一种嵌入式系统升级的设计和实现

2011-08-03 08:57:46来源: 互联网

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国家推广。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。

关键字:设计  实现

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0803/article_7764.html
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