STM32F1 0x在應(yīng)用中編程的實(shí)現(xiàn)方法

引 言
    Cortex-M3是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，RISC結(jié)構(gòu)，包含高效靈活的Thumb-2指令集，擁有杰出的低功耗特性，為微控制器系統(tǒng)、汽車車身控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等嵌入式應(yīng)用量身設(shè)計(jì)。ST公司推出基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器，憑借其出眾的性能、創(chuàng)新的外設(shè)、優(yōu)越的功耗控制，得到眾多工程師的青睞。
    針對嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)，STM32處理器提供功能強(qiáng)大的硬件調(diào)試接口——JTAG接口和串行接口，極大方便了設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。不僅如此，STM32處理器內(nèi)嵌的閃存存儲(chǔ)器允許在電路編程(In-Circuit Pro-gramming，ICP)和在應(yīng)用中編程(In-Application Program-ming，IAP)。利用在應(yīng)用中編程，僅需通過一根串口線，就可以完成產(chǎn)品固件的更新。本文對STM32處理器的在應(yīng)用中編程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)合硬件和驅(qū)動(dòng)給出了IAP的具體實(shí)現(xiàn)方法，稍加修改，便可應(yīng)用于STM32處理器的所有系列產(chǎn)品。

1 STM32F10x處理器
1．1 STM32處理器特點(diǎn)
    STM32全系列處理器具有腳對腳、外設(shè)及軟件的高度兼容性。這給應(yīng)用帶來很好的靈活性，易于將應(yīng)用升級到不同存儲(chǔ)空間或不同封裝的平臺(tái)。STM32處理器的產(chǎn)品全系列兼容，使得項(xiàng)目之間的代碼重用和移植很方便。
1．2 STM32處理器內(nèi)存映射
    Cortex-M3的存儲(chǔ)系統(tǒng)采用統(tǒng)一編址的方式，程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器被組織在4 GB的線性地址空間內(nèi)，以小端格式(little-endian)存放。內(nèi)存映射如圖1所示。

    在代碼區(qū)，0x00000000地址為啟動(dòng)區(qū)。上電以后，CPU從這個(gè)地址開始執(zhí)行代碼0x08000000為用戶Flash的起始地址，0x1FFFF000為系統(tǒng)存儲(chǔ)器(system memory)的起始地址。對于STM32處理器，可以通過配置BOOT0和BOOT1兩個(gè)引腳來選擇不同的啟動(dòng)模式，如表1所列。CPU在時(shí)鐘信號的第4個(gè)上升沿鎖存BOOT引腳的值，根據(jù)兩個(gè)引腳的值將對應(yīng)的存儲(chǔ)器物理地址映射到啟動(dòng)區(qū)。

    系統(tǒng)存儲(chǔ)器也稱為“大信息塊”，有2 KB的容量。所有上市的STM32處理器，在出廠前已經(jīng)燒寫進(jìn)去自舉模式下的啟動(dòng)程序(Bootloader)，并且將之鎖定防止用戶擦寫。通過配置BOOT0和BOOT1選擇系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，相應(yīng)的啟動(dòng)程序在復(fù)位后得以執(zhí)行，配合PC端的通信軟件，通過USART1口允許用戶將程序燒寫到用戶Flash區(qū)。之后，將BOOT0和B00T1重新配置為用戶Flash存儲(chǔ)器啟動(dòng)，進(jìn)入正常的應(yīng)用程序。
    上述的自舉模式類似于ISP編程，相比其他燒寫方式方便許多，但真正方便靈活的是在應(yīng)用中編程(IAP)，只需一根串口線就可以載入程序，復(fù)位后立即執(zhí)行新的應(yīng)用程序。

2 IAP功能原理
    在應(yīng)用中編程(IAP)使得用戶可以在程序運(yùn)行時(shí)重新對Flash進(jìn)行編程。簡單地說，IAP的編程工作是：下載編譯好的二進(jìn)制文件數(shù)據(jù)到RAM；將數(shù)據(jù)重新編程到特定的Flash區(qū)。這兩個(gè)工作是由IAP驅(qū)動(dòng)程序完成的。使用IAP功能后，系統(tǒng)的固件由2部分組成：第1部分是IAP驅(qū)動(dòng)，不執(zhí)行通常的功能，而是通過微控制器支持的任一種通信管道(如USB、USART、SPI等，本文使用USART)接收數(shù)據(jù)，并執(zhí)行對第2部分代碼的更新；第2部分是真正的應(yīng)用程序代碼，實(shí)現(xiàn)具體的功能。這兩部分代碼共同燒寫在Flash中。要注意的是，這兩部分代碼不能重疊，否則無法實(shí)現(xiàn)IAP功能。
    系統(tǒng)上電以后，IAP驅(qū)動(dòng)首先運(yùn)行，它主要執(zhí)行如下的操作：
    ①根據(jù)硬件信號或軟件條件判斷是否需要對第2部分代碼進(jìn)行更新；
    ②如果不需要更新，則跳轉(zhuǎn)到④；
    ③執(zhí)行更新操作；
    ④跳轉(zhuǎn)到第2部分代碼執(zhí)行。
    STM3210x處理器IAP驅(qū)動(dòng)的流程如圖2所示。圖中顯示IAP主界面是利用超級終端實(shí)現(xiàn)的，傳輸協(xié)議用的是Ymodem協(xié)議。需要注意的是，由于IAP驅(qū)動(dòng)占用了用戶Flash區(qū)的一段起始空間，因此Flash的可編程最大空間要把這部分除去。

3 IAP功能實(shí)現(xiàn)
3．1 硬件電路
    采用STM32F10x型處理器作為核心。該處理器可全速工作在72 MHz，擁有3個(gè)USART接口，內(nèi)嵌128 KB Flash和20 KB SRAM。Flash是以頁的形式組織的，擦除1頁的時(shí)間約為20～40 ms；在整個(gè)工作范圍內(nèi)其擦除次數(shù)可達(dá)10 000次，經(jīng)10 000次擦除后，在+55℃的保存環(huán)境中數(shù)據(jù)保存期限仍可達(dá)20年。用戶完全不必?fù)?dān)心使用了IAP功能后對產(chǎn)品造成不良影響。
    IAP驅(qū)動(dòng)使用USART1口作為通信管道，PB口的第9引腳作為IAP判斷是否進(jìn)入IAP功能的信號線。引出一個(gè)按鍵，作為IAP功能選擇按鍵，只要在上電或復(fù)位時(shí)按住此鍵就會(huì)進(jìn)入IAP功能主界面，否則直接執(zhí)行正常應(yīng)用程序。BOOT0和BOOT1是啟動(dòng)配置跳線。相應(yīng)的硬件電路分別如圖3、圖4和圖5所示。

3．2 IAP驅(qū)動(dòng)
    IAP驅(qū)動(dòng)主要包含如下源文件。
    main．c：完成Flash解鎖、按鍵端口初始化、按鍵判斷、USART1的初始化以及處理器的始終初始化，另外還初始化指針和跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序處語句。然后從common．c執(zhí)行主菜單。
    common．c：顯示主菜單。主菜單上顯示一系列操作，如加載二進(jìn)制文件、執(zhí)行應(yīng)用程序以及禁止寫保護(hù)(如果事先Flash被寫保護(hù))。
    download．c：等待用戶選擇傳送文件操作，或者放棄操作以及一些提示信息，但真正實(shí)現(xiàn)傳送的是ymodem．c源文件。
    ymodem．c：負(fù)責(zé)從超級終端接收數(shù)據(jù)(使用Ymodem協(xié)議)，并將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)部RAM中。如果接收數(shù)據(jù)正常，則將數(shù)據(jù)編程到Flash中；如果發(fā)生錯(cuò)誤，則提示出錯(cuò)。
3．3 軟件實(shí)現(xiàn)
    要實(shí)現(xiàn)IAP功能，還需做一些準(zhǔn)備工作：
    ①要準(zhǔn)備BIN類型的代碼文件。開發(fā)環(huán)境使用的是Keil，默認(rèn)情況下Keil生成HEX類型的編譯文件。利用Keil自帶的fromelf．exe工具，就可以生成二進(jìn)制文件。
    ②對超級終端進(jìn)行設(shè)置。IAP驅(qū)動(dòng)中對USART1的設(shè)置為：波特率為115 200 kb／s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位和硬件控制。超級終端也必須保持相同設(shè)置。
    IAP驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序代碼需要分配在Flash的合適位置。圖6是2部分代碼在Flash中的存儲(chǔ)情況。由于IAP驅(qū)動(dòng)代碼占用8 KB的空間，故而將Flash最初的8 KB劃出來，應(yīng)用程序是從0x08020000地址處開始存放的。這是通過在common．h頭文件中語句定義的：
    #define ApplicationAddress 0x08020000
    也可以定義在其他0x08020000地址后的任何位置，只要保證應(yīng)用程序大小不超過所用處理器Flash的容量。在platform_config.h頭文件中有定義Flash的語句：
    #define PAGE_SIZE(0x400) ／／Flash頁大小為1 KB
    #define FLASH_SIZE(0x20000)／／Flash容量為128 KB
    STM32F10x處理器有2種Flash頁的大小：1 KB和2 KB。通過以上語句即可定義頁大小。
    在platform_config．h頭文件中還定義了進(jìn)入IAP功能選擇按鍵映射引腳：
   

    IAP驅(qū)動(dòng)在Keil中編譯、鏈接后，利用ARM公司的RealView ULINK2仿真器將生成的HEX文件燒寫到Flash中。此時(shí)Keil自帶的Flash燒寫工具要設(shè)置Flash的起始地址為0x08000000。在應(yīng)用程序中，定義向量表的函數(shù)NVIC_SetVectorTabl(NVIC_VectTab_FLASH，0x2000)中的第2個(gè)參數(shù)，即Flash的偏移量一定要設(shè)置成0x2000或更大的數(shù)值。同時(shí)，F(xiàn)lash燒寫工具也要做相對應(yīng)的設(shè)置。將系統(tǒng)的串口與PC機(jī)串口相連，打開已經(jīng)設(shè)置好參數(shù)的超級終端。將BOOT0跳線為0，BOOT1為0或1都可以。按住IAP功能選擇按鍵，給系統(tǒng)上電。此時(shí)，在超級終端就會(huì)顯示IAP功能主界面，如圖7所示。

　

    在鍵盤上按1選擇待載入二進(jìn)制文件，界面上會(huì)出現(xiàn)提示語。在“傳送”菜單中選擇傳送文件后，只需幾秒鐘可以將6 KB左右的文件燒寫到Flash。下載完后，在鍵盤上按2或復(fù)位就可以直接執(zhí)行應(yīng)用程序了，如圖8所示。雖然IAP功能使用的是USART1口，但進(jìn)入應(yīng)用程序后就可以正常使用USART1口。隨時(shí)可以通過復(fù)位后按住IAP功能選擇鍵來進(jìn)行IAP方式燒寫應(yīng)用程序。 

結(jié) 語
    STM32F10x處理器性能出眾，已被廣泛應(yīng)用于各種場合。其IAP功能給用戶帶來了極大方便，使得產(chǎn)品的固件更新快捷、簡單。本文闡述了IAP的基本原理，并詳細(xì)描述了如何在STM32F10x處理器平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)IAP功能，并在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中進(jìn)行了IAP實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該款處理器的IAP功能可靠、快捷。