STM32单片机在线编程：原理、实现与实战案例全解析

# 1. STM32在线编程概述

在线编程（In-Circuit Programming，简称ICP）是一种在电路中对嵌入式系统进行编程的技术。它允许在不拆卸目标设备的情况下，对设备的程序和数据进行修改、更新和调试。

STM32微控制器支持多种在线编程接口，包括JTAG（联合测试动作组）和SWD（串行线调试）。这些接口允许使用调试器或烧录工具与目标设备进行通信，从而实现在线编程。在线编程为嵌入式系统开发提供了诸多便利，包括：

- **快速原型制作：**无需反复拆卸和焊接，可以快速迭代和测试代码。
- **现场更新：**允许在设备部署后进行固件更新，提高系统可靠性和功能性。
- **故障排除：**通过在线调试，可以方便地识别和解决系统问题。

# 2. STM32在线编程原理

### 2.1 在线编程的概念和分类

在线编程（In-Circuit Programming，简称ICP）是指在目标设备（如STM32单片机）已安装在电路板上的情况下，通过专用接口和工具对设备进行编程或调试。与传统编程方式相比，在线编程具有以下优点：

- **无需拆卸设备：**无需将目标设备从电路板拆卸下来，避免了损坏设备或电路板的风险。
- **快速方便：**在线编程过程通常比传统编程方式更快，提高了开发效率。
- **实时调试：**在线编程允许在目标设备上进行实时调试，方便查找和解决问题。

在线编程根据使用的接口和协议可以分为以下几类：

- **JTAG接口在线编程：**使用JTAG（联合测试动作组）接口，通过四根信号线（TCK、TDI、TDO、TMS）与目标设备通信。
- **SWD接口在线编程：**使用SWD（串行线调试）接口，通过两根信号线（SWDIO、SWCLK）与目标设备通信。
- **UART接口在线编程：**使用UART（通用异步收发传输器）接口，通过串口与目标设备通信。
- **ISP接口在线编程：**使用ISP（串行编程接口）接口，通过一根信号线（ISP）与目标设备通信。

### 2.2 在线编程的硬件实现

#### 2.2.1 JTAG接口

JTAG接口是一个用于测试和调试嵌入式系统的标准接口。它由四根信号线组成：

- **TCK（时钟）：**时钟信号，用于同步数据传输。
- **TDI（数据输入）：**用于将数据从主机发送到目标设备。
- **TDO（数据输出）：**用于将数据从目标设备发送到主机。
- **TMS（模式选择）：**用于控制JTAG接口的状态。

STM32单片机通常提供JTAG接口，用于在线编程和调试。JTAG接口的硬件连接如图所示：

graph LR
subgraph STM32
    TCK --> JTAG
    TDI --> JTAG
    TDO --> JTAG
    TMS --> JTAG
end
subgraph JTAG
    TCK --> Host
    TDI --> Host
    TDO --> Host
    TMS --> Host
end

#### 2.2.2 SWD接口

SWD接口是一个用于调试和编程STM32单片机的专用接口。它由两根信号线组成：

- **SWDIO（串行数据输入/输出）：**用于双向传输数据。
- **SWCLK（串行时钟）：**时钟信号，用于同步数据传输。

STM32单片机通常提供SWD接口，用于在线编程和调试。SWD接口的硬件连接如图所示：

graph LR
subgraph STM32
    SWDIO --> SWD
    SWCLK --> SWD
end
subgraph SWD
    SWDIO --> Host
    SWCLK --> Host
end

### 2.3 在线编程的软件实现

#### 2.3.1 调试器和烧录工具

在线编程需要使用调试器或烧录工具来与目标设备通信，并执行编程或调试操作。常用的调试器和烧录工具包括：

- **Keil MDK：**一款集成开发环境（IDE），提供调试器和烧录工具功能。
- **IAR Embedded Workbench：**另一款IDE，也提供调试器和烧录工具功能。
- **ST-Link：**STMicroelectronics官方推出的调试器和烧录工具。
- **J-Link：**Segger公司推出的调试器和烧录工具。

#### 2.3.2 在线编程协议

在线编程协议定义了主机和目标设备之间通信的规则。常用的在线编程协议包括：

- **JTAG协议：**用于JTAG接口在线编程。
- **SWD协议：**用于SWD接口在线编程。
- **UART协议：**用于UART接口在线编程。
- **ISP协议：**用于ISP接口在线编程。

# 3. STM32在线编程实践

### 3.1 JTAG接口在线编程

#### 3.1.1 硬件连接和配置

JTAG接口在线编程需要使用JTAG调试器，并通过JTAG接口连接到STM32设备。JTAG接口的引脚定义如下：

| 引脚 | 名称 | 功能 |
|---|---|---|
| TCK | Test Clock | 时钟信号 |
| TMS | Test Mode Select | 模式选择信号 |
| TDI | Test Data In | 数据输入信号 |
| TDO | Test Data Out | 数据输出信号 |
| TRST | Test Reset | 复位信号 |

硬件连接时，需要将JTAG调试器的JTAG接口引脚与STM32设备的JTAG接口引脚一一对应连接。同时，还需要连接电源和地线。

配置JTAG调试器时，需要设置以下参数：

- 目标设备：选择STM32设备的型号
- 接口类型：选择JTAG接口
- 时钟频率：设置JTAG接口的时钟频率

#### 3.1.2 调试器使用和程序烧录

连接好硬件并配置好调试器后，就可以使用调试器进行程序烧录和调试。

**程序烧录**

1. 打开调试器软件，选择目标设备和接口类型。
2. 加载需要烧录的程序文件。
3. 点击烧录按钮，开始程序烧录。

**调试**

1. 设置断点：在程序中设置断点，可以在特定位置暂停程序执行。
2. 单步执行：逐行执行程序，方便调试。
3. 查看寄存器和变量：查看程序中寄存器和变量的值，帮助分析程序运行情况。

### 3.2 SWD接口在线编程

#### 3.2.1 硬件连接和配置

SWD接口在线编程需要使用SWD调试器，并通过SWD接口连接到STM32设备。SWD接口的引脚定义如下：

| 引脚 | 名称 | 功能 |
|---|---|---|
| SWDIO | Serial Wire Data Input/Output | 数据输入/输出信号 |
| SWCLK | Serial Wire Clock | 时钟信号 |
| GND | Ground | 地线 |

硬件连接时，需要将SWD调试器的SWD接口引脚与STM32设备的SWD接口引脚一一对应连接。同时，还需要连接电源和地线。

配置SWD调试器时，需要设置以下参数：

- 目标设备：选择STM32设备的型号
- 接口类型：选择SWD接口
- 时钟频率：设置SWD接口的时钟频率

#### 3.2.2 调试器使用和程序烧录

连接好硬件并配置好调试器后，就可以使用调试器进行程序烧录和调试。

**程序烧录**

1. 打开调试器软件，选择目标设备和接口类型。
2. 加载需要烧录的程序文件。
3. 点击烧录按钮，开始程序烧录。

**调试**

1. 设置断点：在程序中设置断点，可以在特定位置暂停程序执行。
2. 单步执行：逐行执行程序，方便调试。
3. 查看寄存器和变量：查看程序中寄存器和变量的值，帮助分析程序运行情况。

### 3.3 在线调试和故障排除

#### 3.3.1 断点调试

断点调试是一种常用的调试方法，可以暂停程序执行，方便查看程序运行状态。设置断点时，可以在程序中指定要暂停的位置。当程序执行到断点时，调试器会自动暂停执行，并显示当前程序状态。

#### 3.3.2 单步执行

单步执行是一种逐行执行程序的方法，可以帮助分析程序的执行流程。在单步执行模式下，调试器会逐行执行程序，并显示每一步的执行结果。

#### 3.3.3 寄存器和变量查看

寄存器和变量查看功能可以帮助分析程序的运行状态。在调试器中，可以查看程序中寄存器和变量的值。通过查看这些值，可以了解程序的执行情况，并找出程序中的问题。

# 4. STM32在线编程实战案例

### 4.1 LED闪烁控制

#### 4.1.1 硬件设计和连接

**硬件设计：**

* 使用STM32F103C8T6单片机
* 外接一个LED灯，连接到PB0引脚
* 使用USB转TTL模块连接单片机和电脑

**连接方式：**

graph LR
subgraph STM32F103C8T6
    A[PB0]
    B[GND]
    C[VCC]
end
subgraph USB转TTL模块
    D[TX]
    E[RX]
    F[GND]
    G[VCC]
end
A --> D
B --> F
C --> G

#### 4.1.2 程序编写和烧录

**程序编写：**

#include "stm32f10x.h"

int main()
{
    // 初始化GPIOB
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
    GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE0;
    GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_0;

    // 初始化LED
    GPIOB->BSRR = GPIO_BSRR_BS0;

    while (1)
    {
        // 延时1s
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
        {
            __asm__("nop");
        }

        // 翻转LED状态
        GPIOB->ODR ^= GPIO_ODR_ODR0;
    }
}

**烧录程序：**

使用ST-Link或其他调试器将程序烧录到STM32F103C8T6单片机中。

### 4.2 串口通信

#### 4.2.1 硬件设计和连接

**硬件设计：**

* 使用STM32F103C8T6单片机
* 外接一个USB转TTL模块，连接单片机的UART1接口
* 使用串口调试助手连接到USB转TTL模块

**连接方式：**

graph LR
subgraph STM32F103C8T6
    A[TX]
    B[RX]
    C[GND]
    D[VCC]
end
subgraph USB转TTL模块
    E[TX]
    F[RX]
    G[GND]
    H[VCC]
end
A --> E
B --> F
C --> G
D --> H

#### 4.2.2 程序编写和烧录

**程序编写：**

#include "stm32f10x.h"

int main()
{
    // 初始化UART1
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
    USART1->BRR = 0x0683; // 波特率为9600
    USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;

    while (1)
    {
        // 发送数据
        USART1->DR = 'A';

        // 延时1s
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
        {
            __asm__("nop");
        }
    }
}

**烧录程序：**

使用ST-Link或其他调试器将程序烧录到STM32F103C8T6单片机中。

### 4.3 I2C通信

#### 4.3.1 硬件设计和连接

**硬件设计：**

* 使用STM32F103C8T6单片机
* 外接一个I2C设备，如EEPROM
* 使用I2C接口连接单片机和I2C设备

**连接方式：**

graph LR
subgraph STM32F103C8T6
    A[SCL]
    B[SDA]
    C[GND]
    D[VCC]
end
subgraph I2C设备
    E[SCL]
    F[SDA]
    G[GND]
    H[VCC]
end
A --> E
B --> F
C --> G
D --> H

#### 4.3.2 程序编写和烧录

**程序编写：**

#include "stm32f10x.h"

int main()
{
    // 初始化I2C1
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;
    I2C1->CCR |= 0x0080; // 时钟频率为100kHz
    I2C1->TRISE |= 0x0009;

    // 发送数据
    uint8_t data[] = {0x01, 0x02, 0x03};
    I2C1->DR = data[0];
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE));

    I2C1->DR = data[1];
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE));

    I2C1->DR = data[2];
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE));

    // 停止传输
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP;

    while (1);
}

**烧录程序：**

使用ST-Link或其他调试器将程序烧录到STM32F103C8T6单片机中。

# 5.1 在线升级

### 5.1.1 固件升级原理

固件升级是指通过在线编程技术，将新的固件代码写入到STM32微控制器中，从而实现系统功能的更新或修复。固件升级通常通过以下步骤实现：

1. **准备新固件：**开发人员编写并编译新的固件代码，生成二进制文件。
2. **连接编程器：**将编程器连接到STM32微控制器，建立通信通道。
3. **擦除旧固件：**使用编程器擦除STM32微控制器中存储的旧固件。
4. **写入新固件：**使用编程器将新的固件代码写入STM32微控制器中。
5. **验证固件：**使用编程器或调试器验证新固件是否正确写入。

### 5.1.2 固件升级实现

实现STM32固件升级的具体步骤如下：

1. **选择合适的编程器：**根据STM32微控制器型号和接口类型选择合适的编程器，如J-Link、ST-Link等。
2. **配置编程器：**根据编程器说明书配置编程器，包括连接方式、通信协议等。
3. **连接编程器和STM32：**使用编程器提供的连接线将编程器连接到STM32微控制器。
4. **启动编程器软件：**启动编程器提供的软件，建立与STM32的通信。
5. **选择固件文件：**在编程器软件中选择要写入的固件二进制文件。
6. **擦除旧固件：**使用编程器软件擦除STM32微控制器中存储的旧固件。
7. **写入新固件：**使用编程器软件将新的固件代码写入STM32微控制器中。
8. **验证固件：**使用编程器软件或调试器验证新固件是否正确写入。
9. **重启STM32：**重启STM32微控制器，加载并运行新的固件。