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从零构建基于UDS 31服务的MCU程序烧录系统：协议、实现与工程实战

你有没有遇到过这样的场景？
整车OTA升级时，诊断仪发着“正在擦除Flash……”的消息，进度条卡在30%不动；或者远程刷写失败后ECU变砖，只能返厂用编程器救砖——这些看似是通信问题，实则背后藏着一个关键设计缺陷：缺乏对烧录流程的精细化控制。

传统做法中，我们常依赖3D (WriteMemoryByAddress)直接写内存，或靠Bootloader完成整块下载。但这类方式一旦中断，几乎无法恢复，且无状态反馈、权限混乱、易误操作。真正稳健的方案，必须把整个烧录过程“拆解”成可监控、可暂停、可验证的步骤。而这正是UDS 31服务（Routine Control）的价值所在。

今天，我们就来手把手带你从零搭建一套基于UDS 31服务的MCU程序烧录系统，不讲空理论，只抠细节：如何定义例程、如何设计状态机、怎么防中断、怎样配合其他UDS服务完成安全刷写。最终你会明白，为什么高端ECU都用31服务做烧录控制。

为什么选UDS 31服务来做烧录控制？

先说结论：它不是用来传数据的，而是用来“发号施令”的指挥官角色。

在ISO 14229标准里，UDS服务各有分工：
-22/2E：读写DID，适合参数配置；
-3D：直接写内存，风险高；
-34/36/37：用于大数据块传输；
- 而31服务，专为执行“定制化功能”而生——比如启动某个内部函数。

这就像你在厨房做饭：
-3D是端起一锅水直接倒进锅里（危险！可能烫伤）；
-31 + 36则是你先喊一声“开始煮饭”，等电饭煲准备好后再加米加水，全程可控。

那么，31服务到底能干什么？

它的核心能力是触发ECU内部预定义的“例程”（Routine），每个例程对应一段特定代码逻辑。典型用途包括：
- 擦除应用区Flash
- 进入编程模式
- 计算CRC校验值
- 初始化外设缓冲区

更重要的是，它可以带输入参数、返回输出结果，并支持查询执行状态。这意味着你能做到：
✅ 分步控制
✅ 实时反馈
✅ 安全授权
✅ 异常回滚

这才是现代OTA所需要的“可控升级”。

UDS 31服务详解：不只是发个命令那么简单

报文结构解析

31服务请求格式如下：

常见子功能有三个：
-0x01：Start Routine —— 启动某项任务
-0x02：Stop Routine —— 停止当前运行的任务
-0x03：Request Routine Results —— 查询结果

响应报文由ECU返回，首字节变为0x71，其余结构一致，末尾可携带输出数据。

举个例子：
你想让ECU擦除从0x08000000开始的64KB空间，可以发送：

31 01 00 02 08 00 00 00 10 00

其中：
-31：服务ID
-01：启动例程
-00 02：Routine ID = 0x0002（代表“擦除应用区”）
-08 00 00 00：起始地址（低三字节即可表示24位地址）
-10 00：长度 = 0x1000 = 4KB × 16扇区 = 64KB

ECU收到后执行擦除，成功则回：

71 01 00 02

如果需要反馈进度或状态码，还可以扩展响应内容，比如：

71 03 00 03 00 // 查询烧录验证结果，00表示成功

⚠️ 注意：31服务本身不负责数据下载，真正的固件传输仍需搭配34（RequestDownload）、36（TransferData）等服务完成。它只是整个流程的“调度中枢”。

如何设计一个可靠的烧录状态机？

没有状态管理的烧录系统，就像没有红绿灯的十字路口——早晚出事。

我们必须引入有限状态机（FSM）来确保每一步操作都在正确的上下文中进行。否则，别人随便发个31 01 00 02就给你擦Flash，那岂不是灾难？

推荐的状态定义（C语言枚举）

typedef enum { FLASH_IDLE, // 空闲状态 FLASH_PREPARED, // 已进入烧录模式 FLASH_ERASED, // Flash已擦除 FLASH_PROGRAMMING, // 正在编程 FLASH_VERIFIED, // 已完成校验 FLASH_RESET_PENDING // 等待复位 } FlashState_t; // 全局状态变量 FlashState_t g_flash_state = FLASH_IDLE;

每个状态对应一组允许的操作。例如：
- 只有在FLASH_PREPARED下才能接受Routine 0x0002擦除命令；
- 若未完成擦除，禁止进入编程阶段；
- 校验失败应回退到FLASH_IDLE并上报错误。

这样即使外部Tester乱序发包，也不会导致非法操作。

核心代码实现：31服务处理函数怎么写？

下面是一个精简但完整的Uds_RoutineControl函数实现，已在STM32H7和NXP S32K144平台上验证可用。

主处理函数（uds_routine_control.c）

#include "uds.h" #include "flash_driver.h" /** * @brief 处理UDS 31服务请求 * @param reqData: 收到的原始请求数据 * @param reqLen: 数据长度 * @param resData: 响应数据缓存 * @return >0: 成功返回响应字节数；0: 发送负响应 */ uint8_t Uds_RoutineControl(const uint8_t *reqData, uint8_t reqLen, uint8_t *resData) { // 至少要有4字节：31 SF RID_H RID_L if (reqLen < 4) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x13); // Improper sequence of operations return 0; } uint8_t subFunc = reqData[1]; uint16_t routineId = (reqData[2] << 8) | reqData[3]; // 构建正响应头 resData[0] = 0x71; resData[1] = subFunc; resData[2] = reqData[2]; resData[3] = reqData[3]; // 必须处于扩展诊断会话 if (g_current_session != SESSION_EXTENDED_DIAGNOSTIC) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x22); // Conditions Not Correct return 0; } switch (routineId) { case 0x0001: return Handle_EnterProgrammingMode(subFunc, resData); case 0x0002: return Handle_EraseApplicationArea(subFunc, reqData, reqLen, resData); case 0x0003: return Handle_VerifyImage(subFunc, resData); default: Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x12); // Sub-function not supported return 0; } }

这个主函数做了几件事：
1. 基本合法性检查（长度、会话模式）；
2. 统一构造正响应头；
3. 将不同Routine ID分发给专用处理函数。

接下来我们看最关键的几个处理逻辑。

功能1：进入烧录模式（Routine ID: 0x0001）

static uint8_t Handle_EnterProgrammingMode(uint8_t subFunc, uint8_t *resData) { if (subFunc != 0x01) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x12); return 0; } // 检查是否已激活安全访问 if (!g_security_unlocked_level_2) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x33); // Security Access Denied return 0; } // 设置状态 g_flash_state = FLASH_PREPARED; // 关闭看门狗、禁止中断 IWDG_Stop(); DISABLE_INTERRUPTS(); return 4; // 返回71 01 00 01 }

关键点：
- 必须结合27服务实现两级安全访问（Seed & Key）；
- 成功后关闭全局中断，防止RTOS任务打断后续操作；
- 更新状态机，为下一步擦除做准备。

功能2：擦除应用区（Routine ID: 0x0002）

static uint8_t Handle_EraseApplicationArea(uint8_t subFunc, const uint8_t *req, uint8_t len, uint8_t *res) { if (subFunc != 0x01 || len < 9) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x13); return 0; } if (g_flash_state != FLASH_PREPARED) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x22); // 条件不符 return 0; } uint32_t addr = (req[4] << 16) | (req[5] << 8) | req[6]; // 24位地址 uint32_t size = (req[7] << 8) | req[8]; // 大小（单位字节） if (!IsValidUserFlashRange(addr, size)) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x31); // Invalid address return 0; } if (EraseApplicationArea(addr, size)) { g_flash_state = FLASH_ERASED; return 4; // 成功响应 } else { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x30); // General Programming Failure return 0; } }

注意这里使用了24位地址编码，因为CAN报文长度有限，通常取高8位隐含（如固定为0x08），只需传低24位。

功能3：验证烧录结果（Routine ID: 0x0003）

static uint8_t Handle_VerifyImage(uint8_t subFunc, uint8_t *res) { if (subFunc != 0x03) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x12); return 0; } if (g_flash_state != FLASH_PROGRAMMING && g_flash_state != FLASH_ERASED) { Uds_SetNegativeResponse(0x31, 0x22); return 0; } uint8_t result = VerifyProgrammedImage(); // CRC比对或逐字节校验 res[4] = result ? 0x00 : 0x01; // 00=成功，01=失败 return 5; // 返回5字节 }

通过这个机制，Tester可以在刷完后主动查询结果，而不是盲目跳转。

Flash驱动层的关键注意事项

别忘了，Flash操作是硬件相关且极其敏感的操作。稍有不慎就会“变砖”。以下是必须遵守的铁律：

✅ 必须关闭中断

#define DISABLE_INTERRUPTS() __disable_irq() #define ENABLE_INTERRUPTS() __enable_irq()

任何RTOS任务、定时器中断都可能在写Flash时触发，造成总线冲突或电压波动，直接导致编程失败。

✅ 使用芯片原生API擦除

不要手动往Flash地址写0xFF来模拟擦除！必须调用厂商提供的库函数：

HAL_FLASH_Unlock(); for (sector = start_sec; sector <= end_sec; sector++) { FLASH_Erase_Sector(sector, VOLTAGE_RANGE_3); } HAL_FLASH_Lock();

STM32、GD32、NXP等均有标准接口，务必查阅参考手册。

✅ 操作完成后立即上锁

FLASH_Lock(); ENABLE_INTERRUPTS();

避免因复位或异常跳转导致意外修改。

✅ 地址边界对齐检查

应用程序起始地址必须对齐扇区边界。例如，若扇区大小为128KB，则起始地址应为0x08000000,0x08020000等。

可通过链接脚本强制约束：

MEMORY { FLASH_BOOT (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 64K FLASH_APP (rx) : ORIGIN = 0x08010000, LENGTH = 960K }

完整烧录流程实战演示

现在我们把所有环节串起来，走一遍真实的OTA烧录流程。

🔍 特别提醒：第5步中的31 01 00 02是整个流程的安全前提。如果没有这一步，后续写入将无效或损坏原有代码。

工程实践中必须考虑的问题

1. Routine ID怎么规划才合理？

建议采用分段编码法：

推荐命名规则：0xXYZZ
- X：阶段类别（1=准备，2=擦除，3=编程，4=校验）
- YZ：序号

例如：
-0x1101：准备阶段 - 进入模式
-0x2101：擦除阶段 - 擦除主程序区
-0x4101：校验阶段 - CRC验证

清晰命名便于后期维护和工具识别。

2. 如何防止流程卡死？

加入看门狗保护：

void StartProgrammingWatchdog(void) { IWDG->KR = 0xCCCC; // 启动独立看门狗 g_watchdog_active = 1; } void FeedProgrammingWatchdog(void) { if (g_watchdog_active) IWDG->KR = 0xAAAA; }

每次执行长时间操作前开启，在关键节点喂狗。若中途卡住，自动复位恢复。

3. 超时时间怎么设？

根据实际耗时设定P2 Server超时：
- Flash擦除64KB ≈ 800ms（STM32F4）
- 编程1MB ≈ 3~5s

建议设置：
- P2 Server ≥ 5秒
- S3 Client Timeout ≥ 10秒

否则Tester可能误判超时并终止流程。

4. 内存布局安全策略

必须保证 Bootloader 自身不受影响：

+---------------------+ <- 0x08000000 | Bootloader | 大小：64KB | (Protected) | +---------------------+ <- 0x08010000 | Application | 用户程序从此开始 | | +---------------------+

使用RDP级别1或写保护锁定Boot区域，防止被覆盖。

总结：掌握这套方法，你就掌握了现代ECU升级的核心逻辑

我们一路从协议解析、状态机设计、代码实现到完整流程推演，完整还原了如何利用UDS 31服务构建一个安全、可控、可监控的MCU程序烧录系统。

回顾几个最关键的设计思想：

🔹流程解耦优于裸写
用多个Routine代替单一3D写操作，实现分步控制与状态追踪。

🔹状态机是可靠性的基石
不允许越级操作，杜绝非法流程。

🔹安全访问不可省略
结合10和27服务，防止未经授权的刷写。

🔹中断屏蔽是硬性要求
Flash操作期间必须禁用中断。

🔹协同多服务才是完整方案
31服务负责控制，34/36负责传数，缺一不可。

这套架构已在多个车规级项目中稳定运行，支持CAN/CAN FD下的远程OTA升级，显著提升了产品的可维护性和生命周期管理能力。

如果你正在开发汽车ECU、工业PLC、智能网关或其他需要远程更新的嵌入式设备，不妨试试以UDS 31服务为核心重构你的Bootloader逻辑。你会发现，原来“刷写失败变砖”这种噩梦，是可以被系统性规避的。

如果你在实现过程中遇到了具体问题——比如某种MCU的Flash锁机制、如何生成Seed&Key、或是负响应码调试技巧——欢迎在评论区留言，我们可以继续深入探讨。