基于LPC2148的SD卡實(shí)現嵌入式系統升級

1、引言

　　隨著(zhù)現代工業(yè)社會(huì )逐步向智能化社會(huì )的過(guò)渡，嵌入式在現代經(jīng)濟生活中扮演著(zhù)重要的角色。為了做出好的產(chǎn)品，必須與用戶(hù)形成互動(dòng)，利用用戶(hù)的反饋信息不斷完善產(chǎn)品。另外，產(chǎn)品在長(cháng)時(shí)間使用中，會(huì )慢慢出現終端程序設計上的缺陷，這就要求對終端系統設備的內核、文件進(jìn)行系統升級或者對設備進(jìn)行功能維護。如果對幾百個(gè)終端進(jìn)行現場(chǎng)ISP升級，或通過(guò)JTAG口、串口實(shí)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(shí)間，延誤了開(kāi)拓市場(chǎng)的機遇，降低了用戶(hù)對產(chǎn)品的信譽(yù)度。為了解決這些問(wèn)題，提出了利用LPC2148的SD卡實(shí)現嵌入式系統升級的設計方案。

2、總體系統升級方案設計

　　廠(chǎng)家生產(chǎn)出產(chǎn)品后，用戶(hù)購買(mǎi)回去使用，當設備出現了系統漏洞或者用戶(hù)不滿(mǎn)足現有功能而提出更多需求時(shí)，就要對系統升級或者維護系統功能。廠(chǎng)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(hù)，用戶(hù)只需把SD卡插入終端設備．即可達到系統升級的目的。圖1給出廠(chǎng)商與用戶(hù)之間的交流流程圖。圖2給出整個(gè)系統設計流程圖。

　　按圖1所示，廠(chǎng)商與用戶(hù)交流過(guò)程如下：

　　(1)廠(chǎng)商將一個(gè)類(lèi)似Boot loader的程序通過(guò)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(chǎng)。

　　(3)用戶(hù)拿到SD卡后，將其插入SD卡槽，終端設備開(kāi)始工作。

　　(4)用戶(hù)使用一段時(shí)間后，若出現問(wèn)題或者需要升級、維護時(shí)．只需將SD卡返回廠(chǎng)家即可。

　　(5)廠(chǎng)家將升級后的程序放入返回的SD卡中，再返回給用戶(hù)．或者廠(chǎng)家直接再發(fā)放SD卡給用戶(hù)，而無(wú)需用戶(hù)返回SD卡。

　　(6)用戶(hù)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(chǎng)前，通過(guò)ISP編程方式燒入一個(gè)類(lèi)似于Boot loader的程序。該程序的實(shí)現大致分為3個(gè)步驟：

　　(1)SPI模式下的SD卡底層驅動(dòng)；

　　(2)讀出SD卡中的系統程序，并放入指定的Flash地址段中：

　　(3)跳轉到指定的Flash地址段，執行升級后的系統。

　　在用戶(hù)插入SD卡前，程序不斷判斷SD卡是否插入。用戶(hù)插入SD卡后，程序首先驅動(dòng)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(kāi)始工作。廠(chǎng)家可根據需要，任意安排升級程序放置的位置。

3、系統硬件設計

　　核心處理器采用PHILIPS公司的LPC2148。它是一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(shí)鐘速率下運行，并帶有SPI總線(xiàn)。選用該處理器主要考慮其內部資源豐富，無(wú)需擴展存儲器和SPI總線(xiàn)，且性能優(yōu)異，抗干擾能力強，價(jià)格低廉，具有極高的性?xún)r(jià)比。

　　該設計只是產(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)，其最大數據位頻率為輸入時(shí)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(guò)SPI總線(xiàn)協(xié)議驅動(dòng)的，數據傳輸中。主機總是向從機發(fā)送一個(gè)字節數據，而從機也總是向主機發(fā)送一個(gè)字節數據。圖3中左邊為L(cháng)PC2148，右邊為SD卡插槽。SCKl為串行時(shí)鐘，用于LPC2148與SD卡之間的數據傳輸時(shí)鐘信號：MISOl是一個(gè)單向信號，用于將數據從SD卡傳輸至LPC2148；MOSll也是一個(gè)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(shí)際要求選定。SD卡與LPC2148之間通過(guò)SPI協(xié)議和SD文件系統的組織形式．才能協(xié)調通訊。

4、系統軟件設計

　　系統軟件部分首先通過(guò)SPI協(xié)議對SD卡初始化，然后根據SD卡的FAF32文件系統組織形式讀取SD卡中的數據，將讀取數據通過(guò)IAP方式將其寫(xiě)入Flash中，最后用一個(gè)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(hù)應用程序通常以文件的形式訪(fǎng)問(wèn)SD卡，并以文件的形式存取數據；文件系統層是通過(guò)調用SD卡物理層的有關(guān)函數來(lái)實(shí)現的，所以要想以文件系統的形式訪(fǎng)問(wèn)SD卡，則必須先驅動(dòng)SD。SD卡的讀寫(xiě)操作都是基于命令的，通過(guò)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(xiě)前，首先要進(jìn)行初始化操作。這是確保SD卡能在SPI模式下正常讀寫(xiě)數據的前提。SD卡上電復位后，默認是SD模式。為了使SD卡進(jìn)入SPI模式，必須將CS置低(至少延遲74個(gè)時(shí)鐘)并通過(guò)SPI總線(xiàn)發(fā)送CMDn，使SD卡復位，同時(shí)激活，并進(jìn)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。該系統僅實(shí)現了讀單塊功能。初始化的長(cháng)度為512字節。函數的實(shí)現分為4個(gè)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

　　SD卡完成底層驅動(dòng)后，可按照FAT32文件系統格式對SD卡上的數據進(jìn)行操作，進(jìn)而在SD卡上實(shí)現讀寫(xiě)文件等操作。FAT32文件系統是微軟FAT類(lèi)文件系統中的最高版本．是現今Windows下最常用的硬盤(pán)文件系統。

　　當讀取SD卡中的文件時(shí)，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第1簇的內容，也可在FAT表中找到第2個(gè)簇號。根據第2個(gè)簇號又能找到第2簇的內容和FAT表中的第3個(gè)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(shuō)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(fǎng)問(wèn)FAT表，讀出首簇號對應的FAT表項內容0005，即第2個(gè)簇號。根據第2個(gè)簇號再訪(fǎng)問(wèn)FAT表，讀出其對應的FAT表內容，即第3個(gè)簇號0006…等。依次做下去，直到最后一個(gè)表項內容為FFFF為止；

　　(3)由第(2)步可知，“Myfile"這個(gè)文件占用了4個(gè)簇，這4個(gè)簇號形成一個(gè)簇鏈000dH一0005H一0006H一0008H，根據這些簇號所形成的簇鏈訪(fǎng)問(wèn)這4個(gè)簇號對應的4個(gè)數據存儲區域．文件“Myfile”就分成4個(gè)部分分別存放在這4個(gè)存儲區域中161。

4.3 IAP功能的實(shí)現

　　LPC2148支持多種方式對Flash進(jìn)行編程，用來(lái)寫(xiě)入用戶(hù)代碼或數據。第一種方式是通過(guò)內置的串行JTAG接口進(jìn)行編程：第二種方式是通過(guò)UART0進(jìn)行在系統編程(ISP)；第三種方式是通過(guò)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(guò)程中，片內Flash存儲器不可訪(fǎng)問(wèn)。當用戶(hù)運行應用程序時(shí)，用戶(hù)Flash區域的中斷向量有效．所以在調用Flash擦除、寫(xiě)IAP之前，用戶(hù)應當禁止中斷，確保用戶(hù)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(shí)現跳轉到任意行代碼段執行

　　現以下例來(lái)說(shuō)明這段程序，如果程序跳轉到絕對地址為0xFFFF0執行，代碼如下：

　　typedef void(*run)()；//定義一個(gè)無(wú)參數，無(wú)返回類(lèi)型的函數指針類(lèi)型

　　run address=(run)0xFFFFO；／／定義一個(gè)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(méi)有看到任何一個(gè)函數實(shí)體，但是卻執行了函數調用；實(shí)際上它起到了“軟重肩”的作用，跳轉到CPU啟動(dòng)后第一條要執行的指令位置，即實(shí)現了程序的跳轉。

5、結語(yǔ)

　　該設計方案以L(fǎng)PC2148為核心，通過(guò)SD卡驅動(dòng)、FAT32文件系統、IAP功能和程序跳轉實(shí)現了系統升級的模塊設計，并用于實(shí)際開(kāi)發(fā)中。該設計增強了系統維護，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期．節約了大量的人力、財力，增加了與用戶(hù)的交流力度。與傳統設計相比。在開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和靈活性等方面都占有優(yōu)勢性。該設計已經(jīng)調試成功，并作為一個(gè)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穩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(guò)的，生成的HEX文件不能直接放入SD卡中，因為該文件與通過(guò)ISP燒寫(xiě)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升級，也能用于為程序補丁和寫(xiě)入數據等，也可用于A(yíng)RM9。因此該設計方案具有廣泛的應用前景。