【STM32】启动配置和自动串口下载

0 前言

  最近在研究STM32时，在下载程序时遇到了一些问题，在查找相关资料并结合自己的实践后，突然发现自己之前对STM32程序下载和启动配置等理解存在较大的误区，特写篇文章记录一下。

1 启动配置

  相信很多人学习STM32都会接触这张启动配置的图：

从画红线的部分可以了解到，当芯片复位之后，系统时钟（SYSCLK）起振，程序从地址0x0000 0000开始运行，在SYSCLK第四个上升沿锁存BOOT的引脚电平，然后决定接下来是从主闪存运行还是系统存储器中运行，也就是PC指针接下来跳转到哪个位置执行程序，0x8000 0000对应主闪存；0x1FFF F000对应系统存储器。

  于是就出现了第一个疑点。网上有很多博客在介绍stm32的启动配置时，都提到stm32内部存储的结构，低地址主要是系统存储区，高地址是主闪存，如下图所示

图片来源：我之前的一篇博客

但是很显然， 主闪存的起点（0x8000 0000）其实在系统存储区起点（0x1FFF F000）的前面。
  为什么要强调这一点呢？因为上面那张图给人的感觉就像是 “芯片运行过程中，先执行系统存储区，判断有没有下载的请求，如果有则进行下载操作；否则，执行后面的主闪存部分，也就是用户编写的程序。” 但是很显然， 实际情况并不是这样的 。这两部分的程序实际上是单独存在的，都是死循环的结构，也就是进入到其中一个执行之后，无法自动跳出到另外一个部分去执行，除非更换启动配置然后复位或者是输入一些特定的指令。

  所以很显然，最直白的方式就是使用外部编程器/仿真器进行下载，速度快的同时还能进行仿真，此外，不用来回切换启动配置。
  试想一下，如果你使用串口下载，需要哪些步骤，假定起点是芯片正在正常执行程序，然后现在需要更新程序，需要：

• 首先是将启动配置切换到系统存储运行（即BOOT0接1，BOOT1接0），
• 然后复位，
• 再使用串口下载，
• 下载完毕之后，又要把启动配置切换到运行状态，即BOOT0接0（BOOT1可以不动），
• 然后再按下复位键，实现新下载代码的正常运行。

  前后对比，优劣十分明显，但是使用stlink或者jlink还需要再买一个设备，而串口下载仅需一根usb线，那有没有什么办法能够实现串口一键下载，不用那么多复杂的操作，最好还能兼容仿真器下载 ？ ，而这就是自动下载电路的魅力所在。

2 自动下载电路

  经过查找资料，找到一张比较靠谱的电路图，如下所示

图片来源链接

由于此前有研究过ESP32的自动下载电路，这个电路十分相似，简单介绍一下其原理。

  在介绍电路原理之前，首先简单了解一下串口的流控信号。

  一般来说，在我们使用串口时，只使用到了两根线，即TX和RX（当然，要共地），发送和接收，但如果一端发送太快，另一端处理不过来，就会出现数据丢失的问题，于是就需要有流控信号，告知双方对方的状态，比如是否可以接收/发送，数据是否准备好/处理完毕等。常用的信号有四个

• RTS，Request To Send，即请求发送。是一个状态输出信号，告知对方可以我准备好了，可以发送数据，一般是低有效。
• CTS，Clear To Send，清除发送。是一个读取对方状态的引脚，看看对方能不能接收数据，如果可以，接下来就要发送数据了，一般是低有效。
• DTR，Data Terminal Ready，数据终端准备。是一个状态输出信号，告知对方我的数据准备好了，接下来可以准备发送，一般是低有效。
• DSR，Data Set Ready，数据准备好，是一个状态读取信号，查看对方数据有没有准备好，一般是低有效。

可以发现，以上信号一般是成对出现的，毕竟串口是半双工协议，支持两端发送和接收，但不能同时进行，两端实际上是等价的。因此有一种简化的流控接线方式如下图所示。

另外，还需要强调一点，这些流控信号全部都是软件控制的，且没有严格的先后关系，可以想象成串口芯片提供的额外的IO口，如果有使用过编程语言去实现串口收发可能对此会有更好的理解。因此这也就意味着，当我们不需要流控时，这些信号其实可以用来控制芯片某些引脚的电平，而这就是以上电路的实现原理。

参考链接

  了解流控信号的原理之后，再来看看电路（重新放一次，方便看）。

• BOOT0默认为0（其他地方有下拉，阻值一般为10k，图中未画出），是运行模式。
• 当RTS为低时，Q4导通，BOOT0由于上拉电阻小于下拉电阻，表现为高电平；当RTS为高时，Q4截止，BOOT0由于下拉电阻的存在，表现为低电平。
• RTS为低，且DTR为高时，Q3导通，RESET引脚被拉低，芯片复位；DTR为低时，不过RTS啥状态，Q3截止，RESET上拉，芯片进入运行状态。
• 因此，如果要写代码来控制，那就是先让RTS为高，把BOOT0拉高，再把DTR拉高，RESET为低，芯片复位，再把DTR拉低，复位结束，延时一小段时间（因为是在复位之后的SYSCLK第四个上升沿锁存boot引脚值），下载完程序之后，DTR拉低，由于RESET芯片内部有上拉，变为高电平，取消复位；然后再把RTS拉高，使BOOT0为低，芯片进入运行模式。【这里可能会存在一定的竞争冒险，但考虑到复位引脚一般会接电容，所以问题不大】

最后再来看看串口烧录软件，常用的主要是flymcu这个软件，界面如下所示。

  如果是通过调整BOOT引脚电平来进入BootLoader，这样下载程序不需要任何的流控信号，所以左下角的任何设置都不影响，但如果想实现自动下载，即下载完程序自动运行，就需要根据电路设计来选择模式了。

  以上面放的电路图为例，分析的结果应该是 “RTS低电平进BootLoader，DTR高电平复位”， 但这里应该选择的模式是 DTR低电平复位，RTS高电平进BootLoader ，因为这里有一个很重要的点，就是这个高低电平是RS-232电平，其逻辑和TTL电平是相反的。

  让我们实践验证一下！

  正好手边有一个带一键下载电路的开发板，如下图所示

其原理图和上面所附图基本一致。
  实践测试发现确实得选 DTR低电平复位，RTS高电平进BootLoader模式才能下载程序，其他模式都不行。

3 一键下载电路只能是这样吗？

  不知道有没有人考虑过，如果只是设置电平，而且软件可自定义，为什么要整这么复杂？还要加三极管来控制？不能引脚直连吗？

  说干就干，就拿这块小绿板了，调整一下外围电路，总不至于芯片损坏。先拿出电路原理图：

为了保险起见（怕图不对板），还拿电表依次测了通断，发现只是元器件位号不同，型号是一致的。OK，开始飞线！

  既然要直连，那就将RTS直连BOOT0，DTR直连NRST（中间的二极管保留）接线如下图所示。

为了避免干扰，实际还将R6和R7暂时摘掉，最后飞线完的样子如下图所示。

  接下来，我们再来分析一下电路，因为是直连，结果很清晰：当RTS为高电平时，进BootLoader；当DTR为低电平时，芯片复位，然后再翻转电平，所以要选择的模式是 DTR高电平复位，RTS低电平进BootLoader ：

OK！下载成功！

4 深度思考

  明明直连就能实现自动下载，为什么要加三极管呢？目前我在网上看到好几种说法：

• 说法一：直连会锁定引脚电平。在不下载程序时，这个引脚的电平是被锁定的，即要么是高电平要么是低电平。但是运行过程中复位引脚就应该保持高电平，BOOT0引脚就应该保持低电平呀？是的，至少STM32是这样的，但其他芯片这些模式配置的引脚是有可能复用的。比如esp32芯片的IO0引脚，在很多应用场景都是特定需要使用的引脚，这也是为什么官方的板子上的下载电路都是这样的。

  关于ESP32和ESP8266自动下载电路有一篇深入挖掘内部原理的文章，感觉还是很有意思的：传送门。

• 说法二：引脚直连之后打开串口会导致复位。参考这个链接，因为早期很多串口默认开启流控。但现在很多串口调试助手都可以选择是否启用流控信号，所以这其实不是原因。

  有兴趣的可以研究一下论坛的这个帖子以及issue

  这些确实有可能有问题，但是我实测发现一个更大的问题，那就是下载程序之后，复位，芯片会进入bootloader，不运行。猜测应该是直连的电平钳位（始终是高电平）导致BOOT0一直拉高。那之所以程序下载之后可以运行，实际上是勾选了“编程后执行”的选项。

  这里值得一提的是，即使直接使用USB转串口模块对芯片下载程序，其实也能达到下载完不调整BOOT模式就能运行的效果，因为flymcu有一个编程后执行的选项：

这个的原理应该是芯片支持通过软件的方式跳出bootloader，但是这样有一个问题，那就是复位之后，由于BOOT模式未切换成运行模式，芯片还是会进入BootLoader，所以这个运行只是这一次有效，下次上电或复位即失效。

  这样看来，使用串口芯片引脚直连BOOT0和nRST的结果和不带一键下载电路是一样的。也就没有坚持的意义了。

5 总结

  本文研究了STM32芯片的启动配置和自动下载电路，试图简化自动下载电路，但实测发现当前流行的自动下载电路确实是最优解。虽然没有创新电路，但理清楚了电路设计的原理，对芯片的理解也更加深入。

值得一提的是，GD32的启动模式和STM32是一致的，所以如果有串口下载的需求，可以直接复制本文贴出来的电路。