基于LPC2148的SD卡實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)升級設(shè)計
隨著現(xiàn)代工業(yè)社會逐步向智能化社會的過渡，嵌入式在現(xiàn)代經(jīng)濟生活中扮演著重要的角色。為了做出好的產(chǎn)品，必須與用戶形成互動，利用用戶的反饋信息不斷完善產(chǎn)品。另外，產(chǎn)品在長時間使用中，會慢慢出現(xiàn)終端程序設(shè)計上的缺陷，這就要求對終端系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)核、文件進行系統(tǒng)升級或者對設(shè)備進行功能維護。如果對幾百個終端進行現(xiàn)場ISP升級，或通過JTAG口、串口實現(xiàn)升級，不僅浪費大量的人力、財力，更重要的是浪費了寶貴的時間，延誤了開拓市場的機遇，降低了用戶對產(chǎn)品的信譽度。為了解決這些問題，提出了利用LPC2148的SD卡實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)升級的設(shè)計方案。
2 總體系統(tǒng)升級方案設(shè)計
廠家生產(chǎn)出產(chǎn)品后，用戶購買回去使用，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)了系統(tǒng)漏洞或者用戶不滿足現(xiàn)有功能而提出更多需求時，就要對系統(tǒng)升級或者維護系統(tǒng)功能。廠家只需將SD卡取回，把更新后的程序放入SD卡中，然后發(fā)放給用戶，用戶只需把SD卡插入終端設(shè)備．即可達到系統(tǒng)升級的目的。圖1給出廠商與用戶之間的交流流程圖。圖2給出整個系統(tǒng)設(shè)計流程圖。
按圖1所示，廠商與用戶交流過程如下：
(1)廠商將一個類似Boot loader的程序通過ISP方式，將其下載到Flash中，如圖2所示的位置。
(2)將升級程序放入SD卡中，隨產(chǎn)品一起出廠。
(3)用戶拿到SD卡后，將其插入SD卡槽，終端設(shè)備開始工作。
(4)用戶使用一段時間后，若出現(xiàn)問題或者需要升級、維護時．只需將SD卡返回廠家即可。
(5)廠家將升級后的程序放入返回的SD卡中，再返回給用戶．或者廠家直接再發(fā)放SD卡給用戶，而無需用戶返回SD卡。
(6)用戶拿到SD卡后，將其直接插入終端設(shè)備卡后，則可達到升級的目的。
出廠前，通過ISP編程方式燒入一個類似于Boot loader的程序。該程序的實現(xiàn)大致分為3個步驟：
(1)SPI模式下的SD卡底層驅(qū)動；
(2)讀出SD卡中的系統(tǒng)程序，并放入指定的Flash地址段中：
(3)跳轉(zhuǎn)到指定的Flash地址段，執(zhí)行升級后的系統(tǒng)。
在用戶插入SD卡前，程序不斷判斷SD卡是否插入。用戶插入SD卡后，程序首先驅(qū)動SD卡，使其能正常工作，然后讀取SD卡中的升級程序，并將其放入指定的Flash地址段中。最后，跳轉(zhuǎn)到指定段，開始工作。廠家可根據(jù)需要，任意安排升級程序放置的位置。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
核心處理器采用PHILIPS公司的LPC2148。它是一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7微控制器。帶有32KB和512 KB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，并帶有SPI總線。選用該處理器主要考慮其內(nèi)部資源豐富，無需擴展存儲器和SPI總線，且性能優(yōu)異，抗干擾能力強，價格低廉，具有極高的性價比。
該設(shè)計只是產(chǎn)品電路中的一部分。其硬件電路如圖3所示。LPC2148具有同步、全雙工串行接口(SPI)，其最大數(shù)據(jù)位頻率為輸入時鐘頻率的1／8，可以設(shè)置為主機或從機工作方式。SD卡是通過SPI總線協(xié)議驅(qū)動的，數(shù)據(jù)傳輸中。主機總是向從機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，而從機也總是向主機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)。圖3中左邊為LPC2148，右邊為SD卡插槽。SCKl為串行時鐘，用于LPC2148與SD卡之間的數(shù)據(jù)傳輸時鐘信號：MISOl是一個單向信號，用于將數(shù)據(jù)從SD卡傳輸至LPC2148；MOSll也是一個單向信號。用于將數(shù)據(jù)從LPC2148傳輸至SD卡；SSEL1為選通信號，用于選中SD卡。圖3中的引腳3和引腳6分別接地，引腳4接電源，引腳8用于檢測SD卡是否插入，并可根據(jù)實際要求選定。SD卡與LPC2148之間通過SPI協(xié)議和SD文件系統(tǒng)的組織形式．才能協(xié)調(diào)通訊。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件部分首先通過SPI協(xié)議對SD卡初始化，然后根據(jù)SD卡的FAF32文件系統(tǒng)組織形式讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，將讀取數(shù)據(jù)通過IAP方式將其寫入Flash中，最后用一個跳轉(zhuǎn)程序跳轉(zhuǎn)到該段，以達到升級的目的。
4．1 SD卡的初始化
用戶應(yīng)用程序通常以文件的形式訪問SD卡，并以文件的形式存取數(shù)據(jù)；文件系統(tǒng)層是通過調(diào)用SD卡物理層的有關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)的，所以要想以文件系統(tǒng)的形式訪問SD卡，則必須先驅(qū)動SD。SD卡的讀寫操作都是基于命令的，通過向SD卡發(fā)送相應(yīng)的命令并讀取相應(yīng)的響應(yīng)控制SD卡。在對SD卡讀寫前，首先要進行初始化操作。這是確保SD卡能在SPI模式下正常讀寫數(shù)據(jù)的前提。SD卡上電復(fù)位后，默認(rèn)是SD模式。為了使SD卡進入SPI模式，必須將CS置低(至少延遲74個時鐘)并通過SPI總線發(fā)送CMDn，使SD卡復(fù)位，同時激活，并進行內(nèi)部初始化處理，使SD卡退出空閑狀態(tài)。
SD卡初始化流程圖如圖4所示。
SD卡中SPI模塊的讀操作包括讀單塊和讀多塊兩種。該系統(tǒng)僅實現(xiàn)了讀單塊功能。初始化的長度為512字節(jié)。函數(shù)的實現(xiàn)分為4個步驟：①LPC2148向SD卡發(fā)送讀單塊命令(CMD17)，SD卡響應(yīng)(Rl格式)；②等待SD卡發(fā)送讀起始令牌；③判斷收到的令牌是否為0xFE；④從SD卡中讀取數(shù)據(jù)。
4．2 SD卡文件系統(tǒng)
SD卡完成底層驅(qū)動后，可按照FAT32文件系統(tǒng)格式對SD卡上的數(shù)據(jù)進行操作，進而在SD卡上實現(xiàn)讀寫文件等操作。FAT32文件系統(tǒng)是微軟FAT類文件系統(tǒng)中的最高版本．是現(xiàn)今Windows下最常用的硬盤文件系統(tǒng)。
當(dāng)讀取SD卡中的文件時，首先要根據(jù)文件名查找該文件的信息結(jié)構(gòu)體。根據(jù)文件信息結(jié)構(gòu)體中的起始簇號即可找到數(shù)據(jù)區(qū)第1簇的內(nèi)容，也可在FAT表中找到第2個簇號。根據(jù)第2個簇號又能找到第2簇的內(nèi)容和FAT表中的第3個簇號，直至遇到文件結(jié)束標(biāo)志。這樣，就可根據(jù)FAT表中的簇號讀取到全部文件數(shù)據(jù)。以圖5為例，說明讀取SD卡文件的具體步驟：
(1)先在目錄項表中找到與文件名匹配的，如“Mvfile”，從“Myfile”所對應(yīng)的目錄項中可以讀到該文件的首簇號0004：
(2)根據(jù)首簇號0004訪問FAT表，讀出首簇號對應(yīng)的FAT表項內(nèi)容0005，即第2個簇號。根據(jù)第2個簇號再訪問FAT表，讀出其對應(yīng)的FAT表內(nèi)容，即第3個簇號0006…等。依次做下去，直到最后一個表項內(nèi)容為FFFF為止；
(3)由第(2)步可知，“Myfile"這個文件占用了4個簇，這4個簇號形成一個簇鏈000dH一0005H一0006H一0008H，根據(jù)這些簇號所形成的簇鏈訪問這4個簇號對應(yīng)的4個數(shù)據(jù)存儲區(qū)域．文件“Myfile”就分成4個部分分別存放在這4個存儲區(qū)域中161。
4．3 IAP功能的實現(xiàn)
LPC2148支持多種方式對Flash進行編程，用來寫入用戶代碼或數(shù)據(jù)。第一種方式是通過內(nèi)置的串行JTAG接口進行編程：第二種方式是通過UART0進行在系統(tǒng)編程(ISP)；第三種方式是通過在應(yīng)用編程(IAP)。IAP程序是thumb代碼，地址為0x7FFFFFF0。在使用IAP擦除、編程操作過程中，片內(nèi)Flash存儲器不可訪問。當(dāng)用戶運行應(yīng)用程序時，用戶Flash區(qū)域的中斷向量有效．所以在調(diào)用Flash擦除、寫IAP之前，用戶應(yīng)當(dāng)禁止中斷，確保用戶中斷向量在RAM中有效和中斷處理程序位于RAM中。IAP代碼不使用或禁止中斷?？蓪D卡讀出的數(shù)據(jù)用C代碼燒入指定的Flash段中：
4．4 程序?qū)崿F(xiàn)跳轉(zhuǎn)到任意行代碼段執(zhí)行
現(xiàn)以下例來說明這段程序，如果程序跳轉(zhuǎn)到絕對地址為0xFFFF0執(zhí)行，代碼如下：
typedef void(*run)()；//定義一個無參數(shù)，無返回類型的函數(shù)指針類型
run address=(run)0xFFFFO；／／定義一個函數(shù)指針，指向跳轉(zhuǎn)的位置
address()：//調(diào)用函數(shù)
在上述應(yīng)用程序中，根本沒有看到任何一個函數(shù)實體，但是卻執(zhí)行了函數(shù)調(diào)用；實際上它起到了“軟重肩”的作用，跳轉(zhuǎn)到CPU啟動后第一條要執(zhí)行的指令位置，即實現(xiàn)了程序的跳轉(zhuǎn)。
5 結(jié)語
該設(shè)計方案以LPC2148為核心，通過SD卡驅(qū)動、FAT32文件系統(tǒng)、IAP功能和程序跳轉(zhuǎn)實現(xiàn)了系統(tǒng)升級的模塊設(shè)計，并用于實際開發(fā)中。該設(shè)計增強了系統(tǒng)維護，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期．節(jié)約了大量的人力、財力，增加了與用戶的交流力度。與傳統(tǒng)設(shè)計相比。在開發(fā)時間、成本和靈活性等方面都占有優(yōu)勢性。該設(shè)計已經(jīng)調(diào)試成功，并作為一個功能模塊用于某電子產(chǎn)品上，在產(chǎn)品需要增加新功能和維護系統(tǒng)穩(wěn)定方面起到了巨大的作用。要注意的是，該程序設(shè)計是在Keil下編譯通過的，生成的HEX文件不能直接放入SD卡中，因為該文件與通過ISP燒寫Flash的文件不一樣，要作一定的修改。另外，該方案不僅能用于系統(tǒng)升級，也能用于為程序補丁和寫入數(shù)據(jù)等，也可用于ARM9。因此該設(shè)計方案具有廣泛的應(yīng)用前景。
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