bilden die beiden Module Vector Software-Update-Manager und Vector Stream-Processor. Der Software-Update-Manager stellt eine logische Sicht auf die Speicherbereiche bereit. Es gibt also eine aktive Partition, die die momentan ausgeführte Software speichert, und eine inaktive Partition, die für das Speichern der neuen Software zuständig ist. Optional ist noch eine Backup-Partition möglich. Großer Vorteil: Der Download-Handler kann mit der logischen Sicht arbeiten und muss sich daher nicht mit technischen Aspekten des Flash-Speichers beschäftigen.

Die Datenverarbeitung erfolgt im Modul Vector Stream-Processor ebenfalls auf logischer Ebene. Daten können dabei auf unterschiedliche Art und Weise durchgeleitet, modifiziert oder geprüft werden. Konkrete Verarbeitungsschritte sind flexibel konfigurierbar, auch wenn sie OEM-spezifisch ausgeprägt sind. Trotzdem ist der Vector Stream-Processor generisch gehalten: die OEM-Anwendungsfälle lassen sich mit dem Vector Werkzeug DaVinci Configurator Classic (vormals DaVinci Configurator Pro) einfach konfigurieren. Der Vector Stream-Processor kann verschiedene Funktionen wie CRC- und Crypto-Algorithmen aus MICROSAR Classic nutzen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, Bibliotheken von Drittanbietern anzubinden.

(3) Vector Memory-Stack

Um den Software-Download im Hintergrund zu ermöglichen, sind die folgenden zwei Anforderungen an den Memory-Stack zu berücksichtigen:

  • Ein Software-Update wird in der Regel im Programm-Flash des Microcontrollers abgespeichert. Die hardwareabhängigen MCAL-Fls-Treiber der Hardwarehersteller implementieren oftmals nur den Zugriff auf das Daten-Flash. Es ist also ein zusätzlicher Treiber für den Programm-Flash nötig.
  • Die zeitgleichen Zugriffe auf Daten-Flash als auch von Software-Download auf den Programm-Flash müssen koordiniert ablaufen, um Konflikte auszuschließen. Der Zugriff der Applikation auf den Daten-Flash hat dabei Priorität.

Vector hat eine Software-Architektur für einen effizienten Memory-Stack entwickelt, die den oben genannten Anforderungen voll entspricht. Abbildung 9 zeigt die Architektur und die Kommunikationspfade zwischen AUTOSAR-Memory und Vector Software-Download-Modulen.

Abbildung 9: Vector Memory-Stack als Erweiterung von AUTOSAR

 

Der Vector Memory-Access-Manager ist das zentrale Modul, um jegliche Zugriffe auf den Flash-Speicher zu koordinieren. Der Aufruf des AUTOSAR-Moduls Fee auf AUTOSAR Fls wird über den Memory-Access-Manager umgeleitet. Bei einem Aufruf des Fee-Moduls erfolgt die Registrierung des Flash-Jobs zunächst im Memory-Access-Manager. Bei einer freien Flash-Ressource wird der Job an den Fls-Treiber weitergeleitet.

Der Vector Memory-Access-Manager geht nicht nur mit einem AUTOSAR-Fls-Treiber effizient um, sondern auch mit einem Vector-Memory-Driver – einem Modul für den allgemeinen Speichertreiber mit einer von Vector neu definierten Schnittstelle. Der Vector Memory-Driver ist Hardware-abhängig und implementiert den Zugriff auf den Programmflash des Mikrocontrollers.

Der Vector Memory-Access-Manager erfüllt noch eine weitere Aufgabe: Er rechnet die logischen Speicheradressen auf physikalische Adressen um. Damit verbleibt der Software-Update-Manager auf der logischen Ebene. Erst im Memory-Access-Manager erfolgt die Umrechnung der logischen Adressen auf physikalische Adressen und die Weiterleitung an den verantwortlichen Memory-Driver.

Die Funktionsweisen der von Vector entwickelten Module Memory-Access-Manager und Vector Memory-Driver wurden als Memory Access (MemAcc) und Memory Driver (Mem) erstmals mit dem Release 21-11 weitestgehend in den AUTOSAR Classic Standard übernommen. Die Verbindung zwischen Memory-Stack und Software-Download-Stack wird auch dazu genutzt, um Zustände des Downloads für ein mögliches Wiederaufsetzen des Updates (beispielsweise des Downloadvorgangs) beizubehalten.

Fazit: Eine richtige Luftnummer

Mit MICROSAR Classic lassen sich auch herausfordernde Update-Szenarien effizient meistern. Die erprobte Basissoftware berücksichtigt dabei Herstellervorgaben und stellt zudem sicher, dass die Aktualisierungsprozesse zu jeder Zeit verlässlich ablaufen. Mit dem bewährten Werkzeug DaVinci Configurator Classic meistern Anwender zudem alle Konfigurationsaufgaben souverän und nachvollziehbar.

Over-The-Air Updates werden so zu einer richtigen Luftnummer – allerdings im besten Sinne des Wortes.

MICROSAR.OTA - Basissoftware

MICROSAR.OTA bietet Entwicklern eine Lösung, die über den Standard AUTOSAR Classic hinausgeht. Sie ermöglicht es, den Software-Download parallel zur Ausführung der Fahrsoftware im Hintergrund durchzuführen. Dabei werden die empfangenen Daten in einem separaten Speicherbereich abgelegt, auf den unabhängig von der ausgeführten Applikation zugegriffen werden kann.

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