1.引言

固件（Firmware）我們通常理解為軟件，由于集成電路的發(fā)展，目前的固件多以FLASH為載體，它與我們通常所說(shuō)的程序的區(qū)別已經(jīng)越來(lái)越小。固件升級(jí)實(shí)際上就是用新的固件程序重寫FLASH的過(guò)程，升級(jí)固件變得越來(lái)越簡(jiǎn)單。

在用戶使用過(guò)程中，一旦系統(tǒng)提供產(chǎn)品固件更高的版本，就要求產(chǎn)品能夠通過(guò)固件升級(jí)程序?qū)υ泄碳M(jìn)行升級(jí)，而設(shè)備固件升級(jí)（Device Firmware Upgrade，DFU）正是能夠完成這種任務(wù)的一種機(jī)制。隨著USB技術(shù)的發(fā)展，USB設(shè)備的更新速度越來(lái)越快，通過(guò)USB接口來(lái)升級(jí)產(chǎn)品的固件是一種實(shí)用高效的方法[1]。本文的主要研究?jī)?nèi)容就是在自主開(kāi)發(fā)的DAB接收機(jī)的基礎(chǔ)上[2]，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的DFU。

2.固件升級(jí)

本文提出的固件升級(jí)方法利用PC機(jī)通過(guò)USB接口與DAB接收機(jī)進(jìn)行通信，并在此基礎(chǔ)上完成DFU的各種操作[3]，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

隨著科技的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)廠商很難滿足用戶多元化的需求，更多的廠商把升級(jí)固件以提供更多更新的功能作為附加值來(lái)提供給用戶。

在產(chǎn)品上市后，生產(chǎn)廠商對(duì)產(chǎn)品程序做了進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，這時(shí)候需要升級(jí)產(chǎn)品的固件以提升產(chǎn)品的性能。對(duì)于已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的軟件，有可能存在一些BUG，生產(chǎn)廠商也可以通過(guò)固件升級(jí)來(lái)修正以前版本中存在的錯(cuò)誤。

3.DFU實(shí)現(xiàn)流程

接收機(jī)DFU的實(shí)現(xiàn)參照USB固件升級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)流程[4]，接收機(jī)通過(guò)USB線纜與PC機(jī)相連，在PC機(jī)上執(zhí)行固件更新的相關(guān)操作，完成接收機(jī)的固件升級(jí)，整個(gè)過(guò)程遵循枚舉，重配置，傳輸，顯示四個(gè)階段，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

第一階段為枚舉階段，接收機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程包括兩套不同的描述符：DFU模式描述符和正常運(yùn)行描述符。接收機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，列舉出DFU模式描述符并向主機(jī)表明其具備可實(shí)現(xiàn)DFU的能力。

第二階段為重配置階段，接收機(jī)和主機(jī)達(dá)成一致發(fā)起固件升級(jí)。主機(jī)給接收機(jī)發(fā)送一個(gè)USB重置請(qǐng)求，接收機(jī)接收到后，切換到固件升級(jí)模式，屏蔽正常工作模式，并為下一階段做好準(zhǔn)備。

第三階段為傳輸階段，主機(jī)通過(guò)特定的軟件將固件升級(jí)的文件傳送給接收機(jī)，在功能描述符中定義的參數(shù)可以正確的保證塊的大小以及在內(nèi)存中重新編譯的時(shí)間。

第四階段為顯示階段，接收機(jī)通知主機(jī)已完成重新編譯，主機(jī)發(fā)送一個(gè)USB復(fù)位請(qǐng)求給接收機(jī)，接收機(jī)重啟后，重新執(zhí)行枚舉階段，并執(zhí)行已經(jīng)更新的固件程序。

4.接收機(jī)USB固件升級(jí)

4.1 接收機(jī)DFU實(shí)現(xiàn)

接收機(jī)DFU的設(shè)計(jì)方案是通過(guò)USB接口的數(shù)據(jù)傳輸功能接收來(lái)自PC機(jī)的固件升級(jí)文件，利用MCU的在應(yīng)用編程（In Application Programming，IAP）功能來(lái)實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的固件升級(jí)。

IAP就是MCU通過(guò)對(duì)外接口（如USART，USB，以太網(wǎng)，無(wú)線信道等）接收升級(jí)固件，并在程序運(yùn)行過(guò)程中重新對(duì)內(nèi)部FLASH進(jìn)行編程的技術(shù)。如圖3所示為接收機(jī)IAP功能實(shí)現(xiàn)的示意圖。

IAP的實(shí)現(xiàn)需要兩部分程序：引導(dǎo)程序、用戶程序。引導(dǎo)程序需要通過(guò)仿真器或通過(guò)在系統(tǒng)中編程（In System Programming，ISP）的方式燒寫。用戶程序可以和引導(dǎo)程序一起燒寫，也可通過(guò)引導(dǎo)程序的IAP功能燒寫。

實(shí)現(xiàn)IAP功能的核心是引導(dǎo)程序，這部分程序主要負(fù)責(zé)與PC機(jī)同步，通過(guò)USB接收升級(jí)固件，并寫入MCU指定的內(nèi)存地址，MCU復(fù)位后程序指針跳轉(zhuǎn)并執(zhí)行新用戶程序，從而完成接收機(jī)的固件升級(jí)。

4.2 DFU模式進(jìn)入機(jī)制

接收機(jī)有兩種工作模式：DFU升級(jí)模式和正常工作模式。兩種工作模式不能同時(shí)運(yùn)行，由于接收機(jī)在DFU升級(jí)模式下，就不再是能收聽(tīng)DAB節(jié)目的接收機(jī)，而是相當(dāng)于EEPROM（電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）存在，所以接收機(jī)從正常工作模式進(jìn)入到DFU升級(jí)模式，需要外部提供一個(gè)中斷信號(hào)。

在本文設(shè)計(jì)方案中，采用MCU的PC8端口對(duì)應(yīng)的按鍵作為同步按鍵，接收機(jī)進(jìn)行固件升級(jí)時(shí)，MCU通過(guò)識(shí)別同步按鍵產(chǎn)生的中斷信號(hào)與PC機(jī)進(jìn)行同步，從而使接收機(jī)進(jìn)入DFU升級(jí)模式。

4.3 接收機(jī)IAP程序設(shè)計(jì)

接收機(jī)上電復(fù)位，MCU首先從地址0x80 00004處取出復(fù)位中斷向量地址，程序指針跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序。正常情況下，程序指針跳轉(zhuǎn)至用戶程序的main函數(shù)處執(zhí)行用戶程序，但接收機(jī)處于DFU升級(jí)模式下，程序指針將跳轉(zhuǎn)至引導(dǎo)程序的main函數(shù)處執(zhí)行IAP功能相關(guān)操作。如圖4所示為接收機(jī)實(shí)現(xiàn)DFU的程序流程圖。

執(zhí)行IAP功能操作時(shí)，MCU首先對(duì)USB接口進(jìn)行初始化，然后接收來(lái)自PC機(jī)的升級(jí)固件，并從內(nèi)部FLASH的0x8004000地址處開(kāi)始寫入。

寫入過(guò)程完畢，MCU執(zhí)行復(fù)位操作，隨后接收機(jī)工作在正常運(yùn)行模式下，程序指針將跳轉(zhuǎn)至新寫入用戶程序的復(fù)位中斷向量表處，取出復(fù)位中斷向量地址，執(zhí)行復(fù)位中斷響應(yīng)操作，并跳轉(zhuǎn)至新用戶程序的main函數(shù)處開(kāi)始執(zhí)行。

接收機(jī)再次上電，工作在正常運(yùn)行模式下，MCU的程序指針會(huì)直接跳轉(zhuǎn)至FLASH的0x8004000地址處即新用戶程序的main函數(shù)處，執(zhí)行新寫入的用戶程序。

4.4 程序存儲(chǔ)空間分配

圖1 DAB接收機(jī)固件升級(jí)

圖2 設(shè)備固件升級(jí)過(guò)程

圖3 接收機(jī)IAP功能實(shí)現(xiàn)示意圖

圖4 接收機(jī)IAP程序流程圖

接收機(jī)是以STM32系列微控制器作為核心處理器，采用ARM公司專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的Cortex-M3內(nèi)核。STM32系列存儲(chǔ)器在Cortex-M3內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了FLASH、SRAM等，使其成為可以工作的處理芯片。

STM32的存儲(chǔ)器地址空間總共劃分為8塊區(qū)域，每塊區(qū)域大小為512M。如圖5所示為STM32系列MCU存儲(chǔ)器第一塊區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖。

引導(dǎo)程序和用戶程序都存放在第一塊Flash區(qū)域內(nèi)，引導(dǎo)程序存放在0x8000000-0x8003FFF區(qū)域，用戶程序存放在0x800 4000-0x801FFFF區(qū)域[5]。為了使FLASH區(qū)域內(nèi)存放的引導(dǎo)程序和用戶程序代碼之間不發(fā)生沖突，新用戶程序的中斷向量表需要做重映射。

固件升級(jí)完成后，在新用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，F(xiàn)LASH區(qū)域的不同地址處存在兩個(gè)中斷向量表。當(dāng)有中斷請(qǐng)求來(lái)臨時(shí)，程序指針仍然會(huì)跳轉(zhuǎn)至引導(dǎo)程序的中斷向量表處，而不是新用戶程序的中斷向量表處，這是由MCU內(nèi)部硬件工作機(jī)制決定的。

5.接收機(jī)DFU測(cè)試

PC端升級(jí)軟件使用ST意法半導(dǎo)體公司官方提供的軟件，在ST官方網(wǎng)站上可下載到該軟件，安裝后執(zhí)行。

圖5 存儲(chǔ)器第一塊區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 接收機(jī)DFU升級(jí)演示

接收機(jī)上電，首先按住同步按鍵，并將接收機(jī)通過(guò)USB線纜與PC機(jī)相連，然后松開(kāi)按鍵。當(dāng)程序左上角識(shí)別出STM Device時(shí)，說(shuō)明接收機(jī)與PC機(jī)已成功建立連接，點(diǎn)擊Choose…選擇本地的升級(jí)固件，然后點(diǎn)擊Upgrade執(zhí)行升級(jí)操作。

如圖6所示為接收機(jī)固件升級(jí)成功的程序界面。

6.結(jié)論

本文提出的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了便攜式DAB接收機(jī)的DFU，經(jīng)多次測(cè)試表明，該方法能夠可靠的對(duì)接收機(jī)進(jìn)行固件升級(jí)。

用戶需要對(duì)便攜式DAB接收機(jī)進(jìn)行固件升級(jí)時(shí)，只需在說(shuō)明書內(nèi)指定的網(wǎng)址下載升級(jí)軟件和固件，就可將產(chǎn)品的固件升級(jí)至最新版本。DFU的實(shí)現(xiàn)，給用戶升級(jí)產(chǎn)品帶來(lái)很大方便，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

[1]Compaq,Intel,Microsoft,NEC.Universal Serial Bus Speci fi cation,Revision 1.1,September 23,1998.

[2]陸明瑩,張賢斌,王國(guó)裕,等.基于ID200的便攜式DAB接收機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù),2010(12):81-83.

[3]施文灶,王平,黃晞,陳偉.基于USB的便攜式設(shè)備固件升級(jí)程序的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009(11):4-6.

[4]Universal Serial Bus Device Class Specification for Device Firmware Upgrade.Version 1.1 Aug 5,2004 http://www.usb.org/developers/devclass_docs#approved.

[5]STM32F10xxx Flash memory microcontrollers.August 2012.http://www.st.com/cn/mcu/product/164486.jsp.