基于LPC2148的SD卡實現嵌入式系統(tǒng)升級設計

1 引言
    隨著現代工業(yè)社會逐步向智能化社會的過渡，嵌入式在現代經濟生活中扮演著重要的角色。為了做出好的產品，必須與用戶形成互動，利用用戶的反饋信息不斷完善產品。另外，產品在長時間使用中，會慢慢出現終端程序設計上的缺陷，這就要求對終端系統(tǒng)設備的內核、文件進行系統(tǒng)升級或者對設備進行功能維護。如果對幾百個終端進行現場ISP升級，或通過JTAG口、串口實現升級，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，降低了用戶對產品的信譽度。為了解決這些問題，提出了利用LPC2148的SD卡實現嵌入式系統(tǒng)升級的設計方案。

2 總體系統(tǒng)升級方案設計
    廠家生產出產品后，用戶購買回去使用，當設備出現了系統(tǒng)漏洞或者用戶不滿足現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，隨產品一起出廠。
    (3)用戶拿到SD卡后，將其插入SD卡槽，終端設備開始工作。
    (4)用戶使用一段時間后，若出現問題或者需要升級、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。該程序的實現大致分為3個步驟：
    (1)SPI模式下的SD卡底層驅動；
    (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，跳轉到指定段，開始工作。廠家可根據需要，任意安排升級程序放置的位置。

3 系統(tǒng)硬件設計
    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構，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。
    該設計只是產品電路中的一部分。其硬件電路如圖3所示。LPC2148具有同步、全雙工串行接口(SPI)，其最大數據位頻率為輸入時鐘頻率的1／8，可以設置為主機或從機工作方式。SD卡是通過SPI總線協議驅動的，數據傳輸中。主機總是向從機發(fā)送一個字節(jié)數據，而從機也總是向主機發(fā)送一個字節(jié)數據。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卡之間的數據傳輸時鐘信號：MISOl是一個單向信號，用于將數據從SD卡傳輸至LPC2148；MOSll也是一個單向信號。用于將數據從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，并可根據實際要求選定。SD卡與LPC2148之間通過SPI協議和SD文件系統(tǒng)的組織形式．才能協調通訊。

4 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件部分首先通過SPI協議對SD卡初始化，然后根據SD卡的FAF32文件系統(tǒng)組織形式讀取SD卡中的數據，將讀取數據通過IAP方式將其寫入Flash中，最后用一個跳轉程序跳轉到該段，以達到升級的目的。
4．1 SD卡的初始化
    用戶應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據；文件系統(tǒng)層是通過調用SD卡物理層的有關函數來實現的，所以要想以文件系統(tǒng)的形式訪問SD卡，則必須先驅動SD。SD卡的讀寫操作都是基于命令的，通過向SD卡發(fā)送相應的命令并讀取相應的響應控制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模式下正常讀寫數據的前提。SD卡上電復位后，默認是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卡復位，同時激活，并進行內部初始化處理，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)僅實現了讀單塊功能。初始化的長度為512字節(jié)。函數的實現分為4個步驟：①LPC2148向SD卡發(fā)送讀單塊命令(CMD17)，SD卡響應(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卡中讀取數據。
4．2 SD卡文件系統(tǒng)
    SD卡完成底層驅動后，可按照FAT32文件系統(tǒng)格式對SD卡上的數據進行操作，進而在SD卡上實現讀寫文件等操作。FAT32文件系統(tǒng)是微軟FAT類文件系統(tǒng)中的最高版本．是現今Windows下最常用的硬盤文件系統(tǒng)。
    當讀取SD卡中的文件時，首先要根據文件名查找該文件的信息結構體。根據文件信息結構體中的起始簇號即可找到數據區(qū)第1簇的內容，也可在FAT表中找到第2個簇號。根據第2個簇號又能找到第2簇的內容和FAT表中的第3個簇號，直至遇到文件結束標志。這樣，就可根據FAT表中的簇號讀取到全部文件數據。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”所對應的目錄項中可以讀到該文件的首簇號0004：
    (2)根據首簇號0004訪問FAT表，讀出首簇號對應的FAT表項內容0005，即第2個簇號。根據第2個簇號再訪問FAT表，讀出其對應的FAT表內容，即第3個簇號0006…等。依次做下去，直到最后一個表項內容為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，根據這些簇號所形成的簇鏈訪問這4個簇號對應的4個數據存儲區(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
    LPC2148支持多種方式對Flash進行編程，用來寫入用戶代碼或數據。第一種方式是通過內置的串行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Flash存儲器不可訪問。當用戶運行應用程序時，用戶Flash區(qū)域的中斷向量有效．所以在調用Flash擦除、寫IAP之前，用戶應當禁止中斷，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卡讀出的數據用C代碼燒入指定的Flash段中：

4．4 程序實現跳轉到任意行代碼段執(zhí)行
    現以下例來說明這段程序，如果程序跳轉到絕對地址為0xFFFF0執(zhí)行，代碼如下：
    typedef void(*run)()；//定義一個無參數，無返回類型的函數指針類型
    run address=(run)0xFFFFO；／／定義一個函數指針，指向跳轉的位置
    address()：//調用函數
    在上述應用程序中，根本沒有看到任何一個函數實體，但是卻執(zhí)行了函數調用；實際上它起到了“軟重肩”的作用，跳轉到CPU啟動后第一條要執(zhí)行的指令位置，即實現了程序的跳轉。

5 結語
    該設計方案以LPC2148為核心，通過SD卡驅動、FAT32文件系統(tǒng)、IAP功能和程序跳轉實現了系統(tǒng)升級的模塊設計，并用于實際開發(fā)中。該設計增強了系統(tǒng)維護，縮短了產品的開發(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。該設計已經調試成功，并作為一個功能模塊用于某電子產品上，在產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據等，也可用于ARM9。因此該設計方案具有廣泛的應用前景。