STM32F10x处理器在应用中编程的实现方法

引 言
    Cortex-M3是首款基于ARMv7-M体系结构的32位标准处理器，RISC结构，包含高效灵活的Thumb-2指令集，拥有杰出的低功耗特性，为微控制器系统、汽车车身控制系统、工业控制系统和无线网络等嵌入式应用量身设计。ST公司推出基于Cortex-M3内核的STM32系列处理器，凭借其出众的性能、创新的外设、优越的功耗控制，得到众多工程师的青睐。
    针对嵌入式应用的特点，STM32处理器提供功能强大的硬件调试接口——JTAG接口和串行接口，极大方便了设计，缩短了产品的开发周期。不仅如此，STM32处理器内嵌的闪存存储器允许在电路编程(In-Circuit Pro-gramming，ICP)和在应用中编程(In-Application Program-ming，IAP)。利用在应用中编程，仅需通过一根串口线，就可以完成产品固件的更新。本文对STM32处理器的在应用中编程进行了详细的分析，结合硬件和驱动给出了IAP的具体实现方法，稍加修改，便可应用于STM32处理器的所有系列产品。

1 STM32F10x处理器
1．1 STM32处理器特点
    STM32全系列处理器具有脚对脚、外设及软件的高度兼容性。这给应用带来很好的灵活性，易于将应用升级到不同存储空间或不同封装的平台。STM32处理器的产品全系列兼容，使得项目之间的代码重用和移植很方便。
1．2 STM32处理器内存映射
    Cortex-M3的存储系统采用统一编址的方式，程序存储器、数据存储器、寄存器被组织在4 GB的线性地址空间内，以小端格式(little-endian)存放。内存映射如图1所示。

    在代码区，0x00000000地址为启动区。上电以后，CPU从这个地址开始执行代码0x08000000为用户Flash的起始地址，0x1FFFF000为系统存储器(system memory)的起始地址。对于STM32处理器，可以通过配置BOOT0和BOOT1两个引脚来选择不同的启动模式，如表1所列。CPU在时钟信号的第4个上升沿锁存BOOT引脚的值，根据两个引脚的值将对应的存储器物理地址映射到启动区。

    系统存储器也称为“大信息块”，有2 KB的容量。所有上市的STM32处理器，在出厂前已经烧写进去自举模式下的启动程序(Bootloader)，并且将之锁定防止用户擦写。通过配置BOOT0和BOOT1选择系统存储器启动，相应的启动程序在复位后得以执行，配合PC端的通信软件，通过USART1口允许用户将程序烧写到用户Flash区。之后，将BOOT0和B00T1重新配置为用户Flash存储器启动，进入正常的应用程序。
    上述的自举模式类似于ISP编程，相比其他烧写方式方便许多，但真正方便灵活的是在应用中编程(IAP)，只需一根串口线就可以载入程序，复位后立即执行新的应用程序。

2 IAP功能原理
    在应用中编程(IAP)使得用户可以在程序运行时重新对Flash进行编程。简单地说，IAP的编程工作是：下载编译好的二进制文件数据到RAM；将数据重新编程到特定的Flash区。这两个工作是由IAP驱动程序完成的。使用IAP功能后，系统的固件由2部分组成：第1部分是IAP驱动，不执行通常的功能，而是通过微控制器支持的任一种通信管道(如USB、USART、SPI等，本文使用USART)接收数据，并执行对第2部分代码的更新；第2部分是真正的应用程序代码，实现具体的功能。这两部分代码共同烧写在Flash中。要注意的是，这两部分代码不能重叠，否则无法实现IAP功能。
    系统上电以后，IAP驱动首先运行，它主要执行如下的操作：
    ①根据硬件信号或软件条件判断是否需要对第2部分代码进行更新；
    ②如果不需要更新，则跳转到④；
    ③执行更新操作；
    ④跳转到第2部分代码执行。
    STM3210x处理器IAP驱动的流程如图2所示。图中显示IAP主界面是利用超级终端实现的，传输协议用的是Ymodem协议。需要注意的是，由于IAP驱动占用了用户Flash区的一段起始空间，因此Flash的可编程最大空间要把这部分除去。

3 IAP功能实现
3．1 硬件电路
    采用STM32F10x型处理器作为核心。该处理器可全速工作在72 MHz，拥有3个USART接口，内嵌128 KB Flash和20 KB SRAM。Flash是以页的形式组织的，擦除1页的时间约为20～40 ms；在整个工作范围内其擦除次数可达10 000次，经10 000次擦除后，在+55℃的保存环境中数据保存期限仍可达20年。用户完全不必担心使用了IAP功能后对产品造成不良影响。
    IAP驱动使用USART1口作为通信管道，PB口的第9引脚作为IAP判断是否进入IAP功能的信号线。引出一个按键，作为IAP功能选择按键，只要在上电或复位时按住此键就会进入IAP功能主界面，否则直接执行正常应用程序。BOOT0和BOOT1是启动配置跳线。相应的硬件电路分别如图3、图4和图5所示。

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3．2 IAP驱动
    IAP驱动主要包含如下源文件。
    main．c：完成Flash解锁、按键端口初始化、按键判断、USART1的初始化以及处理器的始终初始化，另外还初始化指针和跳转到应用程序处语句。然后从common．c执行主菜单。
    common．c：显示主菜单。主菜单上显示一系列操作，如加载二进制文件、执行应用程序以及禁止写保护(如果事先Flash被写保护)。
    download．c：等待用户选择传送文件操作，或者放弃操作以及一些提示信息，但真正实现传送的是ymodem．c源文件。
    ymodem．c：负责从超级终端接收数据(使用Ymodem协议)，并将数据加载到内部RAM中。如果接收数据正常，则将数据编程到Flash中；如果发生错误，则提示出错。
3．3 软件实现
    要实现IAP功能，还需做一些准备工作：
    ①要准备BIN类型的代码文件。开发环境使用的是Keil，默认情况下Keil生成HEX类型的编译文件。利用Keil自带的fromelf．exe工具，就可以生成二进制文件。
    ②对超级终端进行设置。IAP驱动中对USART1的设置为：波特率为115 200 kb／s，8位数据位，1位停止位，无校验位和硬件控制。超级终端也必须保持相同设置。
    IAP驱动和应用程序代码需要分配在Flash的合适位置。图6是2部分代码在Flash中的存储情况。由于IAP驱动代码占用8 KB的空间，故而将Flash最初的8 KB划出来，应用程序是从0x08020000地址处开始存放的。这是通过在common．h头文件中语句定义的：
    #define ApplicationAddress 0x08020000
    也可以定义在其他0x08020000地址后的任何位置，只要保证应用程序大小不超过所用处理器Flash的容量。在platform_config.h头文件中有定义Flash的语句：
    #define PAGE_SIZE(0x400) ／／Flash页大小为1 KB
    #define FLASH_SIZE(0x20000)／／Flash容量为128 KB
    STM32F10x处理器有2种Flash页的大小：1 KB和2 KB。通过以上语句即可定义页大小。
    在platform_config．h头文件中还定义了进入IAP功能选择按键映射引脚：
   

    IAP驱动在Keil中编译、链接后，利用ARM公司的RealView ULINK2仿真器将生成的HEX文件烧写到Flash中。此时Keil自带的Flash烧写工具要设置Flash的起始地址为0x08000000。在应用程序中，定义向量表的函数NVIC_SetVectorTabl(NVIC_VectTab_FLASH，0x2000)中的第2个参数，即Flash的偏移量一定要设置成0x2000或更大的数值。同时，Flash烧写工具也要做相对应的设置。将系统的串口与PC机串口相连，打开已经设置好参数的超级终端。将BOOT0跳线为0，BOOT1为0或1都可以。按住IAP功能选择按键，给系统上电。此时，在超级终端就会显示IAP功能主界面，如图7所示。

　

    在键盘上按1选择待载入二进制文件，界面上会出现提示语。在“传送”菜单中选择传送文件后，只需几秒钟可以将6 KB左右的文件烧写到Flash。下载完后，在键盘上按2或复位就可以直接执行应用程序了，如图8所示。虽然IAP功能使用的是USART1口，但进入应用程序后就可以正常使用USART1口。随时可以通过复位后按住IAP功能选择键来进行IAP方式烧写应用程序。 

结 语
    STM32F10x处理器性能出众，已被广泛应用于各种场合。其IAP功能给用户带来了极大方便，使得产品的固件更新快捷、简单。本文阐述了IAP的基本原理，并详细描述了如何在STM32F10x处理器平台中实现IAP功能，并在所设计的系统中进行了IAP实验。实验证明，该款处理器的IAP功能可靠、快捷。