顏秋男，胡毅

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

引 言

對(duì)于大部分基于閃存的嵌入式系統(tǒng)來說，一項(xiàng)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(duì)固件更新的能力，這個(gè)能力稱為在應(yīng)用編程（In－Application Programming，IAP）［1］。在應(yīng)用編程方式允許用戶在程序運(yùn)行過程中對(duì)程序存儲(chǔ)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(duì)系統(tǒng)固件的更新，對(duì)硬件環(huán)境要求較高。考慮到目前工業(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(chǔ)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(chǔ)媒介，使用SPI通信接口完成對(duì)系統(tǒng)固件的更新。對(duì)硬件環(huán)境要求低且操作簡(jiǎn)便，可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備升級(jí)和各種智能儀器儀表固件升級(jí)，也適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品用戶升級(jí)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，可以工作在72MHz的頻率下，具有128KB閃存（Flash）和20KB靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(duì)閃存進(jìn)行重新編程，片上閃存接口實(shí)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(guó)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(jià)比高等特點(diǎn)，迅速得到了市場(chǎng)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(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中，軟件設(shè)計(jì)主要是IAP驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，包括SD卡底層驅(qū)動(dòng)、固件更新文件的讀取和對(duì)微處理器片內(nèi)閃存的擦寫操作。

2 硬件設(shè)計(jì)

STM32F103VB芯片內(nèi)集成多達(dá)2個(gè)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)18 Mb／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(yàn)支持基本的SD卡和 MMC模式［2］。SD卡座與STM32F103VB連接示意圖如圖1所示。

圖1 SD卡座與STM32F103VB連接示意圖

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(shí)鐘輸出引腳，接至SD卡時(shí)鐘輸入引腳CLK；PSI1＿M(jìn)OSI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＿M(jìn)ISO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(gè)用戶按鍵，作為觸發(fā)IAP操作啟動(dòng)的判斷條件，按鍵電路如圖3所示。

圖2 串口通信電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 IAP功能實(shí)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(duì)Flash進(jìn)行重新編程。整個(gè)過程主要是由IAP驅(qū)動(dòng)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(chǔ)區(qū)應(yīng)該分為兩個(gè)部分，其中一個(gè)部分存儲(chǔ)IAP驅(qū)動(dòng)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(chǔ)真正的應(yīng)用程序，用來執(zhí)行用戶真正需要的功能。兩個(gè)部分在Flash存儲(chǔ)區(qū)域中相互獨(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)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。

圖3 按鍵電路

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。

圖4 IAP操作流程

3.2 STM32F103VB芯片存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)

STM32F103VB的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器和輸入／輸出端口被組織在同一個(gè)4GB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(jì)以FAT32分區(qū)格式標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(tái)。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(dòng)區(qū)域、FAT表區(qū)域、根目錄區(qū)域、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域四部分。

圖5 IAP程序內(nèi)存分配

圖6 FAT32分區(qū)格式

其中位于主啟動(dòng)區(qū)域開始位置的第一個(gè)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(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)、FAT表個(gè)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(dòng)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(shí)間、文檔大小和文檔在FAT表中第一個(gè)簇的地址等。數(shù)據(jù)區(qū)域是實(shí)際的文檔存儲(chǔ)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(chǔ)的，固定每簇的容量為4KB。一個(gè)文檔根據(jù)其大小被分為一個(gè)或者若干個(gè)簇存儲(chǔ)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(chǔ)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。

圖7 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(gè)數(shù)＋保留扇區(qū)個(gè)數(shù)＋FAT所占扇區(qū)個(gè)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(hào)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(gè)字節(jié)。圖7中UPDATE文檔首簇號(hào)為0003。

④在FAT表的簇號(hào)為0003的位置中存放的信息為0004，即下一個(gè)簇的位置；在簇號(hào)為0004的位置中存放的是簇號(hào)為0006的地址信息，由此一步步得出由簇號(hào)組成的單鏈表，一直到簇號(hào)為0008的位置中存儲(chǔ)的信息為0FFFFFFF，證明此時(shí)已到文檔的末尾，簇鏈結(jié)束。圖7中文檔“UPDATE”占用的簇所形成的簇鏈為0003－0004－0006－0008，總共占用了4個(gè)簇、16KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

⑤根據(jù)簇鏈中的簇號(hào)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)簇中的數(shù)據(jù)內(nèi)容File［0］、File［1］、File［2］、File［3］所組成。

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(yè)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(gè)字節(jié)，閃存編程流程如圖8所示。

圖8 閃存編程流程

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(shí)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(shí)在應(yīng)用程序中也要設(shè)定向量表的偏移量為0x3000。

圖9 用戶應(yīng)用程序設(shè)置

4 IAP實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

下面介紹IAP實(shí)驗(yàn)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(jí)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(dòng)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(dòng)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?yàn)槊扛?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(jí)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(shí)將系統(tǒng)重新上電或者復(fù)位后，IAP驅(qū)動(dòng)程序開始執(zhí)行固件升級(jí)程序。在SD卡中檢索到UPDATE.BIN 文 件 后，超 級(jí) 終 端 上 顯 示 “UPDATE.bin founded！”，同時(shí)顯示文檔的大小、首簇位置、占用的簇?cái)?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(gè)簇來進(jìn)行存儲(chǔ)，第8簇為文件存儲(chǔ)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(jí)終端上每隔1s顯示“It is a new program！”，證明用戶應(yīng)用程序升級(jí)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(jí)程序的存儲(chǔ)媒介。上文給出了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能可靠實(shí)現(xiàn)IAP功能，完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)固件的更新，且實(shí)現(xiàn)步驟簡(jiǎn)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)。

［1］ST Microelectronics.STM32F10xxx Flash programming［EB／OL］.［2011－10］.http：／／www.st.com.

［2］ST Microelectronics.STM32F10xxx in－application programming using the USART［EB／OL］.［2011－10］.http：／／www.st.com.

［3］王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex－M3微控制器原理與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.