一種嵌入式系統(tǒng)升級(jí)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1、引言

隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。嵌入式技術(shù)全面展開，目前已成為通信和消費(fèi)類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國(guó)已開始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，歐洲的DVB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)已在全球大多數(shù)國(guó)家推廣。數(shù)字音頻廣播（DAB）也已進(jìn)入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。所有上述產(chǎn)品中，都離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。象前途無可計(jì)量的維納斯計(jì)劃生產(chǎn)機(jī)頂盒，核心技術(shù)就是采用32位以上芯片級(jí)的嵌入式技術(shù)。在個(gè)人領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品將主要是個(gè)人商用，作為個(gè)人移動(dòng)的數(shù)據(jù)處理和通訊軟件。本文提出了利用LPC2148的SD卡實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)升級(jí)的設(shè)計(jì)方案。

2、總體系統(tǒng)升級(jí)方案設(shè)計(jì)

廠家生產(chǎn)出產(chǎn)品后，用戶購(gòu)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(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)升級(jí)或者維護(hù)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(dá)到系統(tǒng)升級(jí)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(jí)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(shí)間后，若出現(xiàn)問題或者需要升級(jí)、維護(hù)時(shí)．只需將SD卡返回廠家即可。

(5)廠家將升級(jí)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(dá)到升級(jí)的目的。

出廠前，通過ISP編程方式燒入一個(gè)類似于Boot loader的程序。該程序的實(shí)現(xiàn)大致分為3個(gè)步驟：

(1)SPI模式下的SD卡底層驅(qū)動(dòng)；

(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(jí)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(dòng)SD卡，使其能正常工作，然后讀取SD卡中的升級(jí)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(jí)程序放置的位置。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)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(kuò)展存儲(chǔ)器和SPI總線，且性能優(yōu)異，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，具有極高的性價(jià)比。

該設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率的1／8，可以設(shè)置為主機(jī)或從機(jī)工作方式。SD卡是通過SPI總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)的，數(shù)據(jù)傳輸中。主機(jī)總是向從機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，而從機(jī)也總是向主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。圖3中左邊為L(zhǎng)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(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘信號(hào)：MISOl是一個(gè)單向信號(hào)，用于將數(shù)據(jù)從SD卡傳輸至LPC2148；MOSll也是一個(gè)單向信號(hào)。用于將數(shù)據(jù)從LPC2148傳輸至SD卡；SSEL1為選通信號(hào)，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(cè)SD卡是否插入，并可根據(jù)實(shí)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(jì)

系統(tǒng)軟件部分首先通過SPI協(xié)議對(duì)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(gè)跳轉(zhuǎn)程序跳轉(zhuǎn)到該段，以達(dá)到升級(jí)的目的。

4.1 SD卡的初始化

SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理（PDA）和多媒體播放器等。SD卡由日本松下、東芝及美國(guó)SanDisk公司于1999年8月共同開發(fā)研制。大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2克，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性。

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(shí)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(dòng)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(duì)SD卡讀寫前，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(jìn)入SPI模式，必須將CS置低(至少延遲74個(gè)時(shí)鐘)并通過SPI總線發(fā)送CMDn，使SD卡復(fù)位，同時(shí)激活，并進(jìn)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。