STM32自动下载电路分享及注意事项

简介

在嵌入式开发中，使用STM32下载程序，可以通过仿真器下载，也可以通过串口下载。在stm32串口下载时，我们需要手动配置启动模式，为了方便进行程序的更新和下载，于是有了自动ISP下载电路。本文将分享关于STM32自动下载电路的实现过程和原理。

ISP下载

ISP，即In-System Programming，在线编程。具有ISP功能的单片机芯片，可以通过简单的下载线直接在电路板上给芯片写入或者擦除程序，并且支持在线调试。 一般而言，ISP都需要一些上位机来配合操作，比如stm32常用的软件是FlyMCU，mcu isp软件。对于stm32，ISP下载，又分为手动ISP下载和自动ISP下载。

启动配置

对于stm32，有几种启动模式需要配置。系统存储器启动就是通过ISP下载。我们可以查看stm32参考手册，里面有关于启动模式的配置。

这里的启动模式怎么理解呢？简单来说，STM32的启动模式决定了芯片上电或复位后执行的操作，启动模式前两种我们用的比较多，这里主要讲解这两种启动模式，我们可以简单理解为有两种模式。第一种模式BOOT1=X, BOOT0 = 0，（这里BOOT1=X， 意思就是：是 0是1都可以），主闪存存储器被选为启动区域，即程序运行模式； 第二种模式， BOOT1=0，BOOT0=1，系统存储器被选为启动区域，即系统引导模式。

1. 程序运行模式：启动用户程序，执行从闪存中加载的应用。 大白话：运行程序

2. 系统引导模式：允许从特定接口（如UART、USB等）加载新固件，用于程序下载和更新。 大白话：下载程序

这里我们可以看到对于前两种模式，BOOT1的状态只要保持为0即可，所以一般我们都是通过配置BOOT0引脚状态来控制单片机是下载还是运行。STM32在启动时会检查BOOT引脚的状态，以决定从哪个存储位置加载程序。

可以把STM32的启动模式比作一栋大楼的入口。

• 正常入口：当你从主入口（程序运行模式）进入时，你直接进入大楼，开始进行你原本的活动（运行用户程序）。

• 特别通道：如果你选择了侧门（系统引导模式），就好比你在大楼外进行一些特殊操作，比如接收新的指令或进行维修（程序下载）。

通过选择不同的入口，用户可以灵活地进入大楼并执行不同的操作，就像通过设置BOOT引脚状态来控制STM32的启动模式。本质上，是单片机可以选择从不同的位置运行程序，我们可以看下下面这张表。

系统引导模式有一段程序专门用来下载代码，这段程序叫bootlaoder，也叫自举程序，存储在stm32的内部系统存储器中，它的作用是接收串口外设发送的程序数据并放置到flash中，运行的起始地址是0x1FFF F000。在ROM区的0x0800 0000位置，存储的就是编译后的程序代码。

自举程序在手册上是这样描述的。

对于stm32f103c8t6，属于中容量产品，这也是为什么我们通常通过串口1的PA9、PA10这两个串口引脚下载程序。现在我们对启动模式有了一定了解了，我们再回过头看手册。

我们注意手册里的这句话：在系统复位后， SYSCLK的第4个上升沿， BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态，来选择在复位后的启动模式。
也就是说BOOT引脚的状态在复位后第4个上升沿，就固定下来，不再变化。对BOOT0和BOOT1的配置决定了系统将进入的启动模式。所以我们可以说，stm32 isp下载的过程， 一是需要对BOOT进行配置，二是需要进行RESET复位，确保它从设定的启动模式重新开始。

USB转串口芯片CH340C

STM32通常使用串口进行通信，而大多数计算机只有USB接口。USB转串口芯片能够将计算机的USB信号转换为STM32可识别的串口信号。此外，USB和串口之间的电平标准也不同，因此isp下载需要USB转串口芯片来进行通信下载，这里我们使用usb转ttl芯片ch340c来进行下载电路的设计，我们先了解一下ch340c。

这里只对我们用到的几个引脚进行介绍，VCC,V3,GND接电源正极和地，根据实际情况外接0.1uf的退耦电容，RTS#，DTR#,DCD#, RI# ,DSR#,CTS# 这几个引脚为modem联络信号，由计算机软件程序控制，可以理解为通过上位机软件，来完成联络信号的控制，目的是控制单片机自动下载程序时所需满足的电压条件。在STM32自动下载电路中，我们只用到RTS#（Request To Send，请求发送）， DTR#（Data Terminal Ready，数据终端就绪）两个引脚。TXD、RXD是串行数据的输出（发送）、输入端（接收）， 需要连接通信MCU的输入（接收）、输出（发送）端口；UD+、UD-连接typeC接口中对应的D+，D-。

手动isp下载

普通isp下载，不具有自动下载功能，需要手动进行启动模式的配置，因此也叫手动isp下载。手动isp下载，不需要用到CH340C的联络信号RTS#, DTR#, 所以在下载电路中，我们只需给CH340C供电，连接typec对应的D+, D-， 在将串口芯片的TX, RX连接到MCU的串口通信引脚就行了，对于stm32f103c8t6，前面我们讲过可以通过USART1接口启用自举程序，所以这里串口芯片的TX， 就连接到c8t6的pa10（RX）， 串口芯片的RX, 连接到c8t6的pa9（TX）。

手动isp下载程序并运行的过程如下：

1. 配置启动模式：BOOT0 = 1, BOOT1= 0
2. 进入bootloader：按下复位按钮，准备接收数据
3. 存储到Flash：上位机开始发送程序，单片机通过串口接收代码数据
4. 重新配置启动模式：下载完成后，BOOT0 = 0, BOOT1 = 0
5. 运行Flash中的代码：按下复位按钮，运行下载的程序代码。

可以看到，每次下载程序，然后运行程序的时候，我们都需要手动配置BOOT启动模式，对应在硬件上， 就是每次都要切换跳线帽，而且每次都要按复位，这样子多少有点麻烦，于是就有了自动isp下载电路。

自动isp下载

自动isp下载电路，可以实现自动下载，就不需要去手动配置BOOT启动模式和每次都要按复位了，那肯定是有其它电路控制实现这个功能了，这个自动下载电路，肯定要能在下载程序的时候，自动配置启动模式和自动复位，这就是我们说的实现自动下载电路需要满足的电压条件，所以简单来说，STM32自动下载电路的原理是基于单片机的启动模式和外部电路控制。具体来说：

1. 启动模式选择：STM32具有多种启动模式，其中通过BOOT0引脚的高低电平控制单片机进入内置引导程序，从而实现固件下载。如果BOOT0为高电平，单片机会进入下载模式，允许通过串口接收新程序。

2. 复位控制：在下载过程中，通过NRST引脚将单片机复位，确保其处于可编程状态。通常使用NPN晶体管控制NRST引脚的高低电平，以实现自动复位。

3. 通信接口：USB转串口模块连接至STM32的TX和RX引脚，负责与PC端进行数据传输。通过串口发送的下载命令和数据，将新的固件烧录到单片机中。

和手动下载电路不同的是， 自动下载电路使用ch340c串口芯片时，使用到了RTS#和DTR#两个联络信号引脚。

自动isp下载程序并运行的过程如下：

1. 配置启动模式： BOOT1固定为0（BOOT1=0），CH340_RTS输出低电平，Q2导通，BOOT0被拉高，BOOT0 = 1
2. 进入bootloader：CH340_DTR=1，Q1导通，NRST被拉低，延时100ms；延时后CH340_DTR拉低，CH340_RTS维持拉低，完成一次复位，准备接收数据。
3. 存储到Flash：上位机开始发送程序，单片机通过串口接收代码数据
4. 重新配置启动模式：接收完成后，CH340_RTS为高电平，Q2截止，BOOT0 = 0
5. 运行Flash中的代码：接收完成后此时CH340_DTR为高电平，Q1截止，NRST恢复为高电平，因此无法实现自动运行程序，需手动按下复位按钮运行代码。但实际上我们可以让它自动运行，在软件上，可配置“编程后运行”，从主闪存0x800 0000位置运行，实现自动运行下载的程序代码。

因此这个电路搭配软件进行使用， 基本上就可以实现一键自动下载代码并运行代码的效果了！对比一下手动isp下载，可以发现，自动isp下载的过程，实际上就是上位机软件通过控制DTR和RTS来实现对BOOT0和NRST(复位引脚)的控制。

值得注意的是，FlyMcu软件底部有关于RTS和DTR高低电平的选择，用的是RS232电平，使用的是负逻辑，和我们常见的ttl电平正好相反，即0是高电平，1是低电平，所以在实际电路中是DTR#的高电平复位，RTS#低电平进Bootloader，在软件上应设置成“DTR的低电平复位，RTS高电平进Bootloader”。

RTS、DTR电平变化分析

一开始采样的时候，遇到一个奇怪的现象，RTS#在下载过程中会有几微妙不稳定的抖动，在产生抖动的同时DTR#也由原来的拉低变成拉高了，根据我们前面的分析，这个是有点问题的，会多产生了一次复位，这个复位好像是没有必要的。后面分析既然是RTS#、DTR#的变化，那就分析一下它为什么会变化，而RTS#、DTR#是由上位机软件控制的，所以猜想可能跟软件有关。

于是把FlyMcu软件换成了mcuisp 软件。

NICE！ 这个波形就很完美，和我们前面分析的波形一致。我们再来分析一下这个时序图。

STM32自动下载电路过程可以分为3个阶段，下载前，下载中，下载后。

下载前，RTS#, DTR#都为高电平， 此时BOOT0为0V，NRST为3.3V

下载中，上位机软件控制DTR为低电平，RTS输出高电平，此时DTR#输出高电平(3.3V)，RTS#输出低电平(0V)，NRST变为0V（复位），BOOT0为3.3V。之后需要延时 100ms 等待芯片复位完成。

延时 100ms后，上位机软件控制DTR为高电平，此时DTR#输出低电平(0V)，RTS#维持输出低电平(0V)，NRST信号被拉高变为3.3V，BOOT0为3.3V，表示复位结束，从系统存储器中运行。

下载后，上位机软件控制RTS#、DTR#输出都为高电平，恢复到刚开始的电平状态，此时BOOT0=0V, NRST维持为高电平3.3V，单片机进入Flash，等待复位启动程序。如若在软件勾选“编程后运行”，单片机将跳到主闪存存储器的地址（0x0800 0000）处开始自动执行代码，此时的RTS,DTR等各电平变化和不勾选其实是一致的。

在FlyMcu软件下载过程中， 右侧会显示RTS和DTR电平状态变化， 配合上面的波形图就很清晰了。RTS#, DTR#这里的“#”实际上就是取反的意思，因为采用的是负逻辑，所以实际上右侧的信息应为：

开始全片擦除(全片擦除时间会比较长，请耐心等候!)
全片擦除成功
DTR#电平置高(+3-+12V),复位
RTS#置低(-3 - -12V),选择进入BootLoader
…延时100毫秒
DTR#电平变低(-3 - -12V)释放复位
RTS#维持低 开始连接…4, 接收到:79 1F
在串口COM7连接成功@115200bps，耗时734毫秒

注意事项

1. 下载程序时确保BOOT引脚配置正确。如果下载后可以运行，复位或重新上电后就不能运行，可能和BOOT0的设置有关。此外，原理图中的BOOT0需要通过100K的电阻接到地。
2. 使用usb转串口芯片时，应采用适当的退耦电容（如0.1μF），以滤除电源噪声，确保稳定工作。
3. 软件配置RTS和DTR电平时，使用的是负逻辑 。