摘要：基于在應(yīng)用編程的基本原理，本文提出一種使用SD卡并通過SPI接口進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)固件更新的方法。以STM32F103VB作為嵌入式系統(tǒng)核心處理器，給出了固件更新的實現(xiàn)過程和驗證結(jié)果，可廣泛應(yīng)用于基于閃存的嵌入式系統(tǒng)的固件升級。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；在應(yīng)用編程；SD卡；STM32F103VB

引言
    對于大部分基于閃存的嵌入式系統(tǒng)來說，一項重要的需求就是當(dāng)這些系統(tǒng)安裝在終端產(chǎn)品上后，具有對固件更新的能力，這個能力稱為在應(yīng)用編程(In-Application Programming，IAP)。在應(yīng)用編程方式允許用戶在程序運(yùn)行過程中對程序存儲器的指定區(qū)域進(jìn)行重新燒寫，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、智能儀器儀表、消費(fèi)電子類產(chǎn)品的固件更新、軟件維護(hù)和功能擴(kuò)展上。
    目前使用的在應(yīng)用編程方案大多是通過嵌入式系統(tǒng)的串口或者網(wǎng)絡(luò)接口并與PC機(jī)相連，再通過上位機(jī)軟件或者網(wǎng)絡(luò)完成對系統(tǒng)固件的更新，對硬件環(huán)境要求較高?？紤]到目前工業(yè)設(shè)備、智能儀器和消費(fèi)電子類產(chǎn)品多使用SD卡作為數(shù)據(jù)存儲媒介，或者預(yù)留SD卡接口，在此擬采用SD卡作為固件更新文件的存儲媒介，使用SPI通信接口完成對系統(tǒng)固件的更新。對硬件環(huán)境要求低且操作簡便，可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備升級和各種智能儀器儀表固件升級，也適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品用戶升級自己的手持設(shè)備，如手機(jī)、音樂播放器、掌上游戲機(jī)等。

1 方案可行性分析
    STM32F103VB是意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型處理器，可以丁作在72 MHz的頻率下，具有128 KB閃存(Flash)和20 KB靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)，集成了豐富的外設(shè)資源，如SPI、USART、ADC等。STM32F103VB支持在應(yīng)用編程方式對閃存進(jìn)行重新編程，片上閃存接口實現(xiàn)了閃存編程和擦除所需的邏輯電路，包括訪問和寫入保護(hù)以及選擇字節(jié)的控制。
    SD卡由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開發(fā)研制，由于其體積小、容量大、讀寫速度快、兼容性好、性價比高等特點，迅速得到了市場的認(rèn)同，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品和嵌入式系統(tǒng)。SD卡支持SPI模式、1位SD模式和4位SD模式，可與微處理器相應(yīng)外設(shè)接口進(jìn)行連接。
    基于上述條件，要完成相應(yīng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。其中，軟件設(shè)計主要是IAP驅(qū)動程序的設(shè)計，包括SD卡底層驅(qū)動、固件更新文件的讀取和對微處理器片內(nèi)閃存的擦寫操作。

2 硬件設(shè)計
    STM32F103VB芯片內(nèi)集成多達(dá)2個SPI接口，在從模式或主模式下，全雙工和半雙工的通信速率可達(dá)18Mb／s。3位的預(yù)分頻器可產(chǎn)生8種主模式頻率，可配置成每幀8位或16位。硬件的CRC產(chǎn)生／校驗支持基本的SD卡和MMC模式。SD卡座與STM32F103VB連接示意圖如圖1所示。

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    STM32F103VB作為主設(shè)備，SD卡作為從設(shè)備，使用片內(nèi)集成SPI1接口與SD卡相連。端口PE3與SD卡片選引腳CS相連，作為其片選控制端口；SPI1_SCK為主設(shè)備時鐘輸出引腳，接至SD卡時鐘輸入引腳CLK；PSI1_MOSI為主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出端口，與SD卡數(shù)據(jù)輸入端口DI相連；同理，將SD卡數(shù)據(jù)輸出端口DO與主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入端口SPI1_MISO相連。利用片上通用同步／異步收發(fā)器USART1經(jīng)過MAX3232收發(fā)器芯片與上位機(jī)串口相連，串口通信電路原理圖如圖2所示。將端口PB9配置成輸入浮空模式并外接一個用戶按鍵，作為觸發(fā)IAP操作啟動的判斷條件，按鍵電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計
3．1 IAP功能實現(xiàn)
    在應(yīng)用中編程(IAP)允許用戶在應(yīng)用程序運(yùn)行過程中對Flash進(jìn)行重新編程。整個過程主要是由IAP驅(qū)動程序來完成，它的主要工作流程是：首先在SD卡中定位用于更新固件的二進(jìn)制文件，然后將該文件讀出并寫入用戶應(yīng)用程序所在的Flash區(qū)域，最后跳轉(zhuǎn)到更新后的應(yīng)用程序入口執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用程序。因此用戶程序存儲區(qū)應(yīng)該分為兩個部分，其中一個部分存儲IAP驅(qū)動程序，只用于IAP功能的執(zhí)行，通過ICP方式由JTAG或者SWD接口燒寫入Flash；另一部分存儲真正的應(yīng)用程序，用來執(zhí)行用戶真正需要的功能。兩個部分在Flash存儲區(qū)域中相互獨立，不能存在重疊的部分，系統(tǒng)上電或者復(fù)位后首先執(zhí)行第一部分代碼，實現(xiàn)對第二部分代碼的更新操作，在不需要更新系統(tǒng)固件的情況下直接由第一部分跳轉(zhuǎn)到第二部分代碼入口處執(zhí)行用戶應(yīng)用程序。
    將存有更新程序的SD卡插入卡槽，系統(tǒng)重新上電或復(fù)位后通過指定按鍵選擇是否進(jìn)行IAP操作，IAP操作流程如圖4所示。

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3．2 STM32F103VB芯片存儲組織結(jié)構(gòu)
    STM32F103VB的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器和輸入／輸出端口被組織在同一個4 GB的線性地址空間內(nèi)。閃存區(qū)域即用戶代碼區(qū)域被置于0x08000000～0x0801FFFF的地址范圍。方案中IAP程序被事先燒錄進(jìn)0x08000000～0x08002FFF的閃存區(qū)域，用戶應(yīng)用程序緊接著IAP程序進(jìn)行存放，可使用的范圍為0x08003000～0x0801FFFF的閃存區(qū)域。IAP程序內(nèi)存分配如圖5所示。

3．3 FAT32文件格式
    為了方便終端用戶的操作和增加方案的通用性，本設(shè)計以FAT32分區(qū)格式標(biāo)準(zhǔn)對SD卡進(jìn)行格式化，F(xiàn)AT32分區(qū)格式常見于通用的PC機(jī)平臺。FAT32分區(qū)格式如圖6所示。采用FAT32分區(qū)格式的SD卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括主啟動區(qū)域、FAT表區(qū)域、根目錄區(qū)域、數(shù)據(jù)存儲區(qū)域四部分。
    其中位于主啟動區(qū)域開始位置的第一個保留扇區(qū)為起始扇區(qū)，包括很多重要的數(shù)據(jù)信息，如每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)、FAT表個數(shù)及大小、每簇扇區(qū)數(shù)、總扇區(qū)數(shù)、根目錄起始位置等等。FAT32包含兩張F(tuán)AT表，它們緊接主啟動區(qū)域后面，是分區(qū)信息的映射表，主要功能是指示文檔如何按簇存放。根目錄區(qū)域包含了根目錄下文檔和目錄信息的內(nèi)容。在根目錄區(qū)域可以獲得指定文檔的信息，如文檔名、文檔屬性、創(chuàng)建時間、文檔大小和文檔在FAT表中第一個簇的地址等。數(shù)據(jù)區(qū)域是實際的文檔存儲的地方，占據(jù)了磁盤的大部分空間。
    FAT32分區(qū)格式中文檔是以簇為最小單位進(jìn)行存儲的，固定每簇的容量為4 KB。一個文檔根據(jù)其大小被分為一個或者若干個簇存儲在數(shù)據(jù)區(qū)域，這些簇通常是以零散而不是連續(xù)的方式分布在數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，形成的單鏈表稱為簇鏈，簇鏈的具體信息可從FAT表中獲得。圖7為FAT32文檔讀取方式示意圖。

    FAT32文檔讀取步驟如下：
    ①在起始扇區(qū)中獲取SD卡信息。
    ②根目錄所在的物理地址通過下面公式得出。根目錄地址=(隱藏扇區(qū)個數(shù)+保留扇區(qū)個數(shù)+FAT所占扇區(qū)個數(shù)×FAT數(shù)量)×扇區(qū)字節(jié)數(shù)。
    ③在根目錄表中檢索文檔名為“UPDATE”的文檔，獲取其在FAT表中的首簇地址。首簇號的高字節(jié)和低字節(jié)位于以文檔名起始的偏移量為0x14和0x1a的共四個字節(jié)。圖7中UPDATE文檔首簇號為0003。
    ④在FAT表的簇號為0003的位置中存放的信息為0004，即下一個簇的位置；在簇號為0004的位置中存放的是簇號為0006的地址信息，由此一步步得出由簇號組成的單鏈表，一直到簇號為0008的位置中存儲的信息為0FFFFFFF，證明此時已到文檔的末尾，簇鏈結(jié)束。圖7中文檔“UP DATE”占用的簇所形成的簇鏈為0003-0004-0006-0008，總共占用了4個簇、16 KB的數(shù)據(jù)存儲空間。
    ⑤根據(jù)簇鏈中的簇號在數(shù)據(jù)存儲區(qū)域中獲取文檔的數(shù)據(jù)內(nèi)容。例如圖7中文檔“UPDATE”的數(shù)據(jù)內(nèi)容即是由0003、0004、0006、0008四個簇中的數(shù)據(jù)內(nèi)容File[0]、File[1]、File[2]、File[3]所組成。[!--empirenews.page--]
3．4 應(yīng)用程序更新
    根據(jù)文檔的大小擦除相應(yīng)的閃存頁面，然后從SD卡中讀取文檔數(shù)據(jù)內(nèi)容到處理器的RAM中，按照閃存編程步驟將文檔數(shù)據(jù)放入指定的閃存地址，完成用戶應(yīng)用程序的更新任務(wù)。STM32F103VB閃存每次可寫入半字，即兩個字節(jié)，閃存編程流程如圖8所示。

    閃存編程步驟如下：
    ①檢查FLASH_SR寄存器的BSY位，以確認(rèn)沒有其他正在進(jìn)行的編程操作。
    ②設(shè)置FLASH_CR寄存器的PG位為1。
    ③寫入要編程的半字到指定的地址。
    ④等待BSY位變?yōu)?。
    需要注意的問題是用戶應(yīng)用程序在編譯的時候要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。用戶應(yīng)用程序設(shè)置如圖9所示。在KeilμVision開發(fā)環(huán)境下，應(yīng)用程序的起始地址設(shè)定為0x08003000，同時在應(yīng)用程序中也要設(shè)定向量表的偏移量為0x3000。

4 IAP實驗過程及結(jié)果
    下面介紹IAP實驗過程。
    ①將SD卡與PC機(jī)相連，發(fā)送新的二進(jìn)制文件至SD卡的根目錄下并將其重新命名為UPDATE．BIN。
    ②用串口線將PC的串口和系統(tǒng)的串口相連。打開PC上的超級終端工具，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置要與IAP驅(qū)動程序中的通信方式相匹配，如相同的波特率和數(shù)據(jù)位等。
    ③系統(tǒng)上電后，如若不將用戶按鍵按下，則IAP驅(qū)動程序不執(zhí)行固件更新流程，直接跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序入口。本應(yīng)用程序為每隔1 s從串口發(fā)出“Hello world!”的字符串，并通過串口線顯示在PC的超級終端上。
    ④把存有UPDATE．BIN文件的SD卡插入卡槽，按下用戶按鍵，并同時將系統(tǒng)重新上電或者復(fù)位后，IAP驅(qū)動程序開始執(zhí)行固件升級程序。在SD卡中檢索到UPDATE．BIN文件后，超級終端上顯示“UPDATE．binfounded!”，同時顯示文檔的大小、首簇位置、占用的簇數(shù)量和完整簇鏈。UPDATE．BIN文件大小為6 472字節(jié)，使用第8簇，UPDATE．BIN文件大小為6 472字節(jié)，使用第8和第9兩個簇來進(jìn)行存儲，第8簇為文件存儲的起始簇。
    ⑤得到更新固件的數(shù)據(jù)后進(jìn)入閃存編程程序，新的固件下載完成后立即執(zhí)行。超級終端上每隔1 s顯示“It is a new program!”，證明用戶應(yīng)用程序升級成功。

結(jié)語
    本文給出了一種基于STM32F103VB芯片的嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用編程方案，該方案采用SD卡作為升級程序的存儲媒介。上文給出了詳細(xì)的實現(xiàn)步驟和實驗方案。實驗結(jié)果表明該方案能可靠實現(xiàn)IAP功能，完成對嵌入式系統(tǒng)固件的更新，且實現(xiàn)步驟簡單、快捷。其原理可以廣泛用于任何一種基于閃存的嵌入式系統(tǒng)。