2021年04月01日 | STM32双核板的应用设计与ISP的从机软件升级

引言

在单片机的应用设计中，常常会遇到如下问题：其一，某一熟悉类型的单片机功能可用，性价比也很好，但限于某种内部资源（如串口数、A/D路数等）不足，不得不选用更高档或不太熟悉的单片机，造成资源的浪费和开发周期的延长。其二，在海洋远程监测等重要领域，对控制器的可靠性要求较高，而单片机存在死机的可能性，即使可以通过配备看门狗来避免这种情况，但这种“粗暴”的复位方式并不合理（首先，复位打乱了正常的数据采集和处理工作，导致重要数据丢失；其次，即便能记录下复位时间和次数，但复位原因和复位前状态等信息无法侦测，一些本该解决的BUG被掩盖，导致频繁复位）。其三，由于开发周期不足或测试不充分，导致设备投入运行后出现故障，而这些故障往往通过软件升级的方式可以解决，但由于设备的应用场所比较特殊（如水下），导致软件升级的成本很高[1]。

针对上述3种情况，在实际的项目应用中设计了基于STM32的双核板，较好地解决了资源不足、稳定性差和基于CAN总线的远程升级等问题，具有性价比高、开发周期短等优点。

1双核板设计

STM32系列单片机具有高性能CortexM3内核和外设，功耗低，集成度高，性价比高。另外，ST公司还提供了外设的标准库函数，屏蔽了底层硬件细节，能够使开发人员轻松完成产品的开发，缩短系统开发时间[2]。正因为如此，STM32系列单片机得到了开发者的青睐，其应用领域和客户群不断扩大。其中的STM32F107属于互联型系列，具有以太网和CAN总线接口，在数据通信方面具有独特的优势。一种基于STM32F107的双核板如图1所示。

图1中，两个STM32F107最小系统模块分别称为ACORE和MCORE，ACORE具有外看门狗，为主机模块；MCORE不具有外看门狗，但其RST/BOOT0引脚受ACORE的控制，可以通过串口实现ISP总线升级，为从机模块。由于ACORE和MCORE均具有电源系统、复位电路和下载接口等调试所需的基本要素，因此可以预先焊接和调试好。在具体项目的开发应用中，将双核板作为一个独立的元件嵌入，一些软件可以提前验证和编写，大大缩短了产品的开发周期。

在正常工作时，主从机两个模块独立工作，两者通过SPI总线相互通信。SPI接口传输速率可达到18 Mbps，比I2C和UART通信要快得多。由于采用双核，通用I/O引脚显著增多，不仅可以完成更加复杂的设计，而且降低了布局布线的难度。对于熟悉STM32的开发者来说，开发难度基本不变，而可使用的资源却几乎成倍增加。

在该双核板的设计中，还考虑了ACORE对MCORE的在线升级问题。图1中MCORE的RST、BOOT0两个引脚受ACORE控制，来实现MCORE的复位和复位地址选择；而ISPATMR和ISPARMT两个引脚则是作为USART接口，实现对MCORE的ISP升级。

2可靠性设计

在本文的应用中，ACORE和MCORE分工合作。ACORE主要完成系统的管理工作，如人机交互、数据存储、通信等；MCORE主要完成信息采集、外部设备控制等功能，这样设计的优点是功能分明、负荷分担。负责采集控制的MCORE可以集中精力完成数据采集和辅助的控制工作；而负责管理的ACORE除了完成人机交互、数据存储和通信外，还需要定期发起与MCORE的通信，以保证相互监督。

MCORE收到ACORE的指令后，会将当前的工作状态报告给ACORE，再由ACORE通过CAN总线等手段上传给更高层的通信主机。如果ACORE发现MCORE不能正常回复信息，则说明MCORE处于不正常状态，必要时可实现对MCORE的“危机干预”。例如，在连续多次均不能正常通信的情况下，可以认为MCORE已处于死机状态，ACORE将复位MCORE。ACORE和MCORE的状态转换图如图2所示。

显然，这种双核结构和定时通信机制，可以使每个MCU知道对方的工作情况。虽然在结构上分出了ACORE和MCORE，但由于每个MCU都有CAN总线与通信主机相连，因此每个MCU都可以单独通向主机汇报工作状态，汇报的内容都可以通过CAN总线接收到，因此起到了相互监督的作用。

3基于CAN总线的软件升级

具备远程软件升级的设备具有更广泛的适用性，可以在设备安装到位后，通过软件升级在线修复一些问题，不但节省人力物力，也可以使设备的功能逐步完善[3]。

双核板具有CAN总线，该总线不但是数据交换的通道，也是软件升级的通道。上位机可以通过CAN总线将需要升级的程序代码下传到ACORE，ACORE控制MCORE的RST/BOOT0引脚，使MCORE复位并进入ISP状态，从而完成在线升级。由此可见，要实现基于CAN总线的在线软件升级，需要3个条件：一是待升级系统MCORE本身具有ISP功能，能通过串口实现程序的下载；二是ACORE本身集成CAN总线，可通过CAN总线接收上位机发送的待升级程序代码；三是ACORE可以控制MCORE的RST/BOOT0引脚，完成在线升级。

3.1STM32的ISP升级

ISP(InSystem Programming)方式相对于传统的并行编程方式有了极大的进步，无需将单片机从电路板上卸下就可进行编程。STM32系列芯片复位时，可以通过BOOT1和BOOT0的逻辑电平来决定系统的启动模式，见表1所列。

表1STM32启动模式配置

系统复位时，CPU根据这两个引脚的逻辑电平把相应模式的起始地址映射到启动空间(0x 0000 0000)。在启动延迟之后，CPU从位于0x0开始的启动存储区执行代码[4]。由于实际应用中很少从内嵌SRAM中启动，故可将BOOT1引脚直接设置为低电平，只通过判断BOOT0引脚的高低电平来选择从用户闪存或系统存储器中启动。若复位时BOOT0的逻辑电平为高，则复位后从系统存储器启动，可通过USART1与Bootloader进行通信。

STM32芯片具有开放式的在线烧录ISP协议，允许第三方根据该协议编写ISP下载软件，对STM32芯片进行FLASH的更新操作。在进行ISP方式升级时，先发送0x7F实现自动波特率匹配，能够识别最高115 200 bps的串口波特率。如果正确回应0x79，表示命令执行正常。握手正确后，就可以通过ISP命令实现对STM32的ISP操作，完成FLASH的擦除和编程。

3.2FLASH分区存储

STM32F107片内集成256 KB FLASH和64 KB SRAM，FLASH由主存储块(Main Block) 和信息块( Information Block) 组成。主存储块用于存放用户程序，每页2 KB，共128页，容量为32K×64位，地址范围为0x 0800 0000~0x 0803 FFFF；信息块容量为2 360×64位，分为启动程序代码和用户选择字节[5]。启动程序代码从 0x 1FFF B000~0x 1FFF F7FF，共18 KB，用户选择字节从0x 1FFF F800~0x 1FFF F80F，共16字节。

ACORE的FLASH存储器分区如图3所示。

0x0800 0000～0x0800 1FFF，共8 KB空间，为Bootloader代码空间。

0x0800 2000～0x0801 FFFF，为120 KB空间，存放ACORE自身程序。

0x0802 0000～0x0803 FFFF，为128 KB空间，存放MCORE应用程序。

上述空间分配，虽然升级程序的空间受到了限制，但在大多数情况下是可行的，因为ACORE和MCORE任务分担，其本身的程序量均不足总FLASH容量的一半。如果出现了空间不足的现象，完全可以换用更大容量的MCU。

3.3软件升级流程

要完成ACORE对MCORE的软件升级，其过程可以分为两个阶段：基于CAN总线的数据传输和基于USART的ISP过程。

(1） 基于CAN总线的数据传输

当MCORE需要更新用户程序时，上位机将编译成功的MCORE升级程序的HEX文件通过CAN总线发送到ACORE。上位机先发送升级指令，ACORE接收到升级指令后，将FLASH中MCORE升级程序区（0x 0800 2000~0x 0801 FFFF）擦除，擦除成功后回复上位机，若回复错误信息，则退出升级；上位机接收到回复后，按行发送HEX文件内容，ACORE接收到数据后，依次写入ACORE的MCORE升级程序区（0x 0800 2000~0x 0801 FFFF）中，接收完毕后向上位机发送写入完毕指令[6]。

(2） 基于USART的ISP过程

当ACORE接收到上位机发送的升级执行指令后，升级流程如下：

① 置MCORE的BOOT0引脚为高电平，然后置RST引脚为低电平，复位MCORE，使其从系统的内存模式启动，然后将RST引脚拉高。

② ACORE向MCORE发送0x7F，MCORE接收该数据，并根据该数据与ACORE自动匹配波特率，进行回复。若回复0x79，则表示可以进行相关擦除和写FLASH操作了，若回复 0x1F，则升级失败。

③ ACORE收到正确的应答，则发送0x44+0xBB，根据程序大小擦除FLASH，根据 STM32F107内部固有的Bootloader串口协议，擦除完成后回复ACORE。

④ ACORE等待接收MCORE的回复，收到正确的应答之后，发送0x31+0xCE，把存储到ACORE FLASH中的MCORE升级程序区的内容写到MCORE的相应FLASH中，一次写256个字节，直到把所有的用户程序写入用户存储区。

⑤ ACORE控制BOOT0引脚，并控制RST为低电平，对MCORE进行硬件复位，MCORE重新初始化程序，从而运行刚刚更新的用户程序。

软件升级交互流程如图4所示。

图4 软件升级流程图

结语

基于STM32的双核板可以有效解决单个微处理器内存资源不够的问题，在基本不增加开发难度的基础上，使系统资源加倍增加，可以完成更为复杂的应用设计；通过ACORE和MCORE相互监控，提高了整个系统的可靠性，能够有效发现软硬件隐患；通过双核有效的任务分工，减小了单个MCU的负担，使系统运行更加可靠；基于ISP和CAN总线的远程升级系统，有效利用了CAN总线通信速率高、抗干扰能力强、传输距离远的特点以及STM32系列自身具有的ISP功能，在设备安装以后仍能够升级程序，既方便了智能设备的开发，又降低了维护成本。