" Когда сами константы становятся переменными. "

Пролог

В этом тексте я расскажу про одну полезную и широко распространенную утилиту для калибровки микроконтроллерных прошивок под названием TunerPRO.

Стандарт программирования ISO-26262 требует раздельного хранения калибровочных данных, конфигурационных данных и кода внутри прошивки. Это требование возникло не на пустом месте, а как раз для того, чтобы после выпуска релиза с программой можно было проводить гибкую товарную политику. Для этого и была разработана программа TunerPRO.

TunerPRO - это бесплатный бинарный редактор прошивок. По своей сути это функциональный аналог утилиты STM32Studio, только для любого микроконтроллера.
Эта программа позволит вам редактировать константы в готовом .bin файле. Минуя стадию повторной пересборки всего проекта прошивки (компиляции и компоновки). Можно сказать, что TunerPRO - хакерская tool-а. Ещё TunerPRO позволяет сравнивать bin файлы.

Эта утилита связывает воедино всю информацию про переменные: глобальные и константы. В данном случае константы. Это адрес ячейки памяти в bin-аре, размерность переменной, размер параметра, формат ее хранения в памяти, имя переменной, множитель, единицу измерения, максимальное и минимальное значение. В то время как map файл дает только инфу про имя ,адрес в памяти и размер.

Определения

Параметр - это переменная, которая помимо адреса в памяти, значения и размера несет в себе ещё и метаданные про физическую величину, размерность, тип данных, единицы измерения, множитель, тип доступа, формат записи и прочее, и прочее.

patch - (заплатка) - маленькое изменение в коде или в бинарном файле.

метаданные - информация о другой информации, или данные, относящиеся к дополнительной информации о содержимом или объекте. Метаданные раскрывают сведения о признаках и свойствах, характеризующих какие-либо сущности, позволяющие автоматически искать и управлять ими в больших информационных потоках.

XDF Файл - Данный файл содержит информацию о параметрах, адреса таблиц и их параметры, числовые константы, функции и др., что позволяет визуализировать калибровки прошивки в программе, чтобы иметь возможность интуитивно понятно редактировать прошивку прибора. Это родной формат для утилиты TunerPro. XDF-файл должен четко подходить к прошивке вашего прибора. Xdf это база данных про переменные в компьютерной программе. В высшем своем проявлении этот файл говорит как интерпретировать каждый байт в бинарном файле с прошивкой.

Вот пример реального XDF файла

<!-- Written 11/15/2025 14:38:18 -->
<XDFFORMAT version="1.80">
  <XDFHEADER>
    <flags>0x1</flags>
    <fileversion>&quot;ver 1&quot;</fileversion>
    <deftitle>nucleo_f401re_esp_01</deftitle>
    <description>ARM CORTEX_M4</description>
    <author>aabzel</author>
    <BASEOFFSET offset="0" subtract="0" />
    <DEFAULTS datasizeinbits="8" sigdigits="2" outputtype="2" signed="1" lsbfirst="0" float="0" />
    <REGION type="0xFFFFFFFF" startaddress="0x0" size="0x80000" regioncolor="0x0" regionflags="0x0" name="Binary File" desc="This region describes the bin file edited by this XDF" />
  </XDFHEADER>
  <XDFCONSTANT uniqueid="0x6298" flags="0xC">
    <title>tuner_pro_s8</title>
    <CATEGORYMEM index="0" category="1" />
    <EMBEDDEDDATA mmedtypeflags="0x01" mmedaddress="0x3461C" mmedelementsizebits="8" mmedmajorstridebits="0" mmedminorstridebits="0" />
    <outputtype>2</outputtype>
    <rangehigh>120.000000</rangehigh>
    <rangelow>-120.000000</rangelow>
    <datatype>3</datatype>
    <unittype>2</unittype>
    <DALINK index="0" />
    <MATH equation="X">
      <VAR id="X" />
    </MATH>
  </XDFCONSTANT>
  <XDFCONSTANT uniqueid="0x4478">
    <title>tuner_pro_float</title>
    <EMBEDDEDDATA mmedtypeflags="0x10002" mmedaddress="0x34624" mmedelementsizebits="32" mmedmajorstridebits="0" mmedminorstridebits="0" />
    <datatype>2</datatype>
    <unittype>3</unittype>
    <DALINK index="0" />
    <MATH equation="X">
      <VAR id="X" />
    </MATH>
  </XDFCONSTANT>
  <XDFCONSTANT uniqueid="0x5C94" flags="0xC">
    <title>tuner_pro_u8</title>
    <EMBEDDEDDATA mmedaddress="0x34614" mmedelementsizebits="8" mmedmajorstridebits="0" mmedminorstridebits="0" />
    <outputtype>2</outputtype>
    <rangehigh>200.000000</rangehigh>
    <datatype>3</datatype>
    <unittype>3</unittype>
    <DALINK index="0" />
    <MATH equation="X">
      <VAR id="X" />
    </MATH>
  </XDFCONSTANT>
</XDFFORMAT>

Входные данные для утилиты TunerPro

XDF файлы можно генерировать из MATLAB файлов, т.к. только там есть физический смысл переменной. XDF файлы чем-то похоже на a2l файлы из протокола XCP.

Информацию про названия глобальных константных переменных их размер и расположение в физической памяти можно выделить из *.elf файла командой read elf. Буквально одной строчкой.

readelf -a  firmware.elf | grep OBJECT  | grep GLOBAL | grep  "DEFAULT    1"

C:\projects\debug\source\projects\nda\build>readelf -a  nda.elf | grep OBJECT  | grep GLOBAL | grep  "DEFAULT    1"
  6502: 010747f8    40 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 __mprec_tinytens
  6687: 01072268   240 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 CanConfig
  6725: 01072178    16 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 SysTickConfig
  6750: 0106e6e4     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ClockInfo
  6836: 01072f68    60 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 CliConfig
  6849: 010712c8   336 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ClockReg
  6931: 01072188    16 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 SuperCycleConfig
  6976: 0106f88c   512 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 crc16LookUpTable
  6997: 01073810   608 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 GpioConfig
  7021: 01071c28   120 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 PortReg
  7061: 01074730   200 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 __mprec_tens
  7066: 0106e9b4   840 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 s_aFlexCan_Norma[...]
  7072: 01073010   144 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 LedMonoConfig
  7109: 01072258     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 StoreFsConfig
  7255: 01071ce4    16 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ClockOutConfig
  7269: 01072fa4   108 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 LittleFsConfig
  7281: 01074294     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 _global_impure_ptr
  7311: 01074708    40 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 __mprec_bigtens
  7395: 01071bd4    84 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 GpioReg
  7400: 010731e8    84 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 WriterConfig
  7408: 0106ef2c   540 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 CanReg
  7543: 0107452c    32 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 __sf_fake_stderr
  7599: 0107323c    20 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 CoreConfig
  7603: 01070094    16 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 SwComponentConfig
  7622: 0106ecfc   560 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 s_aFlexCan_DataB[...]
  7652: 01072198    24 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 BoardConfig
  7657: 01071d44    80 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 RamSectorConfig
  7666: 01071cf4     0 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 DmaConfig
  7672: 010721b0   168 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 Wires
  7687: 01070108   864 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 test_list
  7713: 01071cf4    48 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 FlashSectorConfig
  7757: 01073170   120 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 UartConfig
  7788: 01074628    96 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 __month_lengths
  7796: 010730f0   120 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 StringReaderConfig
  7850: 01073768   168 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 PinConfig
  7903: 01071cd0    20 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 BootConfig
  7962: 01073168     6 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 TimeConfig
  7978: 0107454c    32 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 __sf_fake_stdin
  7993: 01071fb0   456 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ParamArray
  8018: 01071d94   540 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 InterruptConfig
  8281: 01072358   640 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 CanMessageBuffer[...]
  8335: 01071d24    32 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 FlashConfig
  8346: 01074614    12 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 _C_numeric_locale
  8366: 01073250  1304 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 IntNumInfo
  8427: 010730c4    20 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 PostponeFunConfig
  8483: 01073a70     5 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 LogConfig
  8583: 0107456c    32 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 __sf_fake_stdout
  8605: 01074190   257 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 _ctype_
  8622: 0106f4e4   208 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 SystemInitInstance
  8635: 01071b1c   120 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 FlashRegisters
  8693: 0106e920    12 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 UartRegs

Что надо из ПО?

Практическая часть

Посмотрим, как работает утилита TunerPro. Вот я накропал простецкий модульный тест, который просто печатает константы из Flash памяти.

#include "test_tuner_pro.h"

#include "log.h"
#include "unit_test_check.h"
#include "array_diag.h"

 const char tuner_pro_text[16] = "test_data";
 const uint8_t tuner_pro_u8 = 0x12;
 const uint16_t tuner_pro_u16 = 0x1234;
 const uint32_t tuner_pro_u32 = 0x12345678;
 const int8_t tuner_pro_s8 = -8;
 const int16_t tuner_pro_s16 = -16;
 const int32_t tuner_pro_s32 = -32;
 const float tuner_pro_float = 5.5;
 const double tuner_pro_double = 7.7;

/*
 tr tuner_pro+
 */
bool test_tuner_pro_types(void) {
    bool res = true;
    LOG_DEBUG(SYS, "%s():", __FUNCTION__);
    EXPECT_EQ(1, sizeof(tuner_pro_u8));
    EXPECT_EQ(1, sizeof(tuner_pro_s8));
    EXPECT_EQ(2, sizeof(tuner_pro_s16));
    EXPECT_EQ(2, sizeof(tuner_pro_u16));
    EXPECT_EQ(4, sizeof(tuner_pro_s32));
    EXPECT_EQ(4, sizeof(tuner_pro_u32));
    EXPECT_EQ(4, sizeof(tuner_pro_float));
    EXPECT_EQ(8, sizeof(tuner_pro_double));
    EXPECT_EQ(16, sizeof(tuner_pro_text));
    return res;
}

bool test_tuner_pro_vals(void) {
    bool res = true;
    LOG_DEBUG(SYS, "%s():", __FUNCTION__);
    LOG_INFO(SYS, "U8:0x%x", tuner_pro_u8);
    LOG_INFO(SYS, "U16:0x%x", tuner_pro_u16);
    LOG_INFO(SYS, "U32:0x%x", tuner_pro_u32);
    LOG_INFO(SYS, "S8:%d", tuner_pro_s8);
    LOG_INFO(SYS, "S16:%d", tuner_pro_s16);
    LOG_INFO(SYS, "S32:%d", tuner_pro_s32);
    LOG_INFO(SYS, "f:%f", tuner_pro_float);
    LOG_INFO(SYS, "d:%f", tuner_pro_double);
    LOG_INFO(SYS, "text:[%s]", tuner_pro_text);
    return res;
}

bool test_tuner_pro_mem(void) {
    bool res = true;
    LOG_DEBUG(SYS, "%s():", __FUNCTION__);
    LOG_INFO(SYS, "U8:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_u8,sizeof(tuner_pro_u8)));
    LOG_INFO(SYS, "U16:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_u16,sizeof(tuner_pro_u16)));
    LOG_INFO(SYS, "U32:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_u32,sizeof(tuner_pro_u32)));
    LOG_INFO(SYS, "S8:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_s8,sizeof(tuner_pro_s8)));
    LOG_INFO(SYS, "S16:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_s16,sizeof(tuner_pro_s16)));
    LOG_INFO(SYS, "S32:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_s32,sizeof(tuner_pro_s32)));
    LOG_INFO(SYS, "tuner_pro_float:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_float,sizeof(tuner_pro_float)));
    LOG_INFO(SYS, "tuner_pro_double:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_double,sizeof(tuner_pro_double)));
    LOG_INFO(SYS, "tuner_pro_text:0x%s", ArrayToStr((uint8_t*)&tuner_pro_text,sizeof(tuner_pro_text)));
    return res;
}

bool test_tuner_pro_address(void) {
    bool res = true;
    LOG_DEBUG(SYS, "%s():", __FUNCTION__);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_u8:0x%p", &tuner_pro_u8);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_u16:0x%p", &tuner_pro_u16);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_u32:0x%p", &tuner_pro_u32);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_s8:0x%p", &tuner_pro_s8);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_s16:0x%p", &tuner_pro_s16);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_s32:0x%p", &tuner_pro_s32);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_float:0x%p", &tuner_pro_float);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_double:0x%p", &tuner_pro_double);
    LOG_INFO(SYS, "&tuner_pro_text:0x%p", tuner_pro_text);
    return res;
}

В результате исполнения я увидел

  1.348-->
  1.502-->tr tuner+
cmd_unit_test_run() argc 1
5.832,+5803,103 I,[TEST] key [tuner+]
5.834,+2,104 W,[TEST] unit_test_run_key() key tuner
************* Run test tuner_pro_types .1/49
!OKTEST
************* Run test tuner_pro_mem .2/49
6.140,+306,105 I,[SYS] U8:0x12
6.142,+2,106 I,[SYS] U16:0x3412
6.144,+2,107 I,[SYS] U32:0x78563412
6.146,+2,108 I,[SYS] S8:0xF8
6.148,+2,109 I,[SYS] S16:0xF0FF
6.150,+2,110 I,[SYS] S32:0xE0FFFFFF
6.152,+2,111 I,[SYS] tuner_pro_float:0x0000B040
6.154,+2,112 I,[SYS] tuner_pro_double:0xCDCCCCCCCCCC1E40
6.157,+3,113 I,[SYS] tuner_pro_text:0x746573745F6461746100000000000000
!OKTEST
************* Run test tuner_pro_const_vals .3/49
6.462,+305,114 I,[SYS] text:[U8:0x12,S8:-8,U16:0x1234,U32:0x12345678,S16:-16,S32:-32,f:5.500000,d:7.700000,text:[test_data],]
!OKTEST
************* Run test tuner_pro_vals .4/49
6.769,+307,115 I,[SYS] text:[U8:0x12,S8:-8,U16:0x1234,U32:0x12345678,S16:-16,S32:-32,f:5.500000,d:7.700000,text:[test_data],]
!OKTEST
************* Run test tuner_pro_address .5/49
7.076,+307,116 I,[SYS] &tuner_pro_u8:0x8034614
7.079,+3,117 I,[SYS] &tuner_pro_u16:0x8034616
7.081,+2,118 I,[SYS] &tuner_pro_u32:0x8034618
7.083,+2,119 I,[SYS] &tuner_pro_s8:0x803461c
7.086,+3,120 I,[SYS] &tuner_pro_s16:0x803461e
7.088,+2,121 I,[SYS] &tuner_pro_s32:0x8034620
7.090,+2,122 I,[SYS] &tuner_pro_float:0x8034624
7.093,+3,123 I,[SYS] &tuner_pro_double:0x8034628
7.095,+2,124 I,[SYS] &tuner_pro_text:0x8034604
!OKTEST
7.399,+304,125 I,[TEST] TestDuration:1565 ms=1.565 s=0.026083333 min
7.403,+4,126 I,[TEST] All 5 tests passed!

Теперь я закрываю IDE и далее работаю только с бинарём. Вот у меня есть *.bin прошивка. В ней есть глобальные переменные. Надо изменить константу без пере сборки всего проекта прошивки и залить эту модифицированную прошивку в flash память микроконтроллер.

Сам файл XDF можно создать прямо внутри утилиты TunerPRO. Первым делом надо объявить заголовок. Открываем XDF -> XDF Header Editor. Тут надо только указать размер прошивки.

Затем вручную добавляем интересующие нас переменные. Одну за другой. XDF -> Create New XDF Parameter

Можно добавлять всяческие метаданные для переменной. Граничные значения, физическая величина, тип данных, единицы измерения, размерность, категорию и т. д. Всё то, про что не знал Си-компилятор. Эти метаданные кристаллизируется потом в XDF файле.

Утилита увидела в bin файле значение для переменной

Теперь мы можем преспокойно изменить циферку в переменной.

Чтобы занести изменения в bin файл нажимаем File-> Save Bin. Проверить наличие изменение можно в утилите WinMerge. Вот я внес patch в прошивку и это явно видно в bin файле.

Разницу между бинарями можно вычислить даже не выходя из TunerPRO инструментом Difference Tool

Осталось только просто прошить про патченый бинарь во flash память микроконтроллера STM32F401RE . В случае с STM32 микроконтроллером это делает утилита ST-LINK_CLI.exe

echo off
cls

set project_name=nucleo_f401re_esp_01_m
set project_dir=%cd%
 
set artefact_bin=%project_name%.bin
set FlashTool=ST-LINK_CLI.exe
set Device= 
set options=-c %Device%
set options= %options%  SWD freq=4000 
set options= %options%  HOTPLUG  LPM 
set options= %options%  -P %artefact_bin% 0x08000000
set options= %options%  -V "after_programming" 
set options= %options%  -Log -TVolt
call %FlashTool% %options%
rem Reset System
call %FlashTool% -Rst

 

Лог загрузки прошивки в память

У меня в прошивке есть UART-CLI. Поэтому я могу еще раз прогнать тот самый модульный тест и зарегистрировать изменения.

Как можно заметить, память в самом деле изменилась с 0x12 на 0x34. Другой вопрос почему printf оптимизировал и вывел старую прохардкоженную константу? Видимо это оптимизации компилятора. Но главное, что Flash память в самом деле изменилась в нужной ячейке!

Этот текст показывает как легко уязвимы .bin файлы. Все кому не лень могут их взять и подшаманить. В этом плане *.hex формат выглядит предпочтительнее так как в .hex для каждой строчки есть контрольная сумма.

TunerPRO можно иcпользовать как продвинутый hex editor.

Как это теперь применять на практике?

А вот как.

--Допустим вы пишите прошивку для какого-то прибора. И вам клиенты говорят, что нужна прошивка с измененными параметрами. В этом случае вы можете дать им ту же самую прошивку только прислать .xdf файл в котором или вы или они сами могут внести желаемое изменение.

--После старого проекта у вас не осталось сорцов. В наличии только устройство программатор и бинарь. При этом возникла потребность слегка модифицировать функционал. В одном месте. Тут вам снова поможет TunerPRO.

--Вам надо откалибровать какой-то агрегат. При этом пересборка прошивки с другими калибровочными константами занимает много времени. Ситуация осложняется тем что в прошивке нет ни UART-CLI ни NVRAM. В этом случае вы можете по крайней мере перебирать значения прямо в бинаре утилитой TunerPRO и пере накатывать новый артефакт. До тех пор пока не подберете нужную калибровку.

Достоинства Tuner PRO

++Эта утилита инвариантна к производителю микроконтроллера. Можно модифицировать прошивки для любого МК
++Это бесплатная утилита
++Утилита может интерпретировать базовые типы данных: float, uint8_t, int16_t и т. п.

Итог

Удалось получить представление о том, что такое утилита TunerPRO и как ей пользоваться.
Эта утилита позволяет вам переложить задачи калибровки с разработчика на пользователя прошивки. Вы просто даете .bin .xdf и пользователь уже сам настраивает прошивку так как требуется.

Словарь

Ссылки

Вопросы
--Вот я собрал *.elf файл с прошивкой. Захотелось изменить одну константу перед загрузкой прошивки в MCU. Как мне теперь получить XDF Файл для утилиты TunerPRO? Надо создавать его вручную. Однако этот файл может генерировать MatLab, так как Simulink придает переменным физический смысл.

--XDF файл для утилиты TunerPRO это бинарный файл или текстовый файл? Текстовый

--Существует ли спецификация формата *.xdf файлов, чтобы корректным образом заполнить метаданные: заголовок, контрольную сумму и сами переменные?

--Как извлечь абсолютные адреса членов структур из *.elf файла? Gdb их же как-то достает?

--Может ли TunerPRO работать в консольном режиме?

--Как при программировании на Си отключить оптимизацию при printf печати константных переменных из flash памяти в GCC?