你的浏览器版本过低,可能导致网站不能正常访问!
为了你能正常使用网站功能,请使用这些浏览器。

深度解读STM32的启动方式和下载电路

[复制链接]
STMCU小助手 发布时间:2023-3-10 11:01
前言
为了大家更好的理解STM32的启动方式,这里将以上资料进行整合并从以一下几点进行详细介绍:
一、STM32的存储器类型
二、STM32的启动
三、三种下载方式
四、三种硬件电路

一、STM32的存储器类型
1.1 存储器组织结构

程序存储器、数据存储器、寄存器、I/O端口排列在同一顺序的4GB地址空间内。

可寻址的存储空间分为8个主要块,每个块为512MB;未分配给片上存储器和外设的所有存储区域视为“保留区”。

请参考数据手册中的存储器映射图。

每次芯片复位后,所有外设时钟都被关闭(SRAM和Flash接口除外)。使用外设前,必须在 RCC_AHBxENR 或 RCC_APBxENR 寄存器中使能其时钟。


1.2  嵌入式Flash(闪存)
Flash架构
Flash接口可管理CPU通过AHB I-Code和D-Code对Flash进行访问。该接口可针对Flash执行擦除和编程操作,并实施读写保护机制。

Flash接口通过哦指令和缓存机制加速代码执行。

由于本人使用的STM32F407系列开发板,因此将其作为参考讲解:

ce87e0206b4b40b5b2c0b31325b7eb80.png

Flash接口具体系统架构:

90936a40a0544a3288a5f3053154e9b7.png


Flash结构
主存储块,分为4个16KB扇区、1个64KB扇区和7个128KB扇区,起始地址:0x0800 0000
系统存储器,期间在系统存储器启动模式下从该存储器启动,起始地址:0x1FFF 0000
512字节OTP(一次性可编程),用于存储用户数据。OTP区域还有16个额外字节,用于锁定对应的OTP数据块
选项字节,用于配置读写保护、BOR级别、软/硬件看门狗以及器件处于待机或停止模式下复位。

7fcd5f3587944e0d95865bc8fae73e3c.png

1.3  嵌入式SRAM
STM32F405xx/07xx 和 STM32F415xx/17xx 带有 4 KB 备份 SRAM和 192 KB 系统 SRAM 。
系统SRAM架构

816613d9d29d46a38f7402dd20b2ca2e.png

系统SRAM结构
可按照字节、半字(16位)或全字(32位)访问,执行速度cpu速度,且等待周期为0。
映射在地址0x2000 0000的112KB和16KB的SRAM,可供所有AHB主控总线访问。
映射在地址0x2002 0000的64KN,可供所有AHB主控总线访问。
映射在地址0x1000 0000映射的64KB块,只能供CPU通过数据总线访问。
二、STM32的启动

f6f6d45a29824869a92845573e67908d.png

2.1 启动流程
        在嵌入式开发过程中,由于是使用C编程,很少涉及到机器底层寄存器的执行,一般都会从main函数里开始写代码,也都知道代码运行是从main函数开始执行。在C语言代码执行过程中通常是机器先读取下一条语句的地址,然后从程序存储器中读取该地址的程序,然后再执行这条语句。那么问题来了,下一条语句的地址可以根据本条语句的地址寻找到,但是main函数最开始的程序的入口地址如何找到?

        事实上微控制器是无法从硬件上去定位main函数的入口地址,因为使用C语言作为开发语言后,变量/函数的地址便由编译器在编译时自行分配,因此main函数的入口地址在编译后并不是固定不变的,因此需要通过一个启动文件来寻找到main的入口地址。

        以前接触无论是PIC、AVR、MSP430或51过程中都会有涉及到启动文件的配置,仅仅只有熔丝位或配置字是需要根据实际使用配置来设置,其实并非没有,而是大部分开发环境往往自动完整提供了这个启动文件,不需要开发人员对其进行配置和干预,只需要从main函数开始程序涉及即可。但是对于嵌入式来说,当接触到嵌入式内核,在片上跑系统时却是很重言的环节。如Linux系统移植过程“bootloader”。启动文件完成微控制器从“复位”到“开始执行main函数”中间这段时间必要启动配置。

启动流程:
硬件选择启动模式
读取启动模式对应的存储器的中断向量表
初始化栈
初始化PC指针,指向Reset_Hander
初始化系统时钟
执行C库函数_main,进入C语言世界,执行main函数

        相对于ARM上一代主流ARM7/ARM9内核架构,新一代Cortex内核架构的启动方式有了很大的变化。ARM7/9内核的控制器在复位后,CPU会从存储空间的绝对地址0x0000 0000取出第一条指令执行复位中断服务程序的启动方式,即固定了复位后的起始地址为0x00000000(PC=0X00000000)同时中断向量表的位置并不是固定的。而Cortex-M内核则正好相反,其中断向量表位置是固定的,而启动地址是根据启动方式来定义。

如果不能理解上面一段的内容,请参考2.4节关于STM32启动的举例,看完后回来看就会恍然大悟

补充知识:详细可参考芯片的手册

中断向量表:本质上是一个32位整数数组,当他存储了发生异常时需要执行对应任务函数的地址,当发生异常情况时,会将对应的地址幅值给PC寄存器,进而执行任务。以下给出部分中断向量表

23932bec38ae44229a2a7305a29ae000.png

优先级:优先级标号越小优先级越高 ;MSP:Main Stack Pointer


2.2  STM32启动硬件配置——BOOT【1:0】引脚
       由于Cortex内核架构的存储器采用固定的存储器映射,代码区域起始地址为0x000 0000(通过ICode/DCode总线访问),而数据区域(SRAM)起始地址为0x2000 0000(通过系统总线访问)。

带有FPU(浮点运算单元)的Cortex-M内核的CPU始终通过ICode总线获取复位向量,这就意味着只有代码区域(通常为Flash)可以提供启动空间。STM32微控制器实现了一种特殊的机制,能够从其他存储器(如内部SRAM)启动。

可以通过BOOT[1:0]引脚选择三种不同的启动模式,如表2:

6c2cb9610cb544fb99a056c6964d6b18.png

d737d74278764ba98456d3fae099d715.png
BOOT[1:0]引脚配置描述        
在MCU复位后,在SYSCLK的第四个上升沿锁存BOOT引脚值。复位后,用户通过设置BOOT1和BOOT0引脚来选择启动方式。

BOOT0 为专用引脚,而 BOOT1 则与 GPIO 引脚共用。一旦完成对 BOOT1 的采样,相应GPIO 引脚即进入空闲状态,可用于其它用途。

器件退出待机模式时,还会对 BOOT 引脚重新采样。因此,当器件处于待机模式时,这些引
脚必须保持所需的启动模式配置。这样的启动延迟结束后, CPU 将从地址 0x0000 0000 获
取栈顶值,然后从始于 0x0000 0004 的启动存储器开始执行代码。
         注意: 如果器件从 SRAM 自举,在应用程序初始化代码中,需要使用 NVIC 异常及中断向量表和偏移寄存器来重新分配 SRAM 中的向量表。

启动方式
Cortex-M3内核规定,起始地址0x0000 0000必须存放堆顶指针,而第二个地址0x0000 0004 则必须存放复位中断入口向量地址,在复位后,会从起始地址的下一个32位空间取出复位中断入口向量,跳转执行复位中断服务程序。

Main Flash memory(BOOT0 = 0)
        选择Flash的主存储块作为启动空间,即中断向量表定位于Flash的主存储区域,起始(中断入口)地址:0x0800 0000,同时复位后PC指针位于0x8000 0000处。常见的下载方式:JTAG或者SWD模式下载程序,就是将程序直接下载到Flash里面,复位重启后也直接从Flash启动。

开发调试中由于某些原因导致内部Flash锁死,无法链接SWD以及JTAG调试,无法读到设备,则可以通过BOOT将启动方式调整为其余两种来重新烧录程序,达到更新Flash内部代码。

System memory(BOOT0 = 1 ; BOOT1 = 0)
        选择系统存储器作为启动空间,即中断向量表定位于Flash的系统存储区域(STM32在出厂时,由ST在这个区域内部预设了一段BootLoader,也就是常说的ISP程序,出场后无法修改),起始(中断入口)地址:0x1FFF 0000,通常使用这种启动方式来实现串口下载程序,BootLoader负责下载程序的时候对芯片内部的Flash进行擦除于编写。在使用ISP下载完程序后需要将启动方式重新调整为Flash启动模式(即将BOOT0=0),复位后MCU才会正常运行。

Embedded SRAM(BOOT0 = 1 ; BOOT1 = 1)
        选择嵌入式SRAM(静态随机存储器)作为启动空间,即中断向量表定位于系统SRAM存储区域,起始(中断入口)地址:0x2000 0000,同时复位后PC指针位于0x2000 0000处。一般是编写一些小程序用来扫描所有的I/O口,然后再上测试信号,借此检测所有焊接是否正常,这样不必触动Flash中的程序。


2.3  STM32启动软件配置——启动文件
启动文件名称
STM32F10系列启动文件(由ST公司提供)

aa149488dcdb4d969f255f42dbd2cb0d.png

STM32F40系列启动文件(由ST公司提供)

startup_stm32f40_41xxx.s

启动文件内容
初始化堆
初始化栈
配置中断处理函数Reset_Handler
配置系统时钟
通过C/C++标准实时库的_main函数,跳转到.C文件的main函数
用户堆栈配置

启动文件,首先对栈和堆(两者的区别请参考前言中的资源9)的大小进行定义,并在代码区的起始处建立中断向量,其第一个表项是栈顶地址,第二表项是复位中断服务入口地址。然后在复位中断服务程序中跳转;C/C++标准实时库的_main函数,完成用户堆栈等的初始化后,跳转.c文件中的main函数开始执行C程序。

2.4  STM32启动举例详细介绍
敲黑板划重点的来了,只要理解了这一部分,回头看前面的知识点就不会一头雾水了。
有了之前的知识点作为铺垫,这部分将会举一个具体的例子进行详细说明。

假设:STM32板子里已经下载好了程序(已经含有了启动文件、main函数文件)、板子硬件

Boot0 = 0 ; Boot1 =x(从Flash主存储器启动,起始地址0x8000 0000)。

执行流程: 对STM32板子上电或者对其进行复位,由于MCU中存在启动文件,所以上电后已经将栈/堆的大小、中断向量表、中断服务函数Reset_Handler配置好了。复位后,在SYSCLK的第四个上升沿锁存BOOT引脚值(此时为Flash主存储器启动,起始地址0x8000 0000)。那么栈顶地址(0x0000 0000)会存放0x8000 0000(Flash起始地址,启动地址),而启动地址(0x8000 0000)会存放0x0000 0004(复位中断服务入口地址),执行复位中断服务程序(Reset_Handle函数),函数内有跳转_main函数,通过_main函数进入到main,来到C的世界。

针对2.1节的RAM7/9的启动和Cortex-M的启动做出解释:

0a9ce571e0b94faca1a455b5595f7c37.png

ARM7/9的起始地址是固定的都是(0x0000 0000),但是中断向量表的地址却不是固定的,中断向量表中的该中断地址就是调用的地址,是变化的。

Cortex的起始地址是不固定的(根据BOOT来设置),但是起始地址也存放于0x0000 0000,在程序调用中断的时候调用的是中断的地址(中断向量表),并不会直接跳到中断函数中,在中断的地址空间中会存放该中断函数的入口地址,因此可以说起始地址是不固定的,而中断向量表是固定的。

三、三种启动方式
单片机程序下载方式由三种:
ISP(In System Programing,在系统编程)
ICP(In Circuit Programing,在电路编程)
IAP(In Applicating Programing,在应用编程)

3.1 ISP
简介

        MCU必须处于可执行程序状态(除了上电,还要节XTAL),且必须预烧ISP-code在LDROM里面。烧录范围只限于APROM、DataFlash或CONFIG,chip在LOCK状态,任然可以更新某一块区块(APROM、DataFlash或CONFIG),由于烧录动作取决于ISP-code,所以给系统设计者弹性较大。

STM32中的ISP下载方式
        针对STM32来说,ISP-code是BootLoader程序,LDROM就是Flash中的系统存储器,将程序烧录到Flash中的主存储器中。该下载方式一般通过串口(USB)下载程序。在下载的时候需要调以下MCU的启动方式:
step1:将BOOT0=1,BOOT1=0,然后按下复位键,STM32将会从Flash的系统存储器启动
step2:在系统存储器中的BootLoader程序帮助下,将工程的.HEX文件,通过串口助手(FlyMcu)下载到32的Flash中主存储器
step3:将BOOT0=0,BOOT1=X,然后按下复位键,STM32将会从Flash的主存储器启动

3.2 ICP
简介

        MCU只要处于上电状态,不必预烧任何code在MCU里面。烧录覆盖到整个MCU芯片,chip在LOCK状态下,无法更新某一块区块,只能在erase-ALL之后,更新某一区块,再逐一烧回其他区块(因为ICP的本质就是走串行借楼的Writer Mode,chip被LCOK后,除了erase-ALL,所有烧录动作皆会被进制)。因为烧录纯粹是ICP硬件的行为,MCU无法自己更新自己所以给系统设计者弹性较小。


STM32中的ICP下载方式
        针对STM32来说,启动方式是Flash的主存储器启动(BOOT0=0,BOOT1=X),这种下载方式一般通过JTAG、SWD(几条线)来下载,而上述简介则描述的是Flash被锁死无法下载的情况。

3.3 IAP
简介
        MCU在运行的状态下,利用利用ISP的机制,不透过外接工具的帮忙,去更新APROM、DataFlash或CONFIG。

STM32中的ICP下载方式
        ICP是直接将程序下载到Flash中,ISP则是 通过了BootLoader程序下载到Flash中,对于BootLoader程序用户是不可以更改的,那难道用户不可以自己定义这种文件么?当然可以,对于IAP下载方式,可以将Flash主存储器分为两部分,第一部分是类似BootLoader的功能的程序,可以使用其他通讯接口和方式来实现(TTL、RS232、RS485、I2C、SPI、CAN等等),而第二部分才是真正的程序代码。这种方式需要预先在Flash中设置这些接口的程序。

而这些接口又可以通过有线和无线的方式进行下载。比如第一部分的串口程序链接者NRF24L01无线传输模块,那么可以通过无线传输模块远程对该MCU进行程序的更新。

常用于MCU实现无线下载功能,如ESP8266wifi模块实现远距离无线下载:

13274442d2684f3e9cf700f2b668194f.png

由于第一部分的原因,使得Flash存储实际代码的空间将变小。


四、三种硬件电路
        由于IAP下载比较麻烦,这里不对其进行介绍,只介绍ISP/ICP里的三种常用的下载方式

4.1 串口ISP电路
        在使用串口ISP下载的时候,将BOOT0上拉接3.3V,将BOOT1接GND。最简单的电路如下图所示。

ae47b080d9e64c01824e5db4cc3095ff.png

4.2 JTAG下载调试电路

5aff3cb1d80d41b79ae97d8d3eb3ca64.png

4.3 SWD下载调试电路

        在我们的实际生活中,SWD相比JTAG有许多优势,首先,4线(或3线)的SWD要比JTAG的引脚少的多,这就节约了许多的PCB空间。其次,SWD在高速模式下要比JTAG模式更加可。 我们在使用SWD模式时,对BOOT0和BOOT1需要做如下处理,将BOOT0悬空(或接高电平),将BOOT1经过一个10K的下拉电阻拉低。SWD模式的接口电路如下图所示。

eeb10cf6a1874632884e08465a684ef9.png


————————————————
版权声明:追逐者-桥


收藏 评论0 发布时间:2023-3-10 11:01

举报

0个回答

所属标签

相似分享

官网相关资源

关于
我们是谁
投资者关系
意法半导体可持续发展举措
创新与技术
意法半导体官网
联系我们
联系ST分支机构
寻找销售人员和分销渠道
社区
媒体中心
活动与培训
隐私策略
隐私策略
Cookies管理
行使您的权利
官方最新发布
STM32N6 AI生态系统
STM32MCU,MPU高性能GUI
ST ACEPACK电源模块
意法半导体生物传感器
STM32Cube扩展软件包
关注我们
st-img 微信公众号
st-img 手机版