分享：一种嵌入式系统升级的设计和实现

1、引言
       随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数推广。数字音频广播（DAB）也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒，核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通讯软件。本文提出了利用LPC2148的SD卡实现嵌入式系统升级的设计方案。
2、总体系统升级方案设计
       厂家生产出产品后，用户购买回去使用，当设备出现了系统漏洞或者用户不满足现有功能而提出更多需求时，就要对系统升级或者维护系统功能。厂家只需将SD卡取回，把更新后的程序放入SD卡中，然后发放给用户，用户只需把SD卡插入终端设备。即可达到系统升级的目的。图1给出厂商与用户之间的交流流程图。图2给出整个系统设计流程图。

按图1所示，厂商与用户交流过程如下：
(1)厂商将一个类似Boot loader的程序通过ISP方式，将其下载到Flash中，如图2所示的位置。
(2)将升级程序放入SD卡中，随产品一起出厂。
(3)用户拿到SD卡后，将其插入SD卡槽，终端设备开始工作。
(4)用户使用一段时间后，若出现问题或者需要升级、维护时．只需将SD卡返回厂家即可。
(5)厂家将升级后的程序放入返回的SD卡中，再返回给用户．或者厂家直接再发放SD卡给用户，而无需用户返回SD卡。
(6)用户拿到SD卡后，将其直接插入终端设备卡后，则可达到升级的目的。
出厂前，通过ISP编程方式烧入一个类似于Boot loader的程序。该程序的实现大致分为3个步骤：
(1)SPI模式下的SD卡底层驱动；
(2)读出SD卡中的系统程序，并放入指定的Flash地址段中：
(3)跳转到指定的Flash地址段，执行升级后的系统。
       在用户插入SD卡前，程序不断判断SD卡是否插入。用户插入SD卡后，程序首先驱动SD卡，使其能正常工作，然后读取SD卡中的升级程序，并将其放入指定的Flash地址段中。最后，跳转到指定段，开始工作。厂家可根据需要，任意安排升级程序放置的位置。
3、系统硬件设计
       核心处理器采用PHILIPS公司的LPC2148。它是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7微控制器。带有32KB和512 KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行，并带有SPI总线。选用该处理器主要考虑其内部资源丰富，无需扩展存储器和SPI总线，且性能优异，抗干扰能力强，价格低廉，具有极高的性价比。
       该设计只是产品电路中的一部分。其硬件电路如图3所示。LPC2148具有同步、全双工串行接口(SPI)，其最大数据位频率为输入时钟频率的1／8，可以设置为主机或从机工作方式。SD卡是通过SPI总线协议驱动的，数据传输中。主机总是向从机发送一个字节数据，而从机也总是向主机发送一个字节数据。图3中左边为LPC2148，右边为SD卡插槽。SCKl为串行时钟，用于LPC2148与SD卡之间的数据传输时钟信号：MISOl是一个单向信号，用于将数据从SD卡传输至LPC2148；MOSll也是一个单向信号。用于将数据从LPC2148传输至SD卡；SSEL1为选通信号，用于选中SD卡。图3中的引脚3和引脚6分别接地，引脚4接电源，引脚8用于检测SD卡是否插入，并可根据实际要求选定。SD卡与LPC2148之间通过SPI协议和SD文件系统的组织形式．才能协调通讯。

4、系统软件设计
       系统软件部分首先通过SPI协议对SD卡初始化，然后根据SD卡的FAF32文件系统组织形式读取SD卡中的数据，将读取数据通过IAP方式将其写入Flash中，最后用一个跳转程序跳转到该段，以达到升级的目的。
4.1 SD卡的初始化
       SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理（PDA）和多媒体播放器等。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
       用户应用程序通常以文件的形式访问SD卡，并以文件的形式存取数据；文件系统层是通过调用SD卡物理层的有关函数来实现的，所以要想以文件系统的形式访问SD卡，则必须先驱动SD。SD卡的读写操作都是基于命令的，通过向SD卡发送相应的命令并读取相应的响应控制SD卡。在对SD卡读写前，首先要进行初始化操作。这是确保SD卡能在SPI模式下正常读写数据的前提。SD卡上电复位后，默认是SD模式。为了使SD卡进入SPI模式，必须将CS置低(至少延迟74个时钟)并通过SPI总线发送CMDn，使SD卡复位，同时激活，并进行内部初始化处理，使SD卡退出空闲状态。
SD卡初始化流程图如图4所示。

       SD卡中SPI模块的读操作包括读单块和读多块两种。该系统仅实现了读单块功能。初始化的长度为512字节。函数的实现分为4个步骤：①LPC2148向SD卡发送读单块命令(CMD17)，SD卡响应(Rl格式)；②等待SD卡发送读起始令牌；③判断收到的令牌是否为0xFE；④从SD卡中读取数据。
4.2 SD卡文件系统
       SD卡完成底层驱动后，可按照FAT32文件系统格式对SD卡上的数据进行操作，进而在SD卡上实现读写文件等操作。FAT32文件系统是微软FAT类文件系统中的最高版本．是现今Windows下最常用的硬盘文件系统。
       当读取SD卡中的文件时，首先要根据文件名查找该文件的信息结构体。根据文件信息结构体中的起始簇号即可找到数据区第1簇的内容，也可在FAT表中找到第2个簇号。根据第2个簇号又能找到第2簇的内容和FAT表中的第3个簇号，直至遇到文件结束标志。这样，就可根据FAT表中的簇号读取到全部文件数据。以图5为例，说明读取SD卡文件的具体步骤：
(1)先在目录项表中找到与文件名匹配的，如“Mvfile”，从“Myfile”所对应的目录项中可以读到该文件的首簇号0004：
(2)根据首簇号0004访问FAT表，读出首簇号对应的FAT表项内容0005，即第2个簇号。根据第2个簇号再访问FAT表，读出其对应的FAT表内容，即第3个簇号0006…等。依次做下去，直到最后一个表项内容为FFFF为止；
(3)由第(2)步可知，“Myfile"这个文件占用了4个簇，这4个簇号形成一个簇链000dH一0005H一0006H一0008H，根据这些簇号所形成的簇链访问这4个簇号对应的4个数据存储区域．文件“Myfile”就分成4个部分分别存放在这4个存储区域中161。

4.3 IAP功能的实现
       IAP:In Application Programming 是指在应用编程，即在程序运行中编程，就是片子提供一系列的机制（硬件/软件上的）当片子在运行程序的时候可以提供一种改变flash数据的方法。通俗点讲，也就是说程序自己可以往程序存储器里写数据或修改程序。这种方式的典型应用就是用一小段代码来实现程序的下载，实际上单片机的ISP功能就是通过IAP技术来实现的，即片子在出厂前就已经有一段小的boot程序在里面，片子上电后，开始运行这段程序，当检测到上位机有下载要求时，便和上位机通信，然后下载数据到存储区。
       LPC2148支持多种方式对Flash进行编程，用来写入用户代码或数据。第一种方式是通过内置的串行JTAG接口进行编程：第二种方式是通过UART0进行在系统编程(ISP)；第三种方式是通过在应用编程(IAP)。IAP程序是thumb代码，地址为0x7FFFFFF0。在使用IAP擦除、编程操作过程中，片内Flash存储器不可访问。当用户运行应用程序时，用户Flash区域的中断向量有效．所以在调用Flash擦除、写IAP之前，用户应当禁止中断，确保用户中断向量在RAM中有效和中断处理程序位于RAM中。IAP代码不使用或禁止中断。可将SD卡读出的数据用C代码烧入指定的Flash段中：

4.4 程序实现跳转到任意行代码段执行
      现以下例来说明这段程序，如果程序跳转到绝对地址为0xFFFF0执行，代码如下：
   typedef void（*run）（）；//定义一个无参数，无返回类型的函数指针类型
   run address=（run）0xFFFFO;//定义一个函数指针，指向跳转的位置
   address（）：//调用函数
       在上述应用程序中，根本没有看到任何一个函数实体，但是却执行了函数调用；实际上它起到了"软重肩"的作用，跳转到CPU启动后第一条要执行的指令位置，即实现了程序的跳转。
5、结语
       该设计方案以LPC2148为核心，通过SD卡驱动、FAT32文件系统、IAP功能和程序跳转实现了系统升级的模块设计，并用于实际开发中。该设计增强了系统维护，缩短了产品的开发周期。节约了大量的人力、财力，增加了与用户的交流力度。与传统设计相比。在开发时间、成本和灵活性等方面都占有优势性。该设计已经调试成功，并作为一个功能模块用于某电子产品上，在产品需要增加新功能和维护系统稳定方面起到了巨大的作用。要注意的是，该程序设计是在Keil下编译通过的，生成的HEX文件不能直接放入SD卡中，因为该文件与通过ISP烧写Flash的文件不一样，要作一定的修改。另外，该方案不仅能用于系统升级，也能用于为程序补丁和写入数据等，也可用于ARM9.因此该设计方案具有广泛的应用前景。