一、UDS协议基础

1. UDS（Unified Diagnostic Services）

   • 基于ISO 14229标准的诊断通信协议
   • 应用层协议，支持多种底层传输（CAN、LIN、FlexRay等）
   • 核心功能：诊断服务请求/响应、ECU编程、故障码管理

2. 服务类型（Service ID）

   服务码	功能描述	刷写相关服务
   0x10	诊断会话控制	进入编程会话
   0x11	ECU重置	刷写后重启ECU
   0x14	清除故障码	-
   0x19	读取故障码信息	-
   0x22	读取数据ByIdentifier	读取ECU版本信息
   0x27	安全访问	获取刷写权限
   0x31	执行远程诊断服务	擦除Flash、校验程序
   0x34	请求下载	准备接收程序数据
   0x36	传输数据	发送程序数据块
   0x37	请求传输结束	结束数据传输

二、刷写程序的核心原理

1. 双程序分区设计

   • Bootloader区：
     • 固定地址，永不擦除
     • 负责引导系统和接收新程序
   • Application区：
     • 可擦写区域，存储运行程序
     • 通常分为Bank A/B，实现安全更新

2. Flash操作原理

   • 擦除（Erase）：
     • 将Flash单元重置为全1状态（0xFF）
     • 以块（Block）或扇区（Sector）为单位操作
   • 编程（Program）：
     • 逐位将1改为0（如0xFF → 0xF0）
     • 必须在擦除后进行，且不能反向操作（0→1）
   • 限制：
     • 擦写寿命：通常10万~100万次循环
     • 写入时间：擦除需ms级，写入需μs级

3. 安全机制

   • 种子密钥算法：

     // 伪代码示例
     Seed = ECU_GenerateSeed();
     Key = CalculateKey(Seed, SecurityLevel);
     if (VerifyKey(Key)) {
         AccessGranted = TRUE;
     }
     

   • 数据完整性校验：
     • CRC32校验：验证下载数据与原始数据一致
     • 签名验证：确保程序来源可信（如RSA签名）

三、刷写流程详解

1. 会话建立阶段

   上位机 → ECU: [10 02]  // 进入编程会话
   ECU → 上位机: [50 02]  // 会话变更确认
   

   • 会话类型：
     • 默认会话（0x01）：正常运行模式
     • 编程会话（0x02）：允许Flash操作
     • 扩展诊断会话（0x03）：高级诊断功能

2. 安全访问阶段

   上位机 → ECU: [27 01]  // 请求种子
   ECU → 上位机: [67 01 SEED]  // 返回种子值
   上位机 → ECU: [27 02 KEY]  // 发送计算的密钥
   ECU → 上位机: [67 02]  // 访问授权确认
   

   • 安全级别：
     • 0x01：读取诊断数据
     • 0x03：擦除/写入Flash
     • 0x05：配置ECU参数

3. 内存操作阶段

   // 擦除Flash
   上位机 → ECU: [31 01 ADDRESS_LENGTH]  // 请求擦除指定区域
   ECU → 上位机: [71 01]  // 擦除成功
   
   // 下载程序
   上位机 → ECU: [34 ADDRESS_LENGTH]  // 请求下载
   ECU → 上位机: [74 BS_STmin]  // 返回传输参数
   
   // 数据传输（ISO-TP多帧）
   上位机 → ECU: [36 01 DATA]  // 数据块1
   ECU → 上位机: [76 01]  // 确认接收
   ...  // 重复传输直到完成
   
   // 结束传输
   上位机 → ECU: [37 00]
   ECU → 上位机: [77 00]
   
   // 校验
   上位机 → ECU: [31 02 ADDRESS_LENGTH]  // 请求校验
   ECU → 上位机: [71 02 CRC_RESULT]  // 返回校验结果
   

4. 程序激活阶段

   上位机 → ECU: [11 01]  // 硬重置ECU
   // ECU重启后自动运行新程序
   

四、底层实现关键技术

1. ISO-TP传输协议（ISO 15765-2）

   • 单帧（SF）：≤7字节数据
   • 首帧（FF）：包含总长度信息
   • 连续帧（CF）：分段传输数据
   • 流控帧（FC）：控制传输速率

2. Flash驱动设计

   // Flash写入函数示例
   bool Flash_Write(uint32_t address, uint8_t* data, uint32_t length) {
       if (!Flash_IsAddressValid(address)) return false;
       if (!Flash_IsErased(address, length)) {
           if (!Flash_Erase(address, length)) return false;
       }
       return Flash_Program(address, data, length);
   }
   

3. Bootloader工作流程

   上电 → 初始化硬件 → 检查刷写标志 →
   (有刷写请求) → 进入刷写模式 → 等待数据 → 写入Flash → 重启
   (无刷写请求) → 跳转到应用程序
   

五、典型应用场景

1. 汽车电子

   • ECU固件升级（如发动机控制单元、变速箱控制单元）
   • 故障修复与功能扩展
   • OTA（Over-the-Air）远程升级

2. 工业控制

   • PLC（可编程逻辑控制器）程序更新
   • 工业机器人控制算法升级
   • 自动化生产线设备维护

3. 消费电子

   • 智能手机系统更新
   • 智能手表、耳机固件升级
   • 智能家居设备功能扩展

六、挑战与解决方案

1. 挑战

   • Flash寿命：频繁刷写导致Flash磨损
   • 断电风险：刷写过程中断电可能导致ECU瘫痪
   • 安全漏洞：未授权刷写可能导致系统失控

2. 解决方案

   • 磨损均衡：算法均匀分配擦写次数
   • 双Bank设计：一个Bank运行，另一个Bank刷写
   • 数字签名：验证程序来源合法性
   • 断电保护：检测电压波动，保存进度后暂停

UDS刷写程序通过分层协议设计、安全机制和内存管理技术，实现了汽车电子、工业控制等领域的程序安全更新，是现代嵌入式系统不可或缺的核心技术之一。