深度解读STM32的启动方式和下载电路

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STMCU小助手发布时间：2023-3-10 11:01

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文章简介:	深度解读STM32的启动方式和下载电路

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
/ }- m" _+ B: z& C: Z2 A0 w2 l1.1 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：

Flash接口具体系统架构：

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。

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

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

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

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：

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）

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：

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/ _7 T! }" G  o2 o, _8 u5 ]
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
8 ?$ t1 D$ G! N, i6 ~$ Z5 c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：

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。

4.2 JTAG下载调试电路
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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。