I²C是一种串行、半双工通信总线，使用多主从架构，是由Philips公司在1980年代初设计的，主要用于近距离、低速的芯片之间的通信。由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。
还记得刚开始做嵌入式的时候，面对芯片数据手册（datasheet）那叫一个头大！ 动辄几十页的文档，密密麻麻的术语和图表，简直像天书。 后来我发现很多工程师都有类似的困扰。即便现在我已经用过成百上千种芯片，面对一些“奇葩”数据手册，依然会抓狂。 选芯片和读数据手册，其实可以有章法可循。这篇文章我想分享一下我这些年总结的经验，教你如何快速上手一份数据手册，少走弯路。 我会以 SiC45x 降压 DC/DC 转换芯片为例，带你一步步拆解数据手册的阅读技巧。 从哪里开始读数据手册？ 别笑，我的第一步真的是直接翻到典型应用电路（Typical Application Circuit）。 这部分通常是数据手册的“门面担当”，能让你迅速抓住芯片的核心用法。 如果一份数据手册连典型应用电路都没有，我十有八九会直接 Pass 掉这颗芯片！ 为什么？因为典型应用电路就像一份“速成指南”，能告诉你： 芯片的基本接法是什么样； 需要多少外部元件； 大概能用在什么场景。 以 SiC45x 的典型应用电路（见图1）为例，它在数据手册的第一页就给了我们不少信息： 图1：SiC45x 典型应用电路 通过这个图，哪怕你对这颗芯片一无所知，也能快速get到： 输入电压范围是 4.5V 到 20V； 没有外部 MOSFET，说明这颗芯片内部集成了功率管（对高功率稳压器来说挺硬核！）； 支持 I2C 通信，还能改地址； 有 RT/SYNC 引脚，说明可以调开关频率； 有 ENABLE、PGood、SALRT 等状态引脚，说明可能不依赖 I2C 也能用。 虽然这些信息不足以直接画原理图，但已经足够让你对芯片有个初步印象，是个不错的起点！ 例外情况：如果是微控制器（MCU），因为功能太复杂，数据手册通常不会有完整的典型应用电路，而是会拆分成几个关键模块的接法，比如去耦电容、晶振、编程接口等。 如果 MCU 数据手册还贴心地附上“最小硬件连接”示意图，那真是良心厂家，值得加分！ 别错过两个“描述”部分 数据手册里通常有两个地方会介绍芯片的功能，一个是开头的描述（Description），另一个是稍后几页的操作描述（Operational Description）。这两个部分乍看有点重复，但其实各有侧重。 开头的描述：通常在第一页，像是芯片的“自我介绍”，简明扼要地告诉你这颗芯片是干啥的，适合什么场景。读完这个，你大概就能判断芯片符不符合你的需求。 操作描述：这个部分一般在引脚定义、绝对最大值和框图之后，内容更详细，会把开头的描述再细化一遍，还会分模块讲解芯片的各个功能块。 图2：SiC45x 数据手册的两种描述 以 SiC45x 为例（见图2），开头的描述让你快速了解芯片是个降压转换器，支持 I2C 控制，而操作描述则会进一步拆解每个功能模块，比如开关频率设置、I2C 通信协议等。 建议：选芯片时可以先快速扫一眼这两个部分，设计原理图时再反复回来查操作描述里的公式和设置方法。 绝对最大值：设计的安全底线 看完典型应用电路和描述，我会直接跳到绝对最大值（Absolute Maximum Ratings）和推荐工作条件（Recommended Operating Conditions）。这两部分是芯片的“红线”，告诉你芯片能承受的极限和建议的工作范围。 图3：SiC45x 绝对最大值表格 以 SiC45x 的绝对最大值（见图3）为例： 最大输入电压是 28V，但推荐工作电压只有 20V。这意味着你不能直接用 24V 电源供电，但如果有上游的过压保护（比如钳位到 24V），20V 是可以安全使用的。 还会列出每个引脚的最大电压和电流，方便你检查设计是否超限。 Tips：绝对最大值是“不能碰的雷区”，但不代表芯片能长期稳定工作在这些极限条件下。推荐工作条件才是你设计时的参考标准！ 引脚定义表：设计时的“速查宝典” 了解了芯片的基本功能和电气限制后，我会去看引脚定义表（Pin Description），也叫引脚功能表。这个表格通常在典型应用电路和绝对最大值之间，列出了每个引脚的名称、功能和简单描述。设计电路时，这个表格是我翻得最多的部分，堪称“速查宝典”。 图4：SiC45x 引脚定义表 比如 SiC45x 的引脚定义表（见图4），我们能快速知道 RT/SYNC 引脚是用来设置开关频率的。但具体用多大的电阻对应什么频率？这时需要翻到操作描述里的“RT/SYNC 引脚和开关模式配置”部分，里面会有详细的电阻值表格（见图5）。 图5：SiC45x 开关频率设置表格 功能框图：深入理解芯片内部 几乎所有数据手册都会有个功能框图（Functional Block Diagram），展示芯片的内部结构。SiC45x 的框图如图6所示： 图6：SiC45x 功能框图 框图不一定每次都用得上，但关键时刻能帮大忙，比如： 搞清楚不同地（GND）之间的连接方式； 了解芯片的驱动电路类型； 弄明白如何绕过某些功能模块； 看内部电压是怎么生成的。 我通常会在设计后期或者调试时参考框图，尤其是遇到奇怪问题时，它能帮你从芯片内部逻辑去分析。 那些密密麻麻的图表怎么办？ SiC45x 数据手册光图表就占了9页！（见图7）说实话，我平时不太会逐一细看这些图表，它们不是我的标准阅读流程。但某些场景下，比如想了解芯片的启动特性或效率曲线，图表还是很有用的。 图7：SiC45x 数据手册中的图表页 建议：除非有特殊需求（比如分析启动时间或热性能），可以先跳过图表，专注前面的核心内容。 PCB 布局建议：参考但别盲从 SiC45x 数据手册有个亮点：整整三页的 PCB 布局建议！（见图8）这在数据手册里算少见，尤其对开关电源这种对布局敏感的芯片，布局建议特别重要。 图8：SiC45x PCB 布局建议 不过，我得提醒一句：别把布局建议当“圣经”。厂家提供的建议通常是通用的，实际设计中你可能需要根据具体情况调整。比如，SiC45x 的布局建议里提到电源和地平面怎么布，但图示里有些细节可能不太合理。我的做法是参考这些建议作为起点，然后结合自己的经验优化。 别忘了检查勘误表！ 数据手册不是完美的，尤其是刚发布时，难免有印刷错误或遗漏。这些问题通常会在 勘误表 部分修正，列在数据手册末尾或单独文档里。Errata 还可能指出芯片本身的硬件问题，比如某个引脚功能有 Bug，未来版本会修复。 Tips： 一定要用最新版数据手册，直接从厂家官网下载。 尤其是 MCU，勘误表可能单独发布，设计前务必查阅。 总结：从“天书”到“工具书” 读数据手册就像啃一本技术“天书”，但只要掌握方法，就能把它变成你的“工具书”。通过 SiC45x 的例子，我分享了我的阅读流程： 先看典型应用电路，快速了解芯片用法； 读两个描述部分，抓住芯片的核心功能； 检查绝对最大值和推荐工作条件，确保设计安全； 熟读引脚定义表，设计时反复参考； 必要时看功能框图和图表，解决疑难问题； 参考 PCB 布局建议，但灵活调整； 别忘了检查勘误表，避免踩坑。 希望这些经验能让你下次面对数据手册时信心满满！如果你有其他读数据手册的技巧，欢迎在评论区分享，咱们一起进步！
新能源汽车中的各种控制器主要包括：整车控制器（VCU）、发动机控制器（ECU）、电机控制器（MCU）和电池管理系统（BMS）。 新能源汽车的三电技术，包括电池、电驱和电控。电池部分阐述了动力电池系统的构成；电驱部分讲解了传动机构、电机和电机控制器的功能；一、整车控制器（VCU） 1. 功能 1.1 驱动系统控制 1.2 整车能量管理和优化 1.3 整车通信和网络管理 1.4 故障处理与诊断 1.5 汽车状态显示 2. 工作模式 2.1 自检模式 2.2 启动模式 2.3 起步模式 2.4 行驶模式 2.5 制动模式 2.6 停车模式 2.7 故障模式 2.8 充电模式 整车域控制器（VCU）是整车控制的核心控制器，通过汽车总线或者硬线，实现对电池系统、电驱系统、热管理系统等的管理，具体包括档位、加速踏板、制动踏板的控制，根据实时的动力电池电量，计算出需要输出的扭矩控制，整车的低压、高压的上下电、能量回收等控制。 VCU的内部结构简图如下 二、电子控制单元（ECU） Engine Control Unit即发动机控制单元，特指电喷发动机的电子控制系统。 后来随着电子汽车的迅速发展，ECU的定义变成了Electronic Control Unit，即电子控制单元，泛指汽车上所有电子控制系统。 1. ECU基本组成 ECU和普通的单片机一样，由微控制器（MCU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。 微控制器（MCU）是汽车电子控制单元ECU的核心，以CPU为核心，是集成在一块芯片上的微型计算机。ECU是包括微控制器和相关外围接器件的电路板的总称，是微控制器在汽车的应用系统。 2. ECU的作用 参数控制 故障自诊断和保护功能 3. ECU的工作原理 4. 常见的ECU的类型 ECU的控制范围已经扩张到巡航控制、灯光控制 、安全气囊控制、悬架控制 、燃油加热控制、排气控制、制动控制、EGR和增压压力控制等。 1. EMS（Engine Mangement System）发动机管理系统 2. TCU（Transmision Control Unit）自动变速箱控制单元 3. BCM（Body Control Module）车身控制模块 4. ESP（Electronic Stability Program）车身电子稳定控制系统，车身电子稳定控制系统 5. BMS（Battery Management System）电池管理系统 6. VCU（Vehicle Control Unit）整车控制器三、电机控制器（MCU） MCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接受VCU的车辆行驶控制指令，控制电机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。 MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能；MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成四、 电池管理系统（BMS） 通过BMS实现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换；BMS能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池状态
1、程序的书写结构 虽然书写格式并不会影响生成的代码质量，但是在实际编写程序时还是应该遵循一定的书写规则，一个书写清晰、明了的程序，有利于以后的维护。 在书写程序时，特别是对于While、for、do…while、if…else、switch…case 等语句或这些语句嵌套组合时，应采用“缩格”的书写形式。 2、标识符 程序中使用的用户标识符除要遵循标识符的命名规则以外，一般不要用代数符号(如a、b、x1、y1)作为变量名，应选取具有相关含义的英文单词(或缩写)或汉语拼音作为标识符，以增加程序的可读性，如：count、number1、red、work 等。 3、程序结构 C 语言是一种高级程序设计语言，提供了十分完备的规范化流程控制结构。因此在采用C 语言设计单片机应用系统程序时，首先要注意尽可能采用结构化的程序设计方法，这样可使整个应用系统程序结构清晰，便于调试和维护。 对于一个较大的应用程序，通常将整个程序按功能分成若干个模块，不同模块完成不同的功能。 各个模块可以分别编写，甚至还可以由不同的程序员编写，一般单个模块完成的功能较为简单，设计和调试也相对容易一些。在C 语言中，一个函数就可以认为是一个模块。 所谓程序模块化，不仅是要将整个程序划分成若干个功能模块，更重要的是，还应该注意保持各个模块之间变量的相对独立性，即保持模块的独立性，尽量少使用全局变量等。对于一些常用的功能模块，还可以封装为一个应用程序库，以便需要时可以直接调用。 但是在使用模块化时，如果将模块分成太细太小，又会导致程序的执行效率变低(进入和退出一个函数时保护和恢复寄存器占用了一些时间)。 4、定义常数 在程序化设计过程中，对于经常使用的一些常数，如果将它直接写到程序中去，一旦常数的数值发生变化，就必须逐个找出程序中所有的常数，并逐一进行修改，这样必然会降低程序的可维护性。因此，应尽量当采用预处理命令方式来定义常数，而且还可以避免输入错误。 5、减少判断语句 能够使用条件编译(ifdef)的地方就使用条件编译而不使用if 语句，有利于减少编译生成的代码的长度。 6、表达式 对于一个表达式中各种运算执行的优先顺序不太明确或容易混淆的地方，应当采用圆括号明确指定它们的优先顺序。一个表达式通常不能写得太复杂，如果表达式太复杂，时间久了以后，自己也不容易看得懂，不利于以后的维护。 7、函数 对于程序中的函数，在使用之前，应对函数的类型进行说明，对函数类型的说明必须保证它与原来定义的函数类型一致，对于没有参数和没有返回值类型的函数应加上“void”说明。如果需要缩短代码的长度，可以将程序中一些公共的程序段定义为函数。 如果需要缩短程序的执行时间，在程序调试结束后，将部分函数用宏定义来代替。注意，应该在程序调试结束后再定义宏，因为大多数编译系统在宏展开之后才会报错，这样会增加排错的难度。 8、尽量少用全局变量，多用局部变量 因为全局变量是放在数据存储器中，定义一个全局变量，MCU 就少一个可以利用的数据存储器空间，如果定义了太多的全局变量，会导致编译器无足够的内存可以分配；而局部变量大多定位于MCU 内部的寄存器中，在绝大多数MCU 中，使用寄存器操作速度比数据存储器快，指令也更多更灵活，有利于生成质量更高的代码，而且局部变量所能占用的寄存器和数据存储器在不同的模块中可以重复利用。 9、设定合适的编译程序选项 许多编译程序有几种不同的优化选项，在使用前应理解各优化选项的含义，然后选用最合适的一种优化方式。通常情况下一旦选用最高级优化，编译程序会近乎病态地追求代码优化，可能会影响程序的正确性，导致程序运行出错。 因此应熟悉所使用的编译器，应知道哪些参数在优化时会受到影响，哪些参数不会受到影响。 代码的优化 1、选择合适的算法和数据结构 应熟悉算法语言。将比较慢的顺序查找法用较快的二分查找法或乱序查找法代替，插入排序或冒泡排序法用快速排序、合并排序或根排序代替，这样可以大大提高程序执行的效率。 选择一种合适的数据结构也很重要，比如在一堆随机存放的数据中使用了大量的插入和删除指令，比使用链表要快得多。数组与指针具有十分密切的关系，一般来说指针比较灵活简洁，而数组则比较直观，容易理解。对于大部分的编译器，使用指针比使用数组生成的代码更短，执行效率更高。 但是在Keil 中则相反，使用数组比使用的指针生成的代码更短。 2、使用尽量小的数据类型 能够使用字符型(char)定义的变量，就不要使用整型(int)变量来定义；能够使用整型变量定义的变量就不要用长整型(long int)，能不使用浮点型(float)变量就不要使用浮点型变量。 当然，在定义变量后不要超过变量的作用范围，如果超过变量的范围赋值，C 编译器并不报错，但程序运行结果却错了，而且这样的错误很难发现。 3、使用自加、自减指令 通常使用自加、自减指令和复合赋值表达式(如a-=1 及a+=1 等)都能够生成高质量的程序代码，编译器通常都能够生成inc 和dec 之类的指令，而使用a=a+1 或a=a-1之类的指令，有很多C 编译器都会生成2~3个字节的指令。 4、减少运算的强度 可以使用运算量小但功能相同的表达式替换原来复杂的的表达式。如下： (1)求余运算 a=a%8; 可以改为： a=a&7; 说明：位操作只需一个指令周期即可完成，而大部分的C 编译器的“%”运算均是调用子程序来完成，代码长、执行速度慢。通常，只要求是求2n 方的余数，均可使用位操作的方法来代替。 (2)平方运算 a=pow(a,2.0); 可以改为： a=a*a; 说明：在有内置硬件乘法器的单片机中(如51 系列)，乘法运算比求平方运算快得多，因为浮点数的求平方是通过调用子程序来实现的，在自带硬件乘法器的AVR 单片机中，如ATMega163 中，乘法运算只需2 个时钟周期就可以完成。 即使是在没有内置硬件乘法器的AVR单片机中，乘法运算的子程序比平方运算的子程序代码短，执行速度快。如果是求3 次方，如： a=pow(a,3.0); 更改为： a=a*a*a； 则效率的改善更明显。 (3)用移位实现乘除法运算 a=a*4; b=b/4; 可以改为： a=a<<2; b=b>>2; 说明：通常如果需要乘以或除以2n，都可以用移位的方法代替。在ICCAVR 中，如果乘以2n，都可以生成左移的代码，而乘以其它的整数或除以任何数，均调用乘除法子程序。 用移位的方法得到代码比调用乘除法子程序生成的代码效率高。实际上，只要是乘以或除以一个整数，均可以用移位的方法得到结果，如： a=a*9 可以改为： a=(a<<3)+a 5、循环 (1)循环语对于一些不需要循环变量参加运算的任务可以把它们放到循环外面，这里的任务包括表达式、函数的调用、指针运算、数组访问等，应该将没有必要执行多次的操作全部集合在一起，放到一个init 的初始化程序中进行。 (2)延时函数 通常使用的延时函数均采用自加的形式： void delay (void){unsigned int i;for (i=0;i<1000;i++); }将其改为自减延时函数：void delay (void){unsigned int i;for (i=1000;i>0;i--); } 两个函数的延时效果相似，但几乎所有的C 编译对后一种函数生成的代码均比前一种代码少1~3 个字节，因为几乎所有的MCU 均有为0转移的指令，采用后一种方式能够生成这类指令。在使用while 循环时也一样，使用自减指令控制循环会比使用自加指令控制循环生成的代码更少1~3 个字母。 但是在循环中有通过循环变量“i”读写数组的指令时，使用预减循环时有可能使数组超界，要引起注意。 (3)while 循环和do…while 循环 用while 循环时有以下两种循环形式： unsigned int i;i=0;while (i<1000){i++; //用户程序}或：unsigned int i;i=1000;do{i--; //用户程序}while (i>0); 在这两种循环中，使用do…while循环编译后生成的代码的长度短于while循环。 6、查表 在程序中一般不进行非常复杂的运算，如浮点数的乘除及开方等，以及一些复杂的数学模型的插补运算，对这些即消耗时间又消费资源的运算，应尽量使用查表的方式，并且将数据表置于程序存储区。 如果直接生成所需的表比较困难，也尽量在启动时先计算，然后在数据存储器中生成所需的表，后面在程序运行直接查表就可以了，减少了程序执行过程中重复计算的工作量。 7、其它 比如使用在线汇编及将字符串和一些常量保存在程序存储器中，均有利于优化。 乘除法优化 目前单片机的市场竞争很激烈，许多应用出于性价比的考虑，选择使用程序存储空间较小（如1K，2K）的小资源8位MCU芯片进行开发。一般情况下，这类MCU没有硬件乘法、除法指令，在程序必须使用乘除法运算时，如果单纯依靠编译器调用内部函数库来实现，常常会有代码量偏大、执行效率偏低的缺点。 上海晟矽微电子推出的MC30、MC32系列MCU，采用了RISC架构，在小资源8位MCU领域有广大的用户群和广泛的应用，本文就以晟矽微电的这两个系列产品的指令集为例，结合汇编与C编译平台，给大家介绍一种既省时又节约资源的乘除法算法。 1、乘法篇 单片机中的乘法是二进制的乘法，也就是把乘数的各个位与被乘数相乘，然后再相加得出，因为乘数和被乘数都是二进制，所以实际编程时每一步的乘法可以用移位实现。 例如：乘数R3=01101101，被乘数R4=11000101，乘积R1R0。步骤如下： 1、清空乘积R1R0； 2、乘数的第0位是1，那被乘数R4需要乘上二进制数1，也就是左移0位，加到R1R0里; 3、乘数的第1位是0，忽略； 4、乘数的第2位是1，那被乘数R4需要乘上二进制数100，也就是左移2位，加到R1R0里； 5、乘数的第3位是1，那被乘数R4需要乘上二进制数1000，也就是左移3位，加到R1R0里； 6、乘数的第4位是0，忽略； 7、乘数的第5位是1，那被乘数R4需要乘上二进制数100000，也就是左移5位，加到R1R0里； 8、乘数的第6位是1，那被乘数R4需要乘上二进制数1000000，也就是左移6位，加到R1R0里； 9、乘数的第7位是0，忽略； 10、这时候R1R0里的值就是最后的乘积，至此算法完成。 以上例子运算结果： R1R0 = R3 * R4= (R4<<6)+(R4<<5)+(R4<<3)+(R4<<2)+R4 = 101001111100001 实际运算流程图见下图： 在实际的程序设计过程中，程序优化有两个目标，提高程序运行效率，和减少代码量。我们来看下本文提供的汇编算法和普通C语言编程的效率和代码量对比。 表1.1是程序运行效率的对比数据（可能会有小的偏差），很明显汇编编译出来的运行时间要比C语言减少很多。 汇编（时钟周期） C语言（时钟周期） 8*8位乘法 79-87 184-190 16*8位乘法 201-210 362-388 16*16位乘法 234-379 396-468 表1.1 乘法运算时钟周期对比表 表1.2是程序代码量的对比数据（可能会有小的偏差），汇编占用的程序空间也要比C语言小很多。 汇编（Byte） C语言（Byte） 8*8位乘法 15 34 16*8位乘法 19 96 16*16位乘法 31 96 表1.2 乘法运算ROM空间使用情况对比表 综上两点，本文介绍的乘法算法各方面使用情况都要比C编译好很多。如果大家在使用过程中，原有的程序不能满足应用需求，例如遇到程序空间不够或者运行时间太久等问题，都可以按照以上方式进行优化。 汇编语言最接近机器语言的。在汇编语言中可以直接操作寄存器，调整指令执行顺序。由于汇编语言直接面对硬件平台，而不同的硬件平台的指令集及指令周期均有较大差异，这样会对程序的移植和维护造成一定的不便，所以我们针对精简指令集做了乘法运算的例程，便于大家的移植和理解。 2、除法篇 单片机中的除法也是二进制的除法，和现实中数学的除法类似，是从被除数的高位开始，按位对除数进行相除取余的运算，得出的余数再和之后的被除数一起再进行新的相除取余的运算，直到除不尽为止，因为单片机中的除法是二进制的，每个步骤除出来的商最大只有1，所以我们实际编程时可以把每一步的除法看作减法运算。 例如：被除数R3R4=1100110001101101，除数R5=11000101，商R1R0，余数R2。步骤如下： 1、清空商R1R0，余数R2；2、被除数放开最高位，第15位，为1，1比除数小，商为0，余数R2为1；3、上一步余数并上被除数次高位，第14位，得11，11仍然比除数小，商为0，余数R2为114、直到放开第8位后，得11001100，比除数大，商得1，余数R2为111；5、上一步余数并上被除数第7位，得1110，没有除数大，商为0，余数R2为1110；6、上一步余数并上被除数第6位，得11101，没有除数大，商为0，余数R2为11101；7、按照以上步骤，直到放开了被除数得第3位，得11101101，比除数大，商为1，余数R2为101000；8、上一步余数并上被除数第2位，得1010001，没有除数大，商为0，余数R2为1010001；9、上一步余数并上被除数第1位，得10100010，没有除数大，商为0，余数R2为10100010；10、上一步余数并上被除数第0位，得101000101，比除数大，商为1，余数R2为10000000；11、然后把以上所有步骤中得商从左至右依次排列就是最后的商100001001，余数为最后算得的余数10000000。 以上例子运算结果：R1R0 = R3R4 / R5 = 100001001 ；R2 = R3R4 % R5 = 10000000 实际运算流程图见下图： 除法运算的效率，代码量见以下表格 表2.1是程序运行效率和代码量的对比数据（可能会有小的偏差），很明显本文提供的汇编算法要优化的很多。 16/8位除法 汇编 C语言 时钟周期 287-321 740-804 使用空间（Byte） 35 142 表2.1 除法运算时钟周期对比表 所以对于除法运算，本文提供的方法也是相对较优的。 以下是针对精简指令集做的除法运算，16/8位的例程，便于大家的移植和理解。
Bootloader是一个用于引导嵌入式系统的软件程序，通常存储在芯片的非易失性存储器中，如闪存。Bootloader的主要功能是在系统上电后，负责初始化系统硬件并加载操作系统或应用程序到内存中执行。 下面是一个简要的介绍Bootloader的工作流程和主要功能： 硬件初始化：Bootloader首先负责初始化处理器、时钟、内存和外设等硬件资源，确保系统处于合适的状态以便后续的操作。 引导设备选择：Bootloader可能需要检测可用的引导设备，例如闪存、外部存储器或串口等，并选择其中一个作为加载操作系统或应用程序的来源。 加载操作系统或应用程序：Bootloader根据预定义的引导策略，从选定的引导设备中读取操作系统镜像或应用程序，并将其加载到内存中。 执行加载的程序：一旦程序加载到内存中，Bootloader会跳转到该程序的入口点，启动执行。对于操作系统，这意味着将控制权移交给操作系统内核，而对于应用程序，它将开始执行应用程序的主函数。 错误处理和回滚：Bootloader通常包含错误处理机制，以便在发生错误时执行相应的操作，例如跳转到备用引导设备或者恢复到出厂设置状态。 升级支持：一些Bootloader还提供了固件升级的支持，允许通过特定的接口或协议更新系统固件，而无需物理访问设备。 总的来说，Bootloader在嵌入式系统中扮演着关键的角色，负责启动和管理系统的引导过程，同时提供了灵活性和可靠性，以适应不同的应用需求。 当我面对一个有一定规模、 稍显复杂的嵌入式项目时, 我通常并不会直接专注于主要功能的实现, 而是会做一些磨刀不误砍柴工的工作———设计一个 Bootloader(以下简称 BL) 以及构建一个Shell 框架。可能有人会觉得它们很高深, 实则不难, 正所谓“会者不难, 难者不会”。 本章就针对 BL 进行详细的讲解, 希望让大家可以体会到它的重要性。 1. 烧录方式的更新迭代 1.1 古老的烧录方式 单片机诞生于20 世纪80 年代, 以51 为代表开始广泛应用于工业控制、 家电等很多行业中。起初对于单片机的烧录, 也就是将可执行的程序写入到其内部的 ROM 中, 这不是一件容易的事情, 而且成本不低, 因为需要依赖于专门的烧录设备。而且受到半导体技术与工艺的限制, 对于 ROM 的烧写大多需要高压。这种境况一直持续到2000 年左右( 我上大学的时候还曾用过这种专门的烧录器),： 1.2 ISP 与ICP 烧录方式 随着低压电可擦写 ROM 的成熟, 单片机开始集成可通过数字电平直接读写的存储介质。其最大的优势在于可实现在系统或在电路直接烧录程序, 而无须像以前一样把单片机芯片从电路中拿出来, 放到编程器上, 这种烧录方式就是ISP(In System Programming) 或ICP (In Circuit Programming), 如图7.2 所示。 有人问过这样一个问题:“ISP 和ICP 我都听说过, 都说是可以在电路板上直接烧录程序,而无须拿下芯片, 那ISP 和ICP 有什么区别?”从广义上来说, 两者没有区别, 平时我们把其意义混淆也毫无问题。非要刨根问底的话, 那可以这样来理解:ISP 要求单片机中驻留有专门的程序, 用以与上位机进行通信, 接收固件数据并烧录到自身的 ROM 中, 很显然ISP 的单片机是需要可运行的, 即要具备基本的最小系统电路(时钟和复位); 而ICP 可以理解为 MCU 就是一块可供外部读写的存储电路, 它不需要预置任何程序, 也不需要单片机芯片处于可运行的状态。 支持ISP 或ICP 的芯片, 以 AT89S51 最为经典, 当时从 AT89C51 换成 S51 , 多少人曾因此不再依赖烧录器而大呼爽哉。这种并口下载线非常流行, 如图7.3 所示, 网上还有各种ISP小软件, 可以说它降低了很多人入门单片机的门槛, 让单片机变得喜闻乐见。一台电脑、一个S51 最小系统板、 一条并口ISP 下载线, 齐了! 1.3 更方便的ISP 烧录方式 1. 串口ISP 但是后来我们发现带有并口的电脑越来越少。那是在2005 年前后,STC 单片机开始大量出现, 在功能上其实与S51 相差无几, 甚至比同期的一些高端51 单片机还要逊色。但是它凭借一个优势让人们对它爱不释手, 进一步降低了单片机的学习门槛。这个优势就是———串口ISP, 这是真正意义上的ISP, 如图7.4 和图7.5 所示。再后来,9 针串口都很少见了, 只有 USB。这促使一个烧录和调试神器炙手可热———USB-TTL 串口。这下232 转换芯片省掉了, 直接通过 USB 进行烧录。这种方式造福了无数的单片机学习者和工程师。我本人虽然已经搞了近20 年单片机和嵌入式, USB 串口依然是不可或缺的调试工具。 多年来, 在串口与单片机的交互上, 我动了很多脑筋, 这也是我乐于开发 Bootloader 的一个原因。我希望“USB 串口在手, 一切全有!” STC 并不是第一个使用串口ISP 烧录程序的, 但它是最成功和最深入人心的。与之同期的很多单片机, 包括时至今日仍然应用最广泛的 STM32 全系列也都支持了串口ISP, 它成了一种标配的、 非常普遍的程序烧录手段。 2. 各种 USBISP 串口ISP 固然方便, 但是下载速度是它的硬伤, 当固件体积比较大的时候, 比如一些大型嵌入式项目的固件动辄几百 KB, 甚至几 MB, 再用串口ISP 就未免太慢了。所以一些单片机配有专门的 USBISP 下载器。以下列举几种比较主流的单片机及其 USBISP 下载器。 (1) AVR AVR 单片机曾经盛极一时, 但经历了2016 年的缺芯风波之后, 加之 STM32 的冲击, 开始变得一蹶不振, 鲜有人用了。与之配套的 USBISP 下载器非常多样, 有些是官方发布的, 更多的是爱好者开源项目的成果, 如图7.6 所示。 (2) C8051F( 见图7.7) (3) MSP430( 见图7.8) 我们会发现, 一个具有良好生态的主流单片机, 一定有配套的高效便捷的烧录下载工具。可见一种好的烧录方式, 对单片机开发是多么重要。 不论是串口ISP 还是各种专用的ISP 下载器, 都有一些共同的弊端。 依赖于专门的上位机或下载器硬件, 不能做到统型; 下载器价格仍然比较高, 尤其是原厂的, 这也是为什么有些单片机催生出很多第三方的下载器, 比如 AVR; 下载的时候通常需要附加额外的操作, 比如 STC 要重新上电、STM32 需要设置BOOT 引脚电平等。 这些额外的操作都增加了烧录的复杂性。尤其是在产品形态下要去重新烧录程序, 比如嵌入式升级, 就要打开外壳, 或将附加信号引出到壳外。 这都是非常不高效, 不友好的做法。如果有一种烧录方法, 对于任何一种单片机: 通信方式统一(比如一律都用串口); 提供一个友好的操作界面(比如命令行方式); 高效快速, 没有附加操作, 最好一键自动化烧录; 另外再增加一些嵌入式固件管理的功能(比如固件版本管理)。 这一定会让我们事半功倍。Bootloader 就能实现上述的这一切! 2. 关于Bootloader 2.1 Bootloader 的基本形态 直接看图7.9: 可以看到 BL 就是一段存储在 ROM 中的程序, 它主要实现4 个功能: 通过某种途径获取要烧录的固件数据; 将固件数据写入到 ROM 的 APP 区中; 跳转到 APP 区运行, 将烧录进去的用户程序引导起来; 在此过程中, 提供必要而友好的人机交互界面。这么说可能不好理解, 我们还是通过实例来进行讲解。 2.2 Bootloader 的两个设计实例 下面的两个实例, 用于说明 BL 的实际应用形态, 不涉及具体的实现细节, 旨在让大家了解 BL 实际是如何运行的。 1. 带Shell 命令行的串口BL 基本的操作逻辑如下: 通过超级终端、SecureCRT 或 Xshell 之类的串口终端输入命令program; BL 接收到命令后, 开始等待接收固件文件数据; 串口终端通过某种文件数据传输协议将固件数据传给 BL; BL 将固件数据写入到 ROM 的 APP 区中; BL 将 APP 区中的程序引导运行起来。更具体的示意如图7.10 所示。这里把操作逻辑说得很简单, 实际实现起来却并不容易, 我们放在后面去细究其具体实现。 2. 插SD 卡即烧录的BL 基本的操作逻辑如下: 将待烧录的固件拷贝到SD 卡中; 将SD 卡插入到卡槽中; BL 检测到SD 卡插入, 搜索卡中 BIN 文件; 将 BIN 文件数据读出写入到 ROM 的 APP 区中; BL 将 APP 区中的程序引导运行起来。 如图7.11 所示。通过这两个设计实例, 大家应该已经了解BL 是什么了吧。有没有感受到BL 是比ISP 烧录器更通用、 更灵活、 更友好、 功能更强大的固件烧录和管理手段呢? 有人可能知道 Linux 下的 Uboot, 它就是一个强大的 BL, 它提供非常强大的刷机(烧录操作系统镜像) 的功能以及完备而灵活的Shell 界面, 如图7.12 所示。其实我们电脑的 BIOS 也是一种广义的 BL。 那如何实现一个 BL 呢? 别急, 要实现 BL 是需要满足一些基本要求的。 2.3 BL 实现的要点 首先要说, 并不是任何一个单片机都可以实现 BL 的, 要满足几个要点。 1. 芯片体系架构要支持 来看图7.13 。 我们知道单片机程序的最开头是中断向量表, 包含了程序栈顶地址以及 Reset 程序入口,通过它才能把程序运行起来。很显然在从 BL 向 APP 跳转的时候,APP 程序必须有自己的中断向量表。而且单片机体系架构上要允许中断向量表的重定向。 传统51 单片机的中断向量表只允许放到 ROM 开头, 而不能有偏移量, 所以传统51单片机是不能支持 BL 的。有人要问“你这不是自相矛盾吗? 你前面说 STC 的51 单片机是支持串口ISP 的, 那它应该内置有ISP 程序, 我理解它应该和BL 是一个道理。”没错, 它内置的ISP程序就是一种 BL。STC 之所以可以实现 BL 功能, 是因为宏晶半导体公司对它的硬件架构进行了改进, 请看图7.14 可以看到,STC51 单片机多出了一块专门存放 BL 的 ROM, 称为 BOOTROM。 网上有一位叫 shaoziyang 的网友为 AVR 单片机写了一个 BL, 还配套开发了 一 款 叫AVRUBD 的上位机, 如图7.15 (AVRUBD 是很有用的, 本章后面会介绍, 它可以让我们实现隔空烧录) 所示, 实现了 AVR 单片机的串口烧录, 让很多人摆脱了对 USBISP 之类ISP 下载器的依赖(虽然ISP 下载器已经很方便了, 但它毕竟还需要银子嘛)。 AVR 在硬件架构上与STC51 是一个套路, 如图7.16 所示。 通过配置 AVR 的熔丝位可以控制复位入口地址以及 BOOT 区的大小和开始地址, 如图7.17 所示。 讲到这里, 有人会说:“那有没有一种单片机, 程序放在 ROM 的任何位置都可以运行起来, 也就是中断向量表可以重定位?”当然有, 这种单片机还很多, 其中最典型的就是 STM32。它的程序之所以可以放之各地皆可运行, 是因为在它的 NVIC 控制器中提供了中断向量表偏移量的相关配置, 这个后面我们再详细说。 2. ROM 要支持IAP 这也是需要单片机硬件支持的。很好理解, 在 BL 获取到固件数据之后, 需要将它写入到ROM 的 APP 区中, 所以说单片机需要支持IAP 操作, 所谓IAP 就是 In Application Programming, 即在应用烧录。也就是在程序运行过程中, 可以对自身 ROM 进行擦除和编程操作 。 大家仔细想想是不是这样? 似乎支持串口ISP 的单片机都支持IAP 功能。STC 还把这一功能包装成了它的一大特色, 可以用内部 ROM 来充当 EEPROM 的功能, 可以在运行时记录一些掉电不丢失的参数信息。 STM32 的 ROM 擦写在配套的固件库(标准库或 HAL 库) 中已经有实现, 大家可以参考或直接使用。 3. APP 程序的配套修改 为了让 BL 可以顺利地将 APP 程序引导运行起来, APP 程序在开发的时候需要配合 BL做出相应的修改。最重要的就是 APP 程序的开始地址(即中断向量表的开始地址) 以及对中断控制器的相应配置。 对于51 、AVR 这类单片机 APP 程序不用修改, 具体原因大家应该明白。这里主要对STM32 APP 程序如何修改进行详细讲解。 我们依然是结合实例, 如图7.18 所示。 假设我们所使用的STM32 的 ROM 总大小为128KB,BL 程序的体积是16KB,APP 程序紧邻 BL, 那么 APP 区的开始地址为0X08004000, 也就是 APP 程序的中断向量表偏移地址为0X4000。 如果我们使用 MDK 作为开发环境的话, 需要修改这里, 如图7.19 所示。 而如果我们使用的是gcc 的话, 则需要对link.ld 链接文件进行修改, 如图7.20 所示。 然后我们还需要对 NVIC 的中断向量表相关参数进行配置, 主要是中断向量表的偏移量,如下代码: #define VECT_TAB_OFFSET 0x4000 OK, 经过修改后的程序, 我们把它放到 ROM 的0X08004000 开始地址上, 然后再让 BL跳转到这个地址, 我们的程序就能运行起来了。 有人又会问:“BL 中的跳转代码怎么写?”别急, 这是我们要讲的下一个要点 4. BL 中的跳转代码 跳转代码是 BL 要点中的关键, 直接关系到 APP 程序能否正常运行, 如图7.21 所示。我直接给出STM32 的 jump _app 函数代码。 typedef void ( * iapfun)(void); iapfun jump2app; void MSR_MSP(u32 addr) { __ASM volatile("MSR MSP, r0" ); //set Main Stack value __ASM volatile("BX r14" ); } void load_app(u32 appxaddr) { if((( * (vu32* )appxaddr)&0x2FFE0000) ==0x20000000) //检查栈顶地址合法 { //用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址) jump2app= (iapfun) * (vu32* )(appxaddr+4); //初始化APP 堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址) MSR_MSP( * (vu32* )appxaddr); jump2app(); //跳转到APP. } } 这段代码大家自行研究, 如果展开讲就属于赘述了。到这里 BL 相关的要点就介绍完了, 大家应该有能力去完成一个简单的 BL 了。我基于STM32 设计了一个小实验, 大家有兴趣可以小试牛刀一下, 如图7.22 所示。 我们将 BL 程序用Jlink 烧录到0X08000000 位置, 而把 APP 程序烧录到0X08002000 开始位置, 然后复位, 如果串口打印了hello world 或流水灯亮起来了, 就说明我们的BL 成功了。 3. 把Bootloader 玩出花 上面我所讲的都是 BL 最基础的一些内容, 是我们实现 BL 所必须了解的。BL 真正的亮点在于多种多样的固件数据获取方式。 3.1 BL 的实现与延伸(串口传输固件) 前面我讲到过两个 BL 应用的实例, 一个是串口传输固件文件, 一个是 SD 卡拷贝固件文件。它们是在实际工程中经常被用到的两种 BL 形式。 这里着重对前一个实例的实现细节进行讲解剖析, 因为它非常具有典型意义, 如图7.23 所示。 这个流程图提出了3 个问题: 串口通信协议是如何实现的? 为什么获取到上位机传来的固件数据,不是直接写入到 APP 区,而是先暂存,还要校验? 对固件数据是如何实现校验的? 串口通信协议以及文件传输实现的相关内容略显繁杂, 在本书《 大话文件传输》一章中会专门进行讲解。 第二个问题: 经过串口传输最终由单片机接收到的固件数据是可能出现差错的, 而有错误的固件冒然直接写入到 APP 区, 是一定运行不起来的。所以, 我们要对数据各帧进行暂存, 等全部传输完成后, 对其进行整体校验, 以保证固件数据的绝对正确。 针对第三个问题, 我们要着重探讨一下。 一个文件从发送方传输到接收方, 如何确定它是否存在错误? 通常的做法在文件中加入校验码, 接收方对数据按照相同的校验码计算方法计算得到校验码, 将之与文件中的校验码进行对比, 一致则说明传输无误, 如图7.24 所示。 图7.24 是对固件文件的补齐以及追加校验码的示意。为什么要对文件补齐? 嵌入式程序经过交叉编译生成的可烧录文件, 比如 BIN, 多数情况下都不是128、256 、512 或1024 的整数倍。这就会导致在传输的时候, 最后一帧数据的长度不足整帧, 就会产生一个数据尾巴。取整补齐是解决数据尾巴最直接的方法。这一操作是在上位机上完成的, 通常是编写一个小软件来实现。这个小软件同时会将校验码追加到固件文件末尾。这个校验码可以使用校验和(CheckSum) 或者 CRC, 一般是16 位或32 位, 如图7.25 所示。 又有人会问:“要把整个固件暂存下来, 再作校验, 那得需要额外的存 储 空 间 吧, 外 扩ROM(FlashROM 或 EEPROM)?”是的。如果想节省成本, 我们也可以不暂存, 传输时直接烧写到 APP 区。这是有风险的, 但是一般来说问题不大(STC 和 STM32 的串口ISP 其实也都是实时烧写, 并不暂存)。因为在传输的过程中, 传输协议对数据的正确性是有一定保障的, 它会对每一帧数据进行校验, 失败的话会有重传, 连续失败可能会直接终止传输。所以说, 一般只要传输能够完成, 基本上数据正确性不会有问题。但是仍然建议对固件进行整体校验, 在成本允许的情况下适当扩大 ROM 容量。同时, 固件暂存还有一个另外的好处, 在 APP 区中的固件受到损坏的时候, 比如固件意外丢失或IAP 时不小心擦除了 APP 区, 此时我们还可以从暂存固件恢复回来(完备的 BL 会包含固件恢复的功能)。 其实也不必非要外扩 ROM, 如果固件体积比较小的话, 我们可以把单片机的片上 ROM砍成两半来用, 用后一半来作固件暂存。 如图7.26 所示, 我们将片上 ROM 划分为3 部分, 分别用于存储 BL、APP 固件以及暂存固件。比如 我 们 使 用 STM32F103RBT6 , 它 一 共 有 128 KB 的 ROM, 可 以 划 分 为 16 KB/ 56 KB/56 KB。 有些 产 品 对 成 本 极 为 敏 感。我 就 有 过 这 样 的 开 发 经 历, 当 时 使 用 的 单 片 机 是STM32F103C8T6 , 片上 ROM 总容量为64 KB, 固件大小为48 KB,BL 为12 KB。在通过BL进行固件烧写时根本没有多余的 ROM 进行固件暂存。我使用了一招“狗尾续貂”, 如图7.27所示。 我无意中了解到 STM32F103C8T6 与 RBT6 的晶元是同一个。只 是 因 为 有 些 芯 片 后64 KB 的 ROM 性能不佳或有瑕疵, 而被限制使用了。我实际测试了一下, 确实如此。但是后64 KB ROM 的使用是有前提的, 也就是需要事先对其好坏进行验证。如果是好的, 则暂存校验, 再写入 APP 区; 而如果是坏的, 那么就直接在固件传输时实时写入 APP 区(这个办法我屡试不爽, 还没有发现后64KB 有坏的)。 以上所介绍的是一种“骚操作”, 根本上还是有一定的风险的,ST 官方有声明过, 对后64K ROM 的质量不作保证, 所以还是要慎用。 3.2 10 米之内隔空烧录 OTA (On the Air) 这个“隔空烧录”源于我的一个IoT 项目, 它是对空调的外机进行工况监测。大家知道,空调外机的安装那可不是一般人能干的, 它要不就在楼顶, 要不就在悬窗上。这给硬件升级嵌入式程序带来很大的困难。所以, 我实现了“隔空烧录”的功能, 其实它就是串口 BL 应用的一个延伸, 如图7.28 所示。 “隔空烧录确实牛, 但是总要抱着一个电脑, 这不太方便吧。”确实是! 还记得前面我提过的 AVRUBD 通信协议吗? (详见“大话文件传输”一章) 它的上位机软件是有手机版的。这样我们只要有手机, 就能“隔空烧录”了, 如图7.29 所示。 “哪个 APP? 快告诉我名字”, 别急, 蓝牙串口助手安卓版, 图 7.30 是正在传输固件的界面。 AVRUBD 其实是对 Xmodem 协议的改进, 这个我们放在专门的章节进行详细讲解。 3.3 BL 的分散烧录 我们知道 BL 的核心功能其实就是程序烧录。那你有没有遇到过比较复杂的情况, 如图7.31 所示。 这种情况是有可能遇到的。主 MCU+CPLD+ 通信协处理器+ 采集协处理器就是典型的复杂系统架构。这种产品在批量生产阶段, 烧录程序是非常烦琐的。首先需要维护多个固件, 再就是需要一个个给每一个部件进行烧写, 烧写方式可能还不尽相同。所以我引入了一个机制, 叫“BL 的分散烧录”。 首先我们将所有的固件拼装成一个大固件(依次数据拼接), 并将这个大固件预先批量烧录到外扩 ROM 中, 比如spiFlash; 再将主 MCU 预先烧录好 BL; 然后进行SMT 焊接。PCBA生产出来之后, 只要一上测试工装(首次上电),BL 会去外扩 ROM 中读取大固件, 并从中分离出各个小固件, 分别以相应的接口烧录到各个部件中去。配合工装的测试命令, 直接进行自检。这样做, 批量化生产是非常高效的。当然, 这个 BL 开发起来也会有一定难度, 最大问题可能还是各个部件烧录接口的实现( 有些部件的烧录协 议 是 比 较 复 杂 的, 比 如 STM32 的SWD 或者 ESP8266 的SLIP)。 OK, 上面对一些 BL 实例的实现和应用场景进行了介绍。还有一些实例没有介绍, 比如通过 CAN 总线或SPI 进行文件传输, 这个我们还是放到专门的章节去详细讲解。当然, 各位读者可以在此基础上衍生出更多有特色而又实用的 BL 来。 BL 没有最好的, 只有最适合自己的。通常来说, 我们并不会把 BL 设计得非常复杂, 原则上它应该尽量短小精炼, 以便为 APP 区节省出更多的 ROM 空间。毕竟不能喧宾夺主, APP才是产品的主角。 4. 不走寻常路的BL 4.1 Bootpatcher 我来问大家一个问题:“Bootloader 在 ROM 中的位置一定是在 APP 区前面吗?”很显然不是,AVR 就是最好的例子。那如果我们限定是STM32 呢? 似乎是的。上电复位一定是从0X08000000 位置开始运行的, 而且 BL 一定是先于 APP 运行的。 在某些特殊的情况下, 如果 APP 必须要放在0X08000000 位置上的话, 请问还有办法实现 BL 串口烧录吗? 要知道 APP 在运行的时候, 是不能IAP 自己的程序存储器的(就是自己不能擦除自己来烧录新固件), 如图7.32 所示。 APP 运行时, 想要重新烧录自身, 它可以直接跳转到后面的BL 上,BL 运行起来之后开始接收固件文件, 暂存校验 OK 之后, 将固件写入到前面的 APP 区。然后跳转到0X08000000, 或者直接重启。这样新的 APP 就运行起来了。这个位于 APP 后面的 BL, 我们称之为 Bootpatcher(意为启动补丁)。但是这种做法是有风险的, 一旦 APP 区烧录失败, 那产品就变砖了。所以这种方法一般不用。 4.2 APP 反烧BL 前面我们都是在讲 BL 烧录 APP, 那如果 BL 需要升级怎么办呢? 用JLINK。不错, 不过有更直接的方法, 如图7.33 所示。 这是一种逆向思维, 我们在 APP 程序中也实现接收固件文件, 暂存校验, 然后将其烧录到BL 区。这种做法与 Bootpatcher 同理, 也是有一定风险的, 但一般都没有问题。
1、MCU最开始一启动后去哪里读代码？CPU上电启动后被设计为去地址0x00000000位置处读取代码；首先会连续读取两个字，分别是栈指针初始值和复位异常处理函数的地址；然后跳去执行复位异常处理函数。 当然在一些早期的ARM处理器设计中，如Arm7TDMI，复位后会直接读取0地址处的代码进行执行，由软件初始化栈指针，0地址处存放的直接就是中断处理函数，而不是函数地址。 所以我们可以有理由推测出，第一个字是栈地址是因为接下来的复位中断处理函数涉及函数跳转，可能已经需要存放内容在栈里了。 2. 0x0地址处是bootROM代码吗，还是用户bootloader代码？ 答案是都可以。这其实取决于用户的代码是存放在哪里的。比如说对于一些性能强的MCU（如Cortex-A系列）来说，代码本身体积比较大，存放在SD卡里或者QSPI/SPI Flash里都有可能，这些MCU启动一定是先去bootROM执行代码，因为SD卡、SPI Flash的储存不在MCU的统一编址空间里，没初始化这些外设前根本无法访问，bootROM这块Nor Flash就一定是可以被MCU直接通过总线地址访问的，0地址的代码位于bootROM中。代码从bootROM中起来后，通过启动引脚判断从哪个外设中搬用户程序，并去初始化相应外设，将外设中存储的用户代码搬到内部SRAM中执行。后续的启动流程不赘述。 对于一些小容量的MCU来说，比如Cortex-M3/M4，他们的芯片里有内置Flash，这个Flash的特点跟上面说的bootROM很像，是MCU可以直接通过地址总线去访问到的，不需要进行外设初始化的。当然，这些MCU内部也是有bootROM的，因此这些MCU一上电可以选择从bootROM中启动，也可以选择从内置Flash中启动，是通过外部引脚进行选择的，选择了谁，就把谁的起始地址映射到0地址处。 3. 类似Cortex-M3/M4是如何保证Flash起始地址是栈指针和复位异常处理函数指针的？ 这一点实际是通过编译的链接文件制定的。比如说如下是我截取的IAR的链接文件.icf。 4. MCU有可能不从0地址开始读代码吗？ M7内核芯片比较灵活了，改变了固定从0x0000 0000地址读取中断向量表的问题，以STM32H7为例，可以从 0x0000 0000 到 0x3FFF 0000 所有地址进行启动。专门安排了个选项字节来配置。
目录 一、设计背景 二、实现功能 三、仿真演示 四、源程序（部分） 一、设计背景 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入。本文阐述了基于51单片机的六路抢答器设计。本设计中，51单片机充当了核心控制器的角色，通过IO口与各个功能模块相连接。按键模块负责检测参与者的抢答动作，当有人按下抢答按钮时，会通过IO口电平的变化通知单片机，单片机会记录按键的次序，并通过数码管显示当前的抢答结果。 为了保证抢答过程的准确性和公平性，设计中还需要考虑到以下因素。首先，按键模块需要具备快速响应和高可靠性，以确保抢答者的动作能够被准确地捕捉到。其次，显示屏模块需要能够实时更新抢答结果，并显示相应的信息，比如参与者的编号和抢答时间。最后，在电路连接方面，需要注意各个模块之间的线路布局，以避免信号干扰和电气问题。 软件系统采用C语言编写程序，包括显示程序，定时中断服务，延时程序等，并在KEIL5中调试运行，硬件系统利用PROTEUS8.13强大的功能来实现，简单切易于观察，在仿真中就可以观察到实际的工作状态。 二、实现功能 以51单片机为控制核心，设计一种六路抢答器。整个系统包括MCU、晶振电路、时钟电路、蜂鸣器控制电路、指示灯控制电路、译码电路、独立按键电路、矩阵键盘以及数码管显示电路等。可具体实现以下功能： （1）设定矩阵键盘的6个键作为6位选手的抢答按键,键的编号即选手编号，为1~6号;设定1个独立按键作为抢答开始键;选择四位数码管作为倒计时、选手编号显示;选择蜂鸣器作为正常抢答和犯规抢答的提示。 （2）只有当裁判按下开始键时才可以进入正常抢答，否则属于犯规抢答。抢答完毕，或计时时间到，停止抢答。当裁判按下抢答开始键时，开始抢答，计时器开始倒计时，10秒倒计期间，若有抢答，则停止计时，数码管显示选手号;若倒计时结束时无人抢答，则停止抢答。 （3）正常抢答时，有效抢答指示灯亮起，蜂鸣器播放音乐1，低位数码管数码管显示抢答选手的编号，高位数码管开始60s倒计时，60s时间到，数码管显示0-00。违规抢答时，无效抢答指示灯亮起，蜂鸣器播放音乐2，低位数码管显示违规抢答选手编号，高位数码管显示抢答倒计时时间10s。 三、仿真演示 未运行仿真时，数码管不显示。 运行仿真后，进入准备界面，数码管显示0-10。 按下启动按键，进入抢答界面，开始10秒抢答倒计时。 在抢答倒计时范围内，按下序号为1~6的选手抢答按键，抢答有效指示灯亮起，蜂鸣器播放《两只老虎》的旋律，低位数码管上显示抢答选手序号，高位数码管开始60s倒计时。 当裁判未按下开始键时，若有选手抢答视为犯规抢答，抢答无效指示灯亮起，蜂鸣器播放《粉刷匠》的旋律，低位数码管显示犯规选手的编号,高位数码管显示10。 正常抢答还是犯规抢答结束后，按下复位按钮恢复到准备界面，以便进行下一次抢答。 四、源程序（部分） #include "reg52.h" #include "delay.h" #include "smg.h" #include "timer.h" sbit Beep = P1^5; //六位选手 sbit key1 = P1^1; sbit key2 = P1^2; sbit key3 = P1^3; sbit key4 = P1^4; sbit key5 = P1^5; sbit key6 = P1^6; sbit EffectLED = P2^6; //抢答有效指示灯 sbit UeffectLED = P2^7; //抢答无效指示灯 sbit start_stop = P3^1; //抢答按钮 sbit L1 = P1^7; sbit L2 = P1^6; sbit R1 = P1^3; sbit R2 = P1^2; sbit R3 = P1^1; sbit R4 = P1^0; //**《两只老虎》 uint8 code x0[]={1+7,2+7,3+7,1+7,1+7,2+7,3+7,1+7,3+7,4+7,5+7,3+7,4+7,5+7,5+7,6+7,5+7,4+7,3+7,1+7,5+7,6+7,5+7,4+7,3+7,1+7,1+7,5,1+7,1+7,5,1+7}; uint8 code y0[]={4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,8,4,4,8,3,1,3,1,4,4,3,1,3,1,4,4,4,4,8,4,4,8}; //**《粉刷匠》 uint8 code x1[]={5+7,3+7,5+7,3+7,5+7,3+7,1+7,2+7,4+7,3+7,2+7,5+7,5+7,3+7,5+7,3+7,5+7,3+7,1+7,2+7,4+7,3+7,2+7,1+7,2+7, 2+7,4+7,4+7,3+7,1+7,5+7,2+7,4+7,3+7,2+7,5+7,5+7,3+7,5+7,3+7,5+7,3+7,1+7,2+7,4+7,3+7,2+7,1+7}; uint8 code y1[]={4,4,4,4,4,4,8,4,4,4,4,16,4,4,4,4,4,4,8,4,4,4,4,16,4,4,4,4,4,4,8,4,4,4,4,16,4,4,4,4,4,4,8,4,4,4,4,16}; //以下定义低中高共21个音阶的定时参数,通过定时器来实现不同音频的输出 uint8 code ti[21][2]={ {0xf8,0x8c},{0xf9,0x5c},{0xfa,0x14},{0xfa,0x67},{0xfb,0x04},{0xfb,0x90},{0xfc,0x0c}, //低音 {0xfc,0x44},{0xfc,0xb6},{0xfd,0x09},{0xfd,0x34},{0xfd,0x82},{0xfd,0xc8},{0xfe,0x06}, //中音 {0xfe,0x22},{0xfe,0x56},{0xfe,0x8c},{0xfe,0x9a},{0xfe,0xc1},{0xfe,0xe4},{0xff,0x03}}; //高音 uint8 th,tl,i; _bool action = 0; _bool key1_flag = 0; _bool key2_flag = 0; _bool key3_flag = 0; _bool key4_flag = 0; _bool key5_flag = 0; _bool key6_flag = 0; _bool start_stop_flag = 0; //抢答标志位 _bool cntflag=0; uint8 second = 10; //时间 uint8 timer0_count = 0; //定时器1计数值 uint8 number = 0; //队号 uint8 number_display = 0; //队号显示 uint8 a = 0xff; //按键值 uint8 key_scan8(void); void start_stop_keyscan(void); void music1(void);//演奏《两只老虎》 void music2(void);//演奏《粉刷匠》 void keycheckdown(void); /* 反转法键盘扫描 */ /*----------------------------------------------------------- 主函数 ------------------------------------------------------------*/ void SMG_delay(uint8 t) { while(t--) { display(number_display,second); } } void main() { ConfigTimer();//定时器初始化 while(1) { start_stop_keyscan();//开始按键 keycheckdown(); if(key_scan8()&&action==0&&cntflag==0) { UeffectLED=0; EffectLED=1; music2(); cntflag=1; } while(action)//按下开始键为1，抢答结束为0 { keycheckdown(); if(cntflag==1) { number_display=0; cntflag=0; } while(!key_scan8()) //无队抢答 { keycheckdown(); display(number_display,second); if(second == 0) { break; } } if(number_display)//有队抢答 { EffectLED=0; UeffectLED=1; second=60; music1(); } while(number_display) { display(number_display,second); TR0 = 1; if(second == 0) { break; } } TR0 = 0;//时间到 display(number_display,second); action = 0;//抢答结束 break; } display(number_display,second); } } void music1(void)//演奏《两只老虎》 { for(i=0;i<14;i++) { th=ti[x0[i]-1][0]; tl=ti[x0[i]-1][1]; TH1=th; TL1=tl; TR1=1; SMG_delay(y0[i]*10); TR1=0; } } void music2(void)//演奏《粉刷匠》 { for(i=0;i<12;i++) { th=ti[x1[i]-1][0]; tl=ti[x1[i]-1][1]; TH1=th; TL1=tl; TR1=1; SMG_delay(y1[i]*9); TR1=0; } } /*----------------------------------------------------------- 中断服务函数 ------------------------------------------------------------*/ void timer0() interrupt 1 { TH0 = (65536-50000)/256; //50ms TL0 = (65536-50000)%256; timer0_count ++; if(timer0_count == 20)//1s { timer0_count = 0; second--; //10s倒计时 if(second == 0)//计时结束 { TR0 = 0; number_display = 0; action = 0; } } } /*----------------------------------------------------------- 开始键扫描函数 ------------------------------------------------------------*/ void start_stop_keyscan(void) { if(start_stop == 0) { SMG_delay(8); if((start_stop == 0)&&(!start_stop_flag)) { start_stop_flag = 1; action = 1; TR0 = 1; } while(start_stop == 0){display(number_display,second);} } else { start_stop_flag = 0; } } void keycheckdown() { L1=0;L2=1; R1=R2=R3=R4=1; if(R1==0) { while(R1==0) { display(number_display,second); } a=1; } else if(R2==0) { while(R2==0) { display(number_display,second); } a=2; } else if(R3==0) { while(R3==0) { display(number_display,second); } a=3; } else if(R4==0) { while(R4==0) { display(number_display,second); } a=0x4; } L2=0;L1=1; R1=R2=R3=R4=1; if(R1==0) { while(R1==0) { display(number_display,second); } a=0x5; } else if(R2==0) { while(R2==0) { display(number_display,second); } a=0x6; } else if(R3==0) { while(R3==0) { display(number_display,second); } a=0x7; } else if(R4==0) { while(R4==0) { display(number_display,second); } a=0x8; } } /*----------------------------------------------------------- 六位抢答键扫描函数 ------------------------------------------------------------*/ uint8 key_scan8(void) { if((a == 1)&&(!key1_flag)) { key1_flag = 1; number = 1; number_display = number; } else { key1_flag = 0; number = 0; } if((a == 2)&&(!key2_flag)) { key2_flag = 1; number = 2; number_display = number; } else { key2_flag = 0; number = 0; } if((a == 3)&&(!key3_flag)) { key3_flag = 1; number = 3; number_display = number; } else { key3_flag = 0; number = 0; } if((a == 0x4)&&(!key4_flag)) { key4_flag = 1; number = 4; number_display = number; } else { key4_flag = 0; number = 0; } if((a == 0x5)&&(!key5_flag)) { key5_flag = 1; number = 5; number_display = number; } else { key5_flag = 0; number = 0; } if((a == 0x6)&&(!key6_flag)) { key6_flag = 1; number = 6; number_display = number; } else { key6_flag = 0; number = 0; } if(number_display != 0) { return 1; } else { return 0; } } void Timer1Service() interrupt 3 /* T0中断服务程序 */ { Beep=~Beep; TH1=th; TL1=tl; }
在刚开始接触STM32的时候，使用的keil作为IDE，由于在这之前，使用过VS， 使用过eclipse，因而在使用keil之后，实在难以忍受keil编辑器简陋的功能，可以说是极其糟糕的写代码体验。 之后，尝试过各种IDE，使用eclipse+keil，结果发现eclipse对C语言的支持也是鸡肋，使用emBits+gcc，需要和其他人协同的话就比较麻烦，之后发现了platformIO，也是使用gcc作为编译器，不过只支持HAL库，而且还有一个重要的原因，同事都是用的keil，如果我使用gcc，就不能协同工作了。 最后，通过使用VS Code + keil的方式，完美解决了写代码的体验问题，以及工程协作问题，其实网上使用VS Code作为编辑器，keil作为编译器的教程很多，不过基本都是需要在VS Code中编辑，然后在keil中编译，下载，调试，本文就要实现编辑，编译，下载，调试，全部使用VS Code。 Part1环境 （1）VS Code； （2）keil；python； （3）GNU Arm Embedded Toolchain（arm gcc工具链）； （4）C/C++(VS Code 插件)； （5）Cortex-Debug(VS Code 插件)； （6）其他VS Code插件(提升体验)。 Part2前提 正式写代码之前，首先需要建立好一个工程，这个需要使用keil完成，包括工程配置，文件添加… Part3编辑 在安装好VS Code插件之后，VS Code编写C代码本身体验就已经很好了， 但是，因为我们使用的是keil环境，所以需要配置头文件包含，宏定义等，在工程路径的.vscode文件夹下打开c_cpp_properties.json文件，没有自己新建一个，内容配置如下： { "configurations": [ { "name": "STM32", "includePath": [ "D:/Program Files/MDK5/ARM/ARMCC/**", "${workspaceFolder}/**", "" ], "browse": { "limitSymbolsToIncludedHeaders": true, "databaseFilename": "${workspaceRoot}/.vscode/.browse.c_cpp.db", "path": [ "D:/Program Files/MDK5/ARM/ARMCC/**", "${workspaceFolder}/**", "" ] }, "defines": [ "_DEBUG", "UNICODE", "_UNICODE", "__CC_ARM", "USE_STDPERIPH_DRIVER", "STM32F10X_MD" ], "intelliSenseMode": "msvc-x64" } ], "version": 4 } 其中，需要在includePath和path中添加头文件路径，${workspaceFolder}/**是工程路径，不用改动，额外需要添加的是keil的头文件路径， 然后在defines中添加宏，也就是在keil的Options for Target的C++选项卡中配置的宏，然后就可以体验VS Code强大的代码提示，函数跳转等功能了（甩keil的编辑器一整个时代）。 Part4编译、烧录 编译和烧录通过VS Code的Task功能实现，通过Task，使用命令行的方式调用keil进行编译和烧录。 keil本身就支持命令行调用，具体可以参考keil的手册，这里就不多说了，但是问题在于，使用命令行调用keil，不管是什么操作，他的输出都不会输出到控制台上！！！(要你这命令行支持有何用) 不过好在，keil支持输出到文件中，那我们就只能利用这个做点骚操作了。一边执行命令，一边读取文件内容并打印到控制台，从而就实现了输出在控制台上，我们就能直接在VS Code中看到编译过程了 为此，我编写了一个Python脚本，实现keil的命令行调用并同时读取文件输出到控制台。 #!/usr/bin/python # -*- coding:UTF-8 -*- import os import threading import sys runing = True def readfile(logfile): with open(logfile, 'w') as f: pass with open(logfile, 'r') as f: while runing: line = f.readline(1000) if line != '': line = line.replace('\\', '/') print(line, end = '') if __name__ == '__main__': modulePath = os.path.abspath(os.curdir) logfile = modulePath + '/build.log' cmd = '\"D:/Program Files/MDK5/UV4/UV4.exe\" ' for i in range(1, len(sys.argv)): cmd += sys.argv[i] + ' ' cmd += '-j0 -o ' + logfile thread = threading.Thread(target=readfile, args=(logfile,)) thread.start() code = os.system(cmd) runing = False thread.join() sys.exit(code) 此脚本需要结合VS Code的Task运行，通过配置Task，我们还需要匹配输出中的错误信息(编译错误)，实现在keil中，点击错误直接跳转到错误代码处，具体如何配置请参考VS Code的文档，这里给出我的Task。 { // See https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=733558 // for the documentation about the tasks.json format "version": "2.0.0", "tasks": [ { "label": "build", "type": "shell", "command": "py", "args": [ "-3", "${workspaceFolder}/scripts/build.py", "-b", "${config:uvprojxPath}" ], "group": { "kind": "build", "isDefault": true }, "problemMatcher": [ { "owner": "c", "fileLocation": [ "relative", "${workspaceFolder}/Project" ], "pattern": { "regexp": "^(.*)\\((\\d+)\\):\\s+(warning|error):\\s+(.*):\\s+(.*)$", "file": 1, "line": 2, "severity": 3, "code": 4, "message": 5 } } ] }, { "label": "rebuild", "type": "shell", "command": "py", "args": [ "-3", "${workspaceFolder}/scripts/build.py", "-r", "${config:uvprojxPath}" ], "group": "build", "problemMatcher": [ { "owner": "c", "fileLocation": [ "relative", "${workspaceFolder}/Project" ], "pattern": { "regexp": "^(.*)\\((\\d+)\\):\\s+(warning|error):\\s+(.*):\\s+(.*)$", "file": 1, "line": 2, "severity": 3, "code": 4, "message": 5 } } ] }, { "label": "download", "type": "shell", "command": "py", "args": [ "-3", "E:\\Work\\Store\\MyWork\\STM32F1\\FreeModbus_M3\\scripts\\build.py", "-f", "${config:uvprojxPath}" ], "group": "test" }, { "label": "open in keil", "type": "process", "command": "${config:uvPath}", "args": [ "${config:uvprojxPath}" ], "group": "test" } ] } 对于使用ARM Compiler 6编译的工程，build和rebuild中的problemMatcher应该配置为： "problemMatcher": [ { "owner": "c", "fileLocation": ["relative", "${workspaceFolder}/MDK-ARM"], "pattern": { "regexp": "^(.*)\\((\\d+)\\):\\s+(warning|error):\\s+(.*)$", "file": 1, "line": 2, "severity": 3, "message": 4, } } ] 文件中的config:uvPath和config:uvprojxPath分别为keil的UV4.exe文件路径和工程路径(.uvprojx)，可以直接修改为具体路径，或者在VS Code的setting.json中增加对应的项，至此，我们已经完美实现了在VS Code中编辑，编译，下载了。 编译输出： 有错误时输出： 错误匹配： Part5调试 调试需要使用到Cortex-Debug插件，以及arm gcc工具链，这部分可以参考Cortex-Debug的文档，说的比较详细； 首先安装Cortex-Debug插件和arm gcc工具链，然后配置好环境路径，如果使用Jlink调试，需要下载Jlink套件，安转好之后，找到JLinkGDBServerCL.exe这个程序，在VS Code的设置中添加"cortex-debug.JLinkGDBServerPath": "C:/Program Files (x86)/SEGGER/JLink/JLinkGDBServerCL.exe"，后面的路径是你自己的路径。 这里补充一下arm gcc工具链的配置："cortex-debug.armToolchainPath": "D:\\Program Files (x86)\\GNU Arm Embedded Toolchain\\9 2020-q2-update\\bin",后面的路径是你自己的路径。如果使用STLink调试，需要下载stutil工具，在GitHub上搜索即可找到，同样配置好路径即可。 以上步骤弄好之后，可以直接点击VS Code的调试按钮，此时会新建luanch.json文件，这个文件就是VS Code的调试配置文件，可参考我的文件进行配置。 { // 使用 IntelliSense 了解相关属性。 // 悬停以查看现有属性的描述。 // 欲了解更多信息，请访问: https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=830387 "version": "0.2.0", "configurations": [ { "name": "Cortex Debug(JLINK)", "cwd": "${workspaceRoot}", "executable": "${workspaceRoot}/Project/Objects/Demo.axf", "request": "attach", "type": "cortex-debug", "servertype": "jlink", "device": "STM32F103C8", "svdFile": "D:\\Program Files\\ARM\\Packs\\Keil\\STM32F1xx_DFP\\2.3.0\\SVD\\STM32F103xx.svd", "interface": "swd", "ipAddress": null, "serialNumber": null }, { "name": "Cortex Debug(ST-LINK)", "cwd": "${workspaceRoot}", "executable": "${workspaceRoot}/Project/Objects/Demo.axf", "request": "attach", "type": "cortex-debug", "servertype": "stutil", "svdFile": "D:\\Program Files\\ARM\\Packs\\Keil\\STM32F1xx_DFP\\2.3.0\\SVD\\STM32F103xx.svd", "device": "STM32F103C8", "v1": false } ] } 注意其中几个需要修改的地方，executable修改为你的工程生成的目标文件，也就是工程的.axf文件，svdFile用于对MCU外设的监控，该文件可以在keil的安装路径中找到，可以参考我的路径去找，配置完成后，再次点击调试按钮即可进行调试。 相比keil自己的调试功能，VS Code还支持条件断点，可以设置命中条件，次数等，可以极大的方便调试。 总结 通过以上的配置，我们基本上，除了建立工程和往工程中添加文件，其他完全不需要打开keil，所以也无妨说一句，再见，智障keil！
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