汽车 ECU 升级初探
ECU 固件升级，类似于手机固件升级，大概流程是实现 Bootloader，完成 EEPROM/Flash 的读写，当然需要了解 ECU 所使用的 MCU，MCU 内部EEPROM/Flash 和外部 EEPROM/Flash 的读写，学习门槛很高，别的不说，光是 ECU 固件逆向就不容易，因为需要了解 10 多种 MCU 汇编语言，还需要编写各种 IDA 插件，难度很大。本文对 ECU 固件升级进行基本的阐述，如果有错误的地方，恳请斧正。
一、UDS
UDS,UNIFIED DIAGNOSTIC SERVICES，它是汽车诊断的核心，常用的 UDS 服务 SID 如下：
OBD2_MODE_SHOW_CURRENT_DATA：0x01
OBD2_MODE_SHOW_FREEZE_FRAME：0x02
OBD2_MODE_READ_DTC：0x03
OBD2_MODE_CLEAR_DTC：0x04
OBD2_MODE_TEST_RESULTS_NON_CAN：0x05
OBD2_MODE_TEST_RESULTS_CAN：0x06
OBD2_MODE_READ_PENDING_DTC：0x07
OBD2_MODE_CONTROL_OPERATIONS：0x08
OBD2_MODE_VEHICLE_INFORMATION：0x09
OBD2_MODE_READ_PERM_DTC：0x0A
OBD2_MODE_ENHANCED_DIAGNOSTIC_REQUEST :0x22
UDS_SID_START_DIAGNOSTIC_SESSION：0x10
UDS_SID_ECU_RESET：0x11
UDS_SID_READ_FREEZE_FRAME_DATA：0x12
UDS_SID_READ_DIAGNOSTIC_TROUBLE_CODES： 0x13
UDS_SID_CLEAR_DIAGNOSTIC_INFORMATION：0x14
UDS_SID_READ_DIAGNOSTIC_TROUBLE_CODES_STATUS ：0x17
UDS_SID_READ_DTC_BY_STATUS：0x18
UDS_SID_READ_DTC_INFORMATION：0x19
UDS_SID_READ_ECU_ID ：0x1A
UDS_SID_STOP_DIAGNOSTIC_SESSION：0x20
UDS_SID_READ_DATA_BY_LOCAL_ID：0x21
UDS_SID_READ_DATA_BY_COMMAND_ID：0x22
UDS_SID_READ_MEMORY_BY_ADDRESS：0X23
UDS_SID_READ_SCALING_DATA_BY_IDENTIFIER：0x24
UDS_SID_STOP_REPEATED_DATA_TRANSMISSION：0x25
UDS_SID_SET_DATA_RATES：0X26
UDS_SID_SECURITY_ACCESS：0X27
UDS_SID_COMMUNICATION_CONTROL：0x28
UDS_SID_READ_DATA_BY_PERIODIC_IDENTIFIER：0x29
UDS_SID_READ_DATA_BY_ID_PERIODIC：0x2A
UDS_SID_DYNAMICALLY_DEFINE_LOCAL_ID：0x2C
UDS_SID_DEFINE_PID_BY_MEMORY_ADDRESS：0x2D
UDS_SID_WRITE_DATA_BY_COMMAND_ID：0x2E
UDS_SID_INPUT_OUTPUT_CONTROL_BY_COMMAND_ID：0x2F
UDS_SID_INPUT_OUTPUT_CONTROL_BY_LOCAL_ID：0x30
UDS_SID_START_ROUTINE_BY_LOCAL_ID：0x31
UDS_SID_STOP_ROUTINE_BY_LOCAL_ID：0x32
UDS_SID_REQUEST_ROUTINE_RESULTS_BY_LOCAL_ID：0x33
UDS_SID_REQUEST_DOWNLOAD：0x34
UDS_SID_REQUEST_UPLOAD：0x35
UDS_SID_ TRANSFER_DATA：0x36
UDS_SID_REQUEST_TRANSFER_EXIT：0x37
UDS_SID_START_ROUTINE_BY_ADDRESS：0x38
UDS_SID_STOP_ROUTINE_BY_ADDRESS：0x39
UDS_SID_REQUEST_ROUTINE_RESULTS_BY_ADDRESS：0x3A
UDS_SID_WRITE_DATA_BY_LOCAL_ID：0x3B
UDS_SID_WRITE_MEMORY_BY_ADDRESS：0x3D
UDS_SID_TESTER_PRESENT：0x3E
UDS_SID_NEGATIVE_RESPONSE：0x7F
UDS_SID_ESC_CODE：0x80
UDS_SID_START_COMMUNICATION ：0x81
UDS_SID_STOP_COMMUNICATION：0x82
UDS_SID_ACCESS_TIMING：0x83
UDS_SID_SECURED_DATA_TRANS：0x84
UDS_SID_CONTROL_DTC_SETTINGS：0x85
UDS_SID_RESPONSE_ON_EVENT：0x86
UDS_SID_LINK_CONTROL：0x87
FORD_REQUEST_DATA_DIAGNOSTIC_DATA_PACKET:0xA0
FORD_DYNANICALLY_DEFINE_DIAGNOSTIC_DATA_PACKET:0xA1
FORD_DIAGNOSTIC_COMMAND:0xB1
GM_PROGRAMMED_STATE：0xA2
GM_PROGRAMMING_MODE：0xA5
GM_READ_DIAGNOSTIC_INFO：0xA9
GM_READ_DATA_BY_ID：0xAA
GM_DEVICE_CONTROL：0xAE
二、AUTOSAR
AUTOSAR(AUTomotive Open System ARchitecture)，支持的协议有：CAN, FlexRay, LIN, Ethernet等。它是 ECU 固件开发的标准，UDS 属于 AUTOSAR的一部分，越来越多的 ECU 固件开发使用 AUTOSAR。
三、XCP
XCP(Universal Measurement and Calibration Protocol)，支持的协议有： CAN、SPI、 SCI,、TCP/IP,、UDP/IP,、USB、FlexRay等。它是ECU校准协议，扩展于CCP(CAN Calibration Protocol)。
四、ODX
ODX（(Open Diagnostic Data Exchange），基于XML，用于描述与汽车诊断相关数据，是汽车诊断格式标准。
五、VCI 和 MVCI
VCI（Vehicle Communication Interfaces）,MVCI(Multiple Vehicle Connect Interface)，都是汽车外部 ECU（诊断工具、诊断软件等）和内部 ECU 的通信接口标准，对于常用的 ECU 诊断（包含固件升级），使用 VCI 就足够了。VCI支持的协议有：SAE J1850 PWM/VPW、ISO 15765-4（CAN）、ISO 9141-2、ISO 14230-4（KWP 2000）、SAE J2818（KWP 1281）、SAE J1979。SAE J1979主要是大型车使用，SAE J2818主要是大众使用，在CAN协议上，又分高速CAN、中速CAN、低速CAN。ISO 9141-2、KWP 2000、KWP 1281类似于串口，统称K-Line。
六、汽车发动机
发动机有:TD、TDI 、TSI 、FSI、 TFSI、 TDCI 、TDDI 、TURBO 、V6 、VR6、 V8等，TDI、TSI、FSI、TFSI用的好像比较多。
七、MCU
汽车有非常多个的 ECU,非射频相关可称为 AP（Application Processor），射频相关可称为 BP（Baseband Processor），本文讨论的是 AP，主要 ECU 有：BCM（Body Control Module）,PCM（Power Control Module）,PAM（Park Assist Module）。BCM，即主板，需要了解 BCM 固件中 PAM 和 PCM 的通信；PCM，发动机 ECU，需要了解该 ECU 固件中 MAP 表的处理过程；UDS 有可能集成在 BCM 或 PAM，需要了解该 ECU 固件中汽车诊断协议的处理过程。本文假设 BCM、PCM、PAM 三者独立存在，当然 PCM 和 PAM 有可能集成，还有可能与 BCM 集成。PCM 和 PAM 这两个 ECU 非常关键，需要了解 PCM 和 PAM 这两个 ECU 所采用的 ECU 厂商，ECU 厂商所使用的 MCU，以及 ECU 厂商所使用的 EEprom/Flash 等，本文主要关注 PCM。
1、PCM
主要使用的 MCU 有：Infineon/ST C16X/ST10、Infineon/ST Tricore TC17XX、Freescale/Motorola MPC5XX、Freescale/Motorola MPC5XXX、Freescale/Motorola HC12X、Renesas SH 70XX、Renesas SH 72XXX、Renesas V850、Renesas M16/M32、Renesas H8SX等。
2、PAM
主要使用的MCU有：Renesas V850、Freescale/Motorola HC12X、Renesas M16/M32、常见MCU(8051、PIC、AVR)等。主要使用V850、HC12X。
3、BCM
可以分为主模块和副模块。主模块已知使用的MCU有ARM、M16/M32，副模块可以认为是CAN模块，已知使用的MCU有V850、HC12X。
4、EEPROM/Flash
尚未关注。MCU 外部 EEPROM/Flash 读写方式有：SPI、I2C、MircoWire、4Wire等。
八、ECU 厂商
1、BOSCH
采用的 MCU 有3个版本：EDC15、EDC16、MED7、MD7使用C16X;EDC16+U/C/CP、MED9、MD9使用MPC 5XX/MPC 5XXX；EDC17、MED17、MD17使用Tricore。使用Tricore TC1796/TC1797的有：EDC17CP、MED17、MD17。
2、SIEMENS CONTINENTAL
主要使用C16X/ST10、Tricore、MPC5XX、MPC5XXX,少量使用SH705X、SH72XXX。使用Tricore TC1796/TC1797的有：Siemens SIMOS 8/12/18、Siemens SID 208/807、Siemens SDI4、 Continental PCR 2.1。
3、DELPHI
主要使用C16X/ST10、Tricore、MPC5XX、MPC5XXX,部分使用SH705X、SH72XXX。使用Tricore TC1766/TC1767的有：MT80/MT86，使用MPC 5566/5567的有：DCM3.5、DCM3.7,使用SH72543/SH72544的有DCM3.7。
4、MAGNETI MARELLI
主要使用C16X/ST10、MPC5XX、MPC5XXX、HC12X。
5、MOTOROLA
主要使用MPC5XX、MPC5XXX、HC12X。
6、FORD EFI
主要使用MPC5XX、MPC5XXX、HC12X。
7、TRW
主要使用MPC5XX、MPC5XXX、HC12X。
8、TEMIC
主要使用C16X/ST10、MPC5XX、MPC5XXX、HC12X。
9、DENSO:
主要使用SH705X、SH72XXX、H8SX，Renesas旗下的MCU都有可能使用。
10、MITSUBISHI MELCO：
主要使用M16/M32、SH705X、SH72XXX，Renesas旗下的MCU都有可能使用。
11、SAGEM：
主要使用 SH705X、SH72XXX，Renesas 旗下的 MCU 都有可能使用。
12、VALEO：
主要使用 SH705X、SH72XXX，Renesas 旗下的 MCU 都有可能使用。
九、汽车厂商
1、日系
主要使用的 MCU 是 SH70XX、SH72XXX，当然日系旗下的豪华品牌（本田讴歌、丰田雷克萨斯、日产英菲尼迪等）好像不一样，还有可能使用MPC5XX、MPC5XXX、C16X、Tricore等。
2、福特与通用
UDS 使用的 CAN 协议不同，福特使用高速和中速 CAN，通用使用高速和低速 CAN，正常的是使用高速 CAN。主要采用的 MCU 有：MPC5XX、MPC 5XXX、C16X、Tricore。
3、其它
Bosch 在 ECU 厂商中的市场份额最大。国产、韩系如果使用 Tricore，好像只采用 Tricore TC1766/TC1767，应该没有采用 TC1796/TC1797。
十、ECU 固件升级方式
有两种方式，一种是调用 ECU 已经实现的 BootLoader 完成升级，这种方法称为通过 EOBD（Enhance On-Board Diagnostic）进行固件升级，另一种是独立实现 Bootloader，这种方法称为通过 Boot Mode 进行固件升级，第二种方法还有一种表现形式称为BDM模式。实际上，通过 EOBD 升级能够支持大部分车型，对于采用Tricore、MPC5XXX、SH72XXX的 ECU，Bootloader已锁，需要知道解锁算法/解锁密钥才能通过 EOBD 进行固件升级，对于这种情况，主流的升级工具都是采用 Boot Mode 进行固件升级。主流的升级工具好像很少考虑Renesas MCU，以K-TAG、KESS V2、CMD FLASH为例，这三大升级工具都不能完美支持 Renesas MCU 固件升级，KESS V2 支持 Renesas MCU 相对比较好，倒是有专门针对 Renesas MCU 的固件升级工具，如Piasini Serial Suite。
十一、ECU 固件升级工具的实现
有两种实现，一种是 EOBD 的实现，可以支持大部分车型，可以参考 AUTOSAR 或 VCI 来实现，MCU从V850、C16X、Tricore、MPC5XX、MPC5XXX、HC12X、SH705X、SH72XXX 选取,或者选取常见的 MCU，如 ST的 STM32、NXP 的 LPC、MircoChip 的 PIC 等。
文章 http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=213087 可供参考，注意该文章中关于 ECU 的描述是错误的；另一种是 Boot Mode 的实现，可以参考 XCP 来实现，虽然该实现是最通用的，硬件成本比 EOBD 的实现低，但在固件实现上需要实现各主流 MCU 的 Bootloader，还要实现各 EEPROM/Flash 芯片的读写，难度很大。还有一种可能是选取 K-TAG、KESS V2、CMD FLASH 一种，逆向其固件，并重写其固件，这些升级工具 PCB 应该是单层的，逆向其 PCB 也是可能的。三大 ECU 升级工具（K-TAG、KESS V2、CMD FLASH）价格不菲，动辄上万，硬件成本最多价值1000，可以看出诊断数据很值钱，并且它们都不能完美支持 Renesas 旗下的 MCU 固件升级。
十二、ECU 固件逆向
需要了解的汇编语言有：Infineon/ST C16X/ST10、Infineon/ST Tricore、PowerPC（MPC5XX/MPC5XXX）、M68K（HC12X）、Renesas V850 E1/E2、Renesas SH2/SH4、Renesas M16/M32、Renesas H8SX、8051、ARM、PIC、AVR、X86/X64等。
固件逆向通常是逆向固件加解密算法、固件检验算法、Bootloader解锁算法/解锁密钥、MAP 表检验算法、ECU 安全访问算法、UDS中汽车诊断协议的实现、UDS 中 ECU 固件升级的实现、UDS 消息检验算法、随机数生成算法等。对于大部分 MCU 固件，IDA 都能反汇编，如果不能反汇编还需要编写反汇编插件，IDA 并不知道固件 Bin 的内存映射方式，还需要编写 ECU 固件 Bin 的Loader 插件。IDA 插件编写方式有 IDAPython 和 IDA SDK 两种，推荐IDAPython。从这里可以看出，固件逆向主要是逆向算法，如果能实现一种 IDA插件，该插件能够识别包含算术运算符、逻辑运算符的循环块，则将会大幅度减少固件逆向所需要的时间，实现该插件应该需要控制流分析方面的知识。
如果 BCM、PCM、PAM 有使用操作系统，还要知道使用哪种操作系统，越来越多的汽车 PCM 采用的 MCU 是 Tricore、MPC5XXX、SH72XXX，越来越多的 ECU 固件根据 AUTOSAR 标准开发。
十三、汽车改装
动力相关的汽车改装，个人认为可以分为以下 5 个等级：
1、外观改装，根据空气动力学进行动力升级等。
2、修改 PCM 固件中的MAP表，修改 UDS 中的汽车诊断协议，修改BCM固件中与PCM和PAM的通信协议，用探针检测汽车各部件运行状态。该等级只涉及软件改装，主要涉及的 MAP 表有：Driver wish map、Torque limiter map、Smoke limiter map、Injection duration map、Boost target map、Boost limit map 、Single value boost limiter map、EGR map、Pump voltage table等，当然日系并不是这些表。使用的ECU MAP修改软件有：ECM Titanium、WinOls、官方软件（不容易获取）等。这个步骤也就是通常我们所说的ECU调校（ECU tuning）。因为在这个等级上进行改装很容易出现问题，所以需要在UDS中增加汽车诊断消息，并且还要修改BCM固件中PCM和PAM的通信协议，用探针检测汽车各部件运行状态。探针好像价格不菲，很多ECU调校只是修改MAP表，汽车很容易出现问题。严格意义上讲，一个map表是一个或多个偏微分方程的解，当然在实践中都是根据经验进行修改map表。在这个等级上，汽车动力能提升10%-30%左右，要想再提升就需要下一个等级。
3、替换传感器、喷油嘴、变速箱、刹车片等。在这个等级上，等级2改装是必备的，汽车动力能提升50%-70%左右，要想再提升就需要下一个等级。
4、替换 PCM、PAM、发动机等。在这个等级上，等级2、等级3改装是必备的，汽车动力提升
80%-100%左右，要想再提升的话就可能要涉及汽车底盘。
5、增加 ECU。在这个等级上，主要是减少等级 4 的改装复杂度的，因为等级4要想更换 PCM、
PAM 等 ECU 是非常困难的，所以是采用外挂 ECU 进行硬件 hook 来实现。当然，还有可能是增加汽车更多的功能。
国外关于汽车改装的相关产业已非常成熟，等级1-5都有实现，而国内呢，还处在等级1的外观美容上，大量的等级2改装只是国外的代理，只有少量的等级2改装是本地的。
十四、总结
汽车诊断，涉及多方面的内容，本文主要是对非射频相关的 ECU 中的发动机ECU 进行初探，对于射频相关的ECU（WIFI、汽车钥匙等），尚未关注，对于ECU使用的EEPROM/Flash，尚未关注，对于汽车诊断中的探针部件，尚未关注。
PS：附件带有 KESS V2 支持的汽车品牌列表，根据本文可以推断出各汽车品牌所使用的 MCU（日系主要使用Renesas MCU，国产主要使用 C16X/ST10、Tricore）
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