《電子技術(shù)應(yīng)用》
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STM32F10x在應(yīng)用中編程的實(shí)現(xiàn)方法
摘要: 本文對(duì)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。
Abstract:
Key words :

  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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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。

內(nèi)存映射

  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(duì)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(hào)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(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器物理地址映射到啟動(dòng)區(qū)。

啟動(dòng)模式

  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(duì)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(duì)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:

 ?、俑鶕?jù)硬件信號(hào)或軟件條件判斷是否需要對(duì)第2部分代碼進(jìn)行更新;

 ?、谌绻恍枰?,則跳轉(zhuǎn)到④;

 ?、蹐?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(jí)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。

STM3210x處理器IAP驅(qū)動(dòng)的流程

  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(duì)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(hào)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。

 

IAP通信管道USART1

按鍵電路

啟動(dòng)配置電路

  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(jí)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:

 ?、僖獪?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(duì)超級(jí)終端進(jìn)行設(shè)置。IAP驅(qū)動(dòng)中對(duì)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(jí)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:

程序

  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(duì)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(jí)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(jí)終端就會(huì)顯示IAP功能主界面,如圖7所示。

Flash存儲(chǔ)分配

IAP功能主界面

  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。

成功下載應(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。

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