STM32F091空片編程后怎樣直接運(yùn)行用戶代碼

問題
某客戶在其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，使用了STM32F091RCT6。客戶使用ST-Link 對STM32F091RCT6 進(jìn)行編程，發(fā)現(xiàn)對空片進(jìn)行編程之后，必須要重新上電才能運(yùn)行用戶代碼；但是如果不是空片，則編程后就可以直接運(yùn)行用戶代碼。由于客戶的測試系統(tǒng)是直接燒寫完芯片后在不斷電的情況直接進(jìn)入測試模式，如果空片燒寫需要斷電的話，帶來一定的麻煩?？蛻粝Ｍ忝靼走@件事，并希望找到辦法，能在空片編程后也可以直接運(yùn)行用戶代碼。

調(diào)研
1.還原問題
在這里，使用帶有STM32F091RCT6 的NUCLEO-F091RC 板來進(jìn)行問題還原，將此Nucleo 板通過USB 線連接到電腦。打開STM32 ST-LINK Utility，點(diǎn)擊“Connect to the target”按鈕進(jìn)行芯片連接，連接后打開一個(gè)準(zhǔn)備好的LED 燈閃爍的.hex 文件代碼，點(diǎn)擊“Program verify”按鈕準(zhǔn)備進(jìn)行編程。

在這里，我們勾選了“Reset after programming”，目的在于編程后對芯片進(jìn)行復(fù)位，可以運(yùn)行用戶代碼。然后點(diǎn)擊“Start”按鈕開始進(jìn)行編程。
編程之后，按道理可以看到LED 燈閃爍的，但是并沒有出現(xiàn)。需要給MCU進(jìn)行斷電后，重新上電才能看到LED 燈閃爍。也就是說需要一次上電復(fù)位才能運(yùn)行用戶代碼。

2.分析問題
先來回顧一下STM32F091 的參考手冊RM0091 對于Empty Check 的描述：

首先，芯片內(nèi)部存在一個(gè)查空標(biāo)志，用來標(biāo)志芯片是否為空片。這個(gè)標(biāo)志位是在BOOT0 腳被定義到從Main Flash memory 啟動的時(shí)候使用。當(dāng)這個(gè)標(biāo)志位被置“1”的時(shí)候，此芯片被認(rèn)為是空的，系統(tǒng)將從Systemmemory 中啟動Bootloader，以允許用戶進(jìn)行代碼下載，即使現(xiàn)在BOOT0腳定義的是從Main Flash memory 啟動。此標(biāo)志位只在載入Option bytes 時(shí)更新：當(dāng)?shù)刂?x0800 0000 讀出的內(nèi)容為0xFFFF FFFF 時(shí)，此標(biāo)志位置“1”，否則為“0”。這意味著當(dāng)燒寫完一個(gè)空片后需要在系統(tǒng)復(fù)位后執(zhí)行用戶代碼的話，是必須要重新上電以產(chǎn)生或者在FLASH_CR寄存器中置位OBL_LAUNCH 來啟動Optionbyteloader reset，以清除此查空標(biāo)志。

現(xiàn)在就可以來分析目前所遇到的情況了：

當(dāng)空片通過SWD 連接到ST-Link 進(jìn)行燒寫的情況下，由于上電時(shí)空片檢測檢測到此芯片為空片，查空標(biāo)志被置位，所以系統(tǒng)此時(shí)從System memory 中啟動Bootloader 開始運(yùn)行。通過簡單的SWD 接口對芯片進(jìn)行編程，勾選的“Reset afterprogramming”將在編程結(jié)束后在RESET引腳上產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號，但是不幸的是這個(gè)復(fù)位并不能清除查空標(biāo)志，導(dǎo)致復(fù)位后仍然從System memory 中啟動Bootloader，而沒有運(yùn)行用戶代碼，也就是我們之前遇到的現(xiàn)象。

一般情況下，我們都可以通過重新上電來產(chǎn)生POR 以清除查空標(biāo)志，從MainFlash memory 啟動運(yùn)行用戶代碼。但是，客戶目前的這種特殊需求就會帶來一定的麻煩。還有一種應(yīng)用也會比較麻煩，也就是使用鋰電池的產(chǎn)品，而且這個(gè)電池直接焊接到用戶板上，無法方便地進(jìn)行斷電上電。此時(shí)，若是空片是焊接在板子上進(jìn)行在線編程，那么，問題來了?？掌幊讨?，由于不方便進(jìn)行斷電，而無法完成POR的動作，不能運(yùn)行用戶代碼也就無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)Option byte loader reset。查空標(biāo)志無法清除，程序運(yùn)行將鎖死在System memory 的Bootloader。

3.問題解決
這種問題呢，解決方法當(dāng)然有很多種，下面來大概地探討一下：
1) 從生產(chǎn)上來解決：芯片在編程器上進(jìn)行單獨(dú)編程，之后再上板子，避開空片燒寫后沒有POR。
2) 從硬件上來解決：使用一個(gè)跳線，或者使用其他方式，比如在夾具上想辦法，以達(dá)到通過人工的斷電再連通上電，實(shí)現(xiàn)一個(gè)POR。需要在PCB 板上預(yù)留。大家可自行選擇對策。但是這會增加生產(chǎn)上的麻煩，降低效率。
3) 從編程方法來解決：不使用ST-Link 進(jìn)行編程，直接使用Bootloader 進(jìn)行串口升級，升級后跳轉(zhuǎn)到Main Flashmemory 去運(yùn)行用戶代碼。需要在用戶代碼中加入將MainFlash memory 映射到0x0000 0000 的代碼。
4) 前面幾種方式大家一看就明白如果去解決了。但是，如果一定要使用ST-Link 通過SWD 進(jìn)行燒寫的話，就另當(dāng)別論，我們下面來探討這種方式。
一般看到這種問題，直觀思維就是思考是否有辦法，可以在ST-LINK 燒寫后通過一定的ST-LINK命令跳轉(zhuǎn)到用戶代碼去運(yùn)行用戶代碼。方法看起來可行，但是有點(diǎn)復(fù)雜。第一，STM32 ST-LINKUtility 沒有提供類似的功能，需要用戶自行使用ST-LINK_CLI 命令；第二，需要在用戶代碼中加入別忘了將MainFlash memory 映射到0x0000 0000 的代碼；第三，由于查空標(biāo)志未清除，需擔(dān)心意外的復(fù)位信號或干擾，導(dǎo)致復(fù)位后又跑回SystemMemory，還需要在用戶代碼中加入“每次運(yùn)行都判斷是否為OptionBytes Loader reset，如果不是，就直接執(zhí)行一次Option BytesLoader reset以清除查空標(biāo)志”。

我們的直觀思維都是出現(xiàn)問題解決問題，但是看了上面的描述，這樣的解決辦法還真有點(diǎn)麻煩。那有沒有什么其他簡單的辦法呢？答案是有的，我們不要把思維停留在出現(xiàn)問題解決問題上，而是如何去避免產(chǎn)生問題。下面來理一理思路：

這個(gè)問題的根源在于查空標(biāo)志的存在，所以需要思考的是怎么避免查空標(biāo)志的影響？
來看一下查空標(biāo)志產(chǎn)生的條件：

a) 使用了BOOT0 引腳;
b) BOOT0 引腳為低電平，啟動區(qū)域指向MainFlash memory;
c) 讀取0x0800 0000 地址的值為0xFFFF FFFF;

由于是空片編程，所以第三種條件是肯定是成立的；由于硬件設(shè)計(jì)，BOOT0 引腳的電平也不方便改來改去；所以需要把關(guān)注點(diǎn)放在第一個(gè)條件上——“使用了BOOT0 引腳”。由于STM32F091的特性，剛好有機(jī)會可以不使用BOOT0 引腳，而是直接使用選項(xiàng)字節(jié)，所以解決的辦法有了。

步驟如下：
i. 打開STM32 ST-LINK Utility，點(diǎn)擊“Connect to the target”按鈕進(jìn)行連接；
ii. 從菜單“Target → Option Bytes”調(diào)出選項(xiàng)字節(jié)對話框

將“nBoot0_SW_Cfg”的打勾去掉，點(diǎn)擊“Apply”，改成使用選項(xiàng)字節(jié)中的nBoot0 和nBoot1 來控制啟動區(qū)域
iii. 再打開需要燒寫的代碼文件，點(diǎn)擊“Program Verify”按鈕，對話框中勾選“Reset after programming”，點(diǎn)擊“Start”完成燒寫動作就可以了。

這樣就可以看到用戶代碼已經(jīng)在運(yùn)行了，是不是很簡單。
如果，希望更簡單的完成，可以使用ST-LINK_CLI，寫一個(gè)批處理文件，包含以下動作：

ST-LINK_CLI -c SWD UR

ST-LINK_CLI -ME

ST-LINK_CLI -p xxxxxxxx.hex-v “while_programming”

ST-LINK_CLI -OBnBOOT0_SW_Cfg=0

ST-LINK_CLI –Rst

ST-LINK_CLI.exe位于STM32 ST-LINK Utility 安裝目錄里，關(guān)于命令請參考《ST-LINKUtility UM.pdf》。

結(jié)論
由于查空檢測機(jī)制，導(dǎo)致STM32F091 空片在使用ST-LINK編程后，不斷電的情況下復(fù)位將回到System Memory，無法進(jìn)入MainFlash memory 去運(yùn)行用戶代碼。所以，在特殊應(yīng)用中，如果無法進(jìn)行斷電再上電，需要使用辦法對這種機(jī)制進(jìn)行破壞。

處理
將Boot 啟動配置為用選項(xiàng)字節(jié)進(jìn)行控制，而不是使用Boot0引腳，以此來破壞查空機(jī)制的影響。

建議
對于問題的解決，一般從兩個(gè)方向進(jìn)行思考：一是出現(xiàn)了問題再來找解決問題的辦法；二是如何避免出現(xiàn)問題。很多時(shí)候，由于思維慣性，很多工程師可能會更喜歡直接從第一種方向去思考問題；然而，事實(shí)上，如果能從第二種方向思考，阻止問題的產(chǎn)生，那才是最好的辦法。