基于USB的便携式设备固件升级程序的设计

1 引言
    固件是系统最底层的工作软件。便携式设备功能与固件密切相关。固件能够充分发挥硬件资源，弥补硬件缺陷与不足。因此。固件在便携式设备中具有极大重要性。固件升级能够进一步完善固件程序，增强便携式设备功能。
    在系统开发和用户使用时．一旦系统提供设备固件更高版本。就要求设备通过固件升级程序对原有固件进行升级。因此，基于USB的即插即用、传输速率高的特点，设计一种通过USB接口升级设备固件的应用程序。该设计应用程序是基于便携式设备的USB驱动程序．包括固件文件结构定义、USB设备驱动程序与上层应用软件的I，0操作、USB Bulk0nly传输模式、USB通信命令规范、NAND Flash坏块信息表构建等问题。

2 系统结构
    该系统利用PC机通过USB总线与便携式设备进行通信，并在此通信基础上完成固件升级的各种操作，其基本结构如图l所示。系统开发人员或终端用户在获取最新版本固件后，利用固件升级程序实现PC机与便携式设备的通信，并实现固件生成、读取设备信息、USB-Boot二级代码下载、固件升级等功能。

3 固件升级程序的设计
    固件升级程序面向系统开发人员或终端用户。由于用户知识体系架构的差异，程序界面力求友好、简洁。功能要求：按预先定义的固件结构生成固件文件：自动检测设备是否连接，一旦设备连接，自动下载二级Boot loader并读取设备Flash信息、固件版本信息；将固件文件下载至NAND Flash，从而完成固件升级操作。
3．1 固件头的填充
    固件文件的固件头具有标识，索引功能。固件头结构决定后续固件升级工具扩展的难易。该设计的固件头主要包括固件的版本、生成日期、厂商信息、模块信息和资源文件在固件中的偏移、长度等信息。这些信息采用结构体将其组织，以便读取固件文件。同时在头尾部预留若干字节的保留区，以备后续升级扩展。
    固件头的填充需要严格按照结构体所定义的成员进行。函数GenerateHeader完成固件头的生成，其函数原型为：

   
3．2 生成固件文件
    固件文件主要由固件头，启动代码，系统代码，FONTl2，FONTl6，GBK字体和字库资源文件，菜单资源文件，图片资源文件等8个模块组成。其中系统代码、菜单资源文件、图片资源文件的路径由用户指定，其余文件存储于工程目录下。图2为固件生成流程。

 固件生成操作是由函数GenerateRfw完成。其原型为：

    执行该函数需获得文件当前工程下的路径．以及文件大小，因此需调用FileFulJLlName函数。FileFullName函数原型为：INT FileFullName(CString FileName，CString &FilePath—Name)；其中FileName为存储在工程目录下的文件名，FilePathName为文件路径的引用。该函数返回值为文件大小。

4 获取USB设备路径
    便携式设备在进入固件升级模式时．向PC机枚举该设备的各类描述符，在成功应答最初的不完整的设备描述符请求后，PC机向设备分配一个新地址．该地址就是固件升级程序中需获取的设备路径。接着，PC机在得到完整的设备描述符、配置描述符、字符描述符后加载设备驱动程序。该过程完成后，通过驱动程序与设备通信。在开发应用软件中，通过API函数调用获取设备路径，该获取过程分为以下步骤：
    (1)调用Windows设备管理函数SetupDiGetClassDevs()获取设备信息集。函数SetupDiGetC1assDevs()是设备信息集的处理程序，包含所有与指定参数匹配的已安装设备。
    (2)利用函数SetupDiEnumDeviceInterfaces()返回设备信息集的一个设备接口元素的环境结构，每次调用该函数便返回一个设备接口信息，重复调用，直到获取设备信息集所有接口信息。函数SetupDiEnumDeviceInterfaces()调用成功返回“TRUE”且devicelnfoData指定一个与查找参数相符的接口。
    (3)调用函数SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()获得该接口详细信息。用其获得接口详细信息，必须先得到所请求的缓冲区大小，再分配适当的缓冲区，并再次调用该函数以得到接口详细信息。此时返回的接口信息包含设备接口名称．用户可调用函数CreateFile()获取所要打开设备的句柄。

5 USB二级BOOt loader的下载
    该设计便携式设备在固件升级时．首先由第1级Bootloader引导进入USB Boot模式．并向PC枚举该设备。PC识别该USB设备，并加载相应驱动程序后。固件升级过程便获取设备系统路径。因为每一个USB设备有一个PID和VID，应用程序通过PID和VID定位到固件升级的USB设备。获取设备路径和句柄后，利用USB总线读取设备数据，从而为完成应用程序与USB设备通信做好准备。
    由于器件MASK ROM的空间限制，诸如USB命令解析、Flash设备驱动等应用代码，也就是USB模式下的二级Bootloader代码，需要通过PC机下载至器件IRAM。
    USB二级代码的下载过程创建子线程用于检测设备，只有确认设备已连接，才能下载二级代码，总的下载流程如图3所示，图中实线为主线程，虚线为子线程。

    在获取到设备路径后，系统便调用函数CreateFile()获取设备句柄。利用该设备句柄和获取的二级代码文件路径，便能够通过调用函数Boot_VendorRequest()将二级代码下载到设备IRAM中。
    Boot_VendorRequest函数原型为：B00L Boot_VendorRe-quest(HANDLE hDevice，DWORD requestCode，LPCTSTR str-FileName)；其中hDevice是设备句柄，requestCode是请求控制码，strFileName是二级代码文件路径，返回值为“TRUE”，说明下载成功，否则下载失败。该函数主要调用系统函数DeviceIoControl()，将二级代码文件进行CRC校验后，传入设备IRAM。

6 固件升级
    在完成设备路径获取，并将二级引导代码下载至设备IRAM后，设备控制权交给这段应用代码。代码主要负责Nand Flash的驱动和USB命令解析。至此，固件升级前的所有工作已准备就绪。固件升级的核心任务是将固件文件无差错写入NAND Flash。由于NAND Flash存在坏块，故必须先对其进行坏块检测，然后形成坏块信息表。根据需要写入的固件各部分文件大小，结合坏块信息表，则生成固件各文件在Flash中的存放位置，进而将固件下载至Flash。最后填充ID Block，这样就完成了固件升级。图4为固件升级流程。

7 系统测试
    系统测试采用自行开发的便携式的网络通信平台。固件升级前需的准备：(1)保证设备电池充足，防止升级过程因电池不足而中断；(2)备份设备原有固件；(3)确保设备有足够存储容量；(4)检查IJSB接口可靠性。图5是固件生成及其下载演示。从图5中看出，升级过程向设备写入的菜单、图像等资源显示成功。

8 结束语
    随着嵌入式技术的发展，便携式设备已普及日常生活中。随着用户不断提出新功能要求，厂商通过更新固件使其产品增值。因此，该设计固件升级工具的设计方法可广泛应用于MP3、电子词典等便携式设备。测试结果表明，升级程序界面简洁友好，只需几个简单操作就能完成系统固件升级。