1、引言
隨著信息化，智能化，網絡化的發展，嵌入式系統技術也將獲得廣闊的發展空間。嵌入式技術全面展開，目前已成為通信和消費類產品的共同發展方向。在通信領域，數字技術正在全面取代模擬技術。在廣播電視領域，美國已開始由模擬電視向數字電視轉變，歐洲的DVB（數字電視廣播）技術已在全球大多數國家推廣。數字音頻廣播（DAB）也已進入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產業發展中的作用日益重要。所有上述產品中，都離不開嵌入式系統技術。象前途無可計量的維納斯計劃生產機頂盒，核心技術就是采用32位以上芯片級的嵌入式技術。在個人領域中，嵌入式產品將主要是個人商用，作為個人移動的數據處理和通訊軟件。本文提出了利用LPC2148的SD卡實現嵌入式系統升級的設計方案。
2、總體系統升級方案設計
廠家生產出產品后，用戶購買回去使用，當設備出現了系統漏洞或者用戶不滿足現有功能而提出更多需求時，就要對系統升級或者維護系統功能。廠家只需將SD卡取回，把更新后的程序放入SD卡中，然后發放給用戶，用戶只需把SD卡插入終端設備。即可達到系統升級的目的。圖1給出廠商與用戶之間的交流流程圖。圖2給出整個系統設計流程圖。
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，隨產品一起出廠。
(3)用戶拿到SD卡后，將其插入SD卡槽，終端設備開始工作。
(4)用戶使用一段時間后，若出現問題或者需要升級、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。該程序的實現大致分為3個步驟：
(1)SPI模式下的SD卡底層驅動；
(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，跳轉到指定段，開始工作。廠家可根據需要，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構，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部資源豐富，無需擴展存儲器和SPI總線，且性能優異，抗干擾能力強，價格低廉，具有極高的性價比。
該設計只是產品電路中的一部分。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SPI總線協議驅動的，數據傳輸中。主機總是向從機發送一個字節數據，而從機也總是向主機發送一個字節數據。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卡之間的數據傳輸時鐘信號：MISOl是一個單向信號，用于將數據從SD卡傳輸至LPC2148；MOSll也是一個單向信號。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，并可根據實際要求選定。SD卡與LPC2148之間通過SPI協議和SD文件系統的組織形式．才能協調通訊。
4、系統軟件設計
系統軟件部分首先通過SPI協議對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IAP方式將其寫入Flash中，最后用一個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
SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數碼卡，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數碼相機、個人數碼助理（PDA）和多媒體播放器等。SD卡由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開發研制。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、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。
用戶應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據；文件系統層是通過調用SD卡物理層的有關函數來實現的，所以要想以文件系統的形式訪問SD卡，則必須先驅動SD。SD卡的讀寫操作都是基于命令的，通過向SD卡發送相應的命令并讀取相應的響應控制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模式下正常讀寫數據的前提。SD卡上電復位后，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總線發送CMDn，使SD卡復位，同時激活，并進行內部初始化處理，使SD卡退出空閑狀態。
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。該系統僅實現了讀單塊功能。初始化的長度為512字節。函數的實現分為4個步驟：①LPC2148向SD卡發送讀單塊命令(CMD17)，SD卡響應(Rl格式)；②等待SD卡發送讀起始令牌；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卡完成底層驅動后，可按照FAT32文件系統格式對SD卡上的數據進行操作，進而在SD卡上實現讀寫文件等操作。FAT32文件系統是微軟FAT類文件系統中的最高版本．是現今Windows下最常用的硬盤文件系統。
當讀取SD卡中的文件時，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個簇號。根據第2個簇號又能找到第2簇的內容和FAT表中的第3個簇號，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訪問FAT表，讀出首簇號對應的FAT表項內容0005，即第2個簇號。根據第2個簇號再訪問FAT表，讀出其對應的FAT表內容，即第3個簇號0006…等。依次做下去，直到最后一個表項內容為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，根據這些簇號所形成的簇鏈訪問這4個簇號對應的4個數據存儲區域．文件“Myfile”就分成4個部分分別存放在這4個存儲區域中161。
4.3 IAP功能的實現
IAP:In Application Programming 是指在應用編程，即在程序運行中編程，就是片子提供一系列的機制（硬件/軟件上的）當片子在運行程序的時候可以提供一種改變flash數據的方法。通俗點講，也就是說程序自己可以往程序存儲器里寫數據或修改程序。這種方式的典型應用就是用一小段代碼來實現程序的下載，實際上單片機的ISP功能就是通過IAP技術來實現的，即片子在出廠前就已經有一段小的boot程序在里面，片子上電后，開始運行這段程序，當檢測到上位機有下載要求時，便和上位機通信，然后下載數據到存儲區。
LPC2148支持多種方式對Flash進行編程，用來寫入用戶代碼或數據。第一種方式是通過內置的串行JTAG接口進行編程：第二種方式是通過UART0進行在系統編程(ISP)；第三種方式是通過在應用編程(IAP)。IAP程序是thumb代碼，地址為0x7FFFFFF0。在使用IAP擦除、編程操作過程中，片內Flash存儲器不可訪問。當用戶運行應用程序時，用戶Flash區域的中斷向量有效．所以在調用Flash擦除、寫IAP之前，用戶應當禁止中斷，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卡讀出的數據用C代碼燒入指定的Flash段中：
4.4 程序實現跳轉到任意行代碼段執行
現以下例來說明這段程序，如果程序跳轉到絕對地址為0xFFFF0執行，代碼如下：
typedef void（*run）（）；//定義一個無參數，無返回類型的函數指針類型
run address=（run）0xFFFFO;//定義一個函數指針，指向跳轉的位置
address（）：//調用函數
在上述應用程序中，根本沒有看到任何一個函數實體，但是卻執行了函數調用；實際上它起到了"軟重肩"的作用，跳轉到CPU啟動后第一條要執行的指令位置，即實現了程序的跳轉。
5、結語
該設計方案以LPC2148為核心，通過SD卡驅動、FAT32文件系統、IAP功能和程序跳轉實現了系統升級的模塊設計，并用于實際開發中。該設計增強了系統維護，縮短了產品的開發周期。節約了大量的人力、財力，增加了與用戶的交流力度。與傳統設計相比。在開發時間、成本和靈活性等方面都占有優勢性。該設計已經調試成功，并作為一個功能模塊用于某電子產品上，在產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升級，也能用于為程序補丁和寫入數據等，也可用于ARM9.因此該設計方案具有廣泛的應用前景。