基于USB的便攜式設備固件升級程序的設計

1 引言
    固件是系統(tǒng)最底層的工作軟件。便攜式設備功能與固件密切相關。固件能夠充分發(fā)揮硬件資源，彌補硬件缺陷與不足。因此。固件在便攜式設備中具有極大重要性。固件升級能夠進一步完善固件程序，增強便攜式設備功能。
    在系統(tǒng)開發(fā)和用戶使用時．一旦系統(tǒng)提供設備固件更高版本。就要求設備通過固件升級程序?qū)υ泄碳M行升級。因此，基于USB的即插即用、傳輸速率高的特點，設計一種通過USB接口升級設備固件的應用程序。該設計應用程序是基于便攜式設備的USB驅(qū)動程序．包括固件文件結(jié)構(gòu)定義、USB設備驅(qū)動程序與上層應用軟件的I，0操作、USB Bulk0nly傳輸模式、USB通信命令規(guī)范、NAND Flash壞塊信息表構(gòu)建等問題。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)利用PC機通過USB總線與便攜式設備進行通信，并在此通信基礎上完成固件升級的各種操作，其基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。系統(tǒng)開發(fā)人員或終端用戶在獲取最新版本固件后，利用固件升級程序?qū)崿F(xiàn)PC機與便攜式設備的通信，并實現(xiàn)固件生成、讀取設備信息、USB-Boot二級代碼下載、固件升級等功能。

3 固件升級程序的設計
    固件升級程序面向系統(tǒng)開發(fā)人員或終端用戶。由于用戶知識體系架構(gòu)的差異，程序界面力求友好、簡潔。功能要求：按預先定義的固件結(jié)構(gòu)生成固件文件：自動檢測設備是否連接，一旦設備連接，自動下載二級Boot loader并讀取設備Flash信息、固件版本信息；將固件文件下載至NAND Flash，從而完成固件升級操作。
3．1 固件頭的填充
    固件文件的固件頭具有標識，索引功能。固件頭結(jié)構(gòu)決定后續(xù)固件升級工具擴展的難易。該設計的固件頭主要包括固件的版本、生成日期、廠商信息、模塊信息和資源文件在固件中的偏移、長度等信息。這些信息采用結(jié)構(gòu)體將其組織，以便讀取固件文件。同時在頭尾部預留若干字節(jié)的保留區(qū)，以備后續(xù)升級擴展。
    固件頭的填充需要嚴格按照結(jié)構(gòu)體所定義的成員進行。函數(shù)GenerateHeader完成固件頭的生成，其函數(shù)原型為：

   
3．2 生成固件文件
    固件文件主要由固件頭，啟動代碼，系統(tǒng)代碼，F(xiàn)ONTl2，F(xiàn)ONTl6，GBK字體和字庫資源文件，菜單資源文件，圖片資源文件等8個模塊組成。其中系統(tǒng)代碼、菜單資源文件、圖片資源文件的路徑由用戶指定，其余文件存儲于工程目錄下。圖2為固件生成流程。

 固件生成操作是由函數(shù)GenerateRfw完成。其原型為：

    執(zhí)行該函數(shù)需獲得文件當前工程下的路徑．以及文件大小，因此需調(diào)用FileFulJLlName函數(shù)。FileFullName函數(shù)原型為：INT FileFullName(CString FileName，CString &FilePath—Name)；其中FileName為存儲在工程目錄下的文件名，F(xiàn)ilePathName為文件路徑的引用。該函數(shù)返回值為文件大小。

4 獲取USB設備路徑
    便攜式設備在進入固件升級模式時．向PC機枚舉該設備的各類描述符，在成功應答最初的不完整的設備描述符請求后，PC機向設備分配一個新地址．該地址就是固件升級程序中需獲取的設備路徑。接著，PC機在得到完整的設備描述符、配置描述符、字符描述符后加載設備驅(qū)動程序。該過程完成后，通過驅(qū)動程序與設備通信。在開發(fā)應用軟件中，通過API函數(shù)調(diào)用獲取設備路徑，該獲取過程分為以下步驟：
    (1)調(diào)用Windows設備管理函數(shù)SetupDiGetClassDevs()獲取設備信息集。函數(shù)SetupDiGetC1assDevs()是設備信息集的處理程序，包含所有與指定參數(shù)匹配的已安裝設備。
    (2)利用函數(shù)SetupDiEnumDeviceInterfaces()返回設備信息集的一個設備接口元素的環(huán)境結(jié)構(gòu)，每次調(diào)用該函數(shù)便返回一個設備接口信息，重復調(diào)用，直到獲取設備信息集所有接口信息。函數(shù)SetupDiEnumDeviceInterfaces()調(diào)用成功返回“TRUE”且devicelnfoData指定一個與查找參數(shù)相符的接口。
    (3)調(diào)用函數(shù)SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()獲得該接口詳細信息。用其獲得接口詳細信息，必須先得到所請求的緩沖區(qū)大小，再分配適當?shù)木彌_區(qū)，并再次調(diào)用該函數(shù)以得到接口詳細信息。此時返回的接口信息包含設備接口名稱．用戶可調(diào)用函數(shù)CreateFile()獲取所要打開設備的句柄。

5 USB二級BOOt loader的下載
    該設計便攜式設備在固件升級時．首先由第1級Bootloader引導進入USB Boot模式．并向PC枚舉該設備。PC識別該USB設備，并加載相應驅(qū)動程序后。固件升級過程便獲取設備系統(tǒng)路徑。因為每一個USB設備有一個PID和VID，應用程序通過PID和VID定位到固件升級的USB設備。獲取設備路徑和句柄后，利用USB總線讀取設備數(shù)據(jù)，從而為完成應用程序與USB設備通信做好準備。
    由于器件MASK ROM的空間限制，諸如USB命令解析、Flash設備驅(qū)動等應用代碼，也就是USB模式下的二級Bootloader代碼，需要通過PC機下載至器件IRAM。
    USB二級代碼的下載過程創(chuàng)建子線程用于檢測設備，只有確認設備已連接，才能下載二級代碼，總的下載流程如圖3所示，圖中實線為主線程，虛線為子線程。

    在獲取到設備路徑后，系統(tǒng)便調(diào)用函數(shù)CreateFile()獲取設備句柄。利用該設備句柄和獲取的二級代碼文件路徑，便能夠通過調(diào)用函數(shù)Boot_VendorRequest()將二級代碼下載到設備IRAM中。
    Boot_VendorRequest函數(shù)原型為：B00L Boot_VendorRe-quest(HANDLE hDevice，DWORD requestCode，LPCTSTR str-FileName)；其中hDevice是設備句柄，requestCode是請求控制碼，strFileName是二級代碼文件路徑，返回值為“TRUE”，說明下載成功，否則下載失敗。該函數(shù)主要調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)DeviceIoControl()，將二級代碼文件進行CRC校驗后，傳入設備IRAM。

6 固件升級
    在完成設備路徑獲取，并將二級引導代碼下載至設備IRAM后，設備控制權(quán)交給這段應用代碼。代碼主要負責Nand Flash的驅(qū)動和USB命令解析。至此，固件升級前的所有工作已準備就緒。固件升級的核心任務是將固件文件無差錯寫入NAND Flash。由于NAND Flash存在壞塊，故必須先對其進行壞塊檢測，然后形成壞塊信息表。根據(jù)需要寫入的固件各部分文件大小，結(jié)合壞塊信息表，則生成固件各文件在Flash中的存放位置，進而將固件下載至Flash。最后填充ID Block，這樣就完成了固件升級。圖4為固件升級流程。

7 系統(tǒng)測試
    系統(tǒng)測試采用自行開發(fā)的便攜式的網(wǎng)絡通信平臺。固件升級前需的準備：(1)保證設備電池充足，防止升級過程因電池不足而中斷；(2)備份設備原有固件；(3)確保設備有足夠存儲容量；(4)檢查IJSB接口可靠性。圖5是固件生成及其下載演示。從圖5中看出，升級過程向設備寫入的菜單、圖像等資源顯示成功。

8 結(jié)束語
    隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，便攜式設備已普及日常生活中。隨著用戶不斷提出新功能要求，廠商通過更新固件使其產(chǎn)品增值。因此，該設計固件升級工具的設計方法可廣泛應用于MP3、電子詞典等便攜式設備。測試結(jié)果表明，升級程序界面簡潔友好，只需幾個簡單操作就能完成系統(tǒng)固件升級。