基于LPC2148的SD卡實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)升級
1、引言
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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