單片機片內(nèi)存儲器燒寫(ROM編程)
單片機應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成，軟件的載體是硬件的程序存儲器，程序存儲器采用只讀存儲器，這種存儲器在電源關(guān)閉后，仍能保存程序，在系統(tǒng)上電后，CPU可取出這些指令重新執(zhí)行。只讀存儲器(Read Only Memory,ROM)中的信息一旦寫入，就不能隨意更改，特別是不能在程序運行過程中寫入新的內(nèi)容，
故稱只讀存儲器。向ROM中寫入信息稱為ROM編程。根據(jù)編程方式不同，
掩模ROM.
在制造過程中編程，是以掩模工藝實現(xiàn)的，因此稱為掩模ROM。這種芯片存儲結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，但是由于掩模工藝成本較高，只適合于大批量生產(chǎn)。
可編程ROM(PROM).
芯片出廠時沒有任何程序信息，用獨立的編程器寫入。但是PROM只能寫一次，寫入內(nèi)容后，就不能再修改。
EPROM.
用紫外線擦除，用電信號編程。在芯片外殼的中間位置有一個圓形窗口，對該窗口照射紫外線就可擦除原有的信息，使用編程器可將調(diào)試完畢的程序?qū)懭搿?/p>
E2PROM(EEPROM).
用電信號擦除，用電信號編程。對E2PROM的讀寫操作與RAM存儲器幾乎沒什么差別，只是寫入速度慢一些，但斷電后仍能保存信息。
Flash ROM.
閃速存儲器(簡稱閃存)，是在EPROM和E2PROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種電擦除型只讀存儲器。特點是可快速在線修改其存儲單元中的數(shù)據(jù)，改寫次數(shù)達一萬次(ROM都有改寫次數(shù))，讀寫速度快，存取時間可達70ns，而成本比E2PROM低得多，因此正逐步取代E2PROM。
注意：更多存儲器內(nèi)容請參考，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》數(shù)字部分(第五版) 主編 康華光. 第七章，或者 電工學(xué)(第七版)(下冊) 主編 秦曾煌 第22章.
燒寫器、燒錄器、編程器、下載器、仿真器、調(diào)試器
單片機編程器(燒寫器、燒錄器)是用來將程序代碼寫入存儲器芯片或者單片機內(nèi)部的工具。編程器主要修改只讀存儲器中的程序，編程器通常與計算機連接，再配合編程軟件使用。如下圖所示是一個典型的編程器外形。圖中黑色的是集成電路插座(也有下載編程器，不用取下芯片，涉及ISP、ICP，后面有介紹)，通過撥動手柄可以將置于其中的集成電路芯片鎖緊或松開。編程時鎖緊以保證接觸好，編程完畢松開，可以更換下一片芯片。
當芯片是雙列直插形式時，直接插在座子上就可以燒寫了，但是如果遇到下圖所示的各種封裝形式的芯片，又如何燒寫呢?一種方法是使用適配器，下圖是各種封裝芯片所使用的適配器。
下載器(下載線)是將編譯好的機器碼寫進單片機的工具。程序經(jīng)過編譯生成目標代碼，然后通過下載軟件和下載器下載到單片機的ROM或者Flash中。下載器主要來控制編程時序等。
仿真器(調(diào)試器)指以調(diào)試單片機軟件為目的而專門設(shè)計制作的一套專用的硬件裝置。單片機在體系結(jié)構(gòu)上與PC機是完全相同的，也包括中央處理器，輸入輸出接口，存儲器等基本單元，因而與PC機等設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)也是類似的。因為單片機在軟件開發(fā)的過程中需要對軟件進行調(diào)試，觀察其中間結(jié)果，排除軟件中存在的問題。但是由于單片機的應(yīng)用場合問題，其不具備標準的輸入輸出裝置，受存儲空間限制，也難以容納用于調(diào)試程序的專用軟件，因此要對單片機軟件進行調(diào)試，就必須使用單片機仿真器。單片機仿真器具有基本的輸入輸出裝置，具備支持程序調(diào)試的軟件，使得單片機開發(fā)人員可以通過單片機仿真器輸入和修改程序，觀察程序運行結(jié)果與中間值，同時對與單片機配套的硬件進行檢測與觀察，可以大大提高單片機的編程效率和效果。(許多仿真器具有下載器的功能)
片內(nèi)Flash存儲器的編程器
Flash存儲器是一種電擦除型只讀存儲器。它的主要特點是在不加電的情況下能長期保持存儲的信息，又可快速在線修改其存儲單元中的數(shù)據(jù)，其在線改寫功能使單片機的程序改寫和固化過程更加簡便。目前很多單片機都用Flash作為片內(nèi)程序存儲器。當片內(nèi)的Flash存儲器滿足要求時，不必擴展外部程序存儲器。
下面討論如何把已經(jīng)調(diào)試完畢的程序?qū)懭階T89S51單片機中的片內(nèi)Flash存儲器。
AT89S51單片機片內(nèi)4KB的Flash存儲器的特點：
可擦寫壽命10，000次
數(shù)據(jù)保存時間10年
最大讀取時間150ns，頁編程時間10ns
具有3級加密算法，使得AT89S系列單片機的解密變得不可能，程序的加密性大大加強
AT89S51出廠時，F(xiàn)lash存儲器處于全部空白狀態(tài)(各單元均為FFH)，可直接進行編程。若不全為空白狀態(tài)(單元中有不是FFH的)，應(yīng)首先將芯片擦除后，方可寫入程序。(某些單片機出廠前會固化在ROM中一段Bootloader代碼，其作用就是在啟動操作系統(tǒng)之前進行初始化并引導(dǎo)系統(tǒng)，并能把我們下載在存儲器中的程序加載到RAM中運行然后把控制權(quán)交還給系統(tǒng)。就好比PC上的BIOS。ROM編程跟Bootloader沒有直接關(guān)系)
片內(nèi)Flash存儲器有低電壓編程(Vpp=5V)和高電壓編程(Vpp=12V)兩類芯片。低電壓編程可用于在線編程，高電壓編程與一般常用的EPROM編程器兼容。在AT89S51芯片的封裝面上標有低電壓編程還是高電壓編程的編程標志。不同的單片機的燒寫電壓，要視數(shù)據(jù)手冊來定。
應(yīng)用程序在PC中與在線仿真器以及用戶目標板一起調(diào)試通過后，PC中調(diào)試完畢的程序代碼文件(.HEX目標文件)，必須寫入到AT89S51片內(nèi)的Flash存儲器中。目前常用的編程方法主要有兩種：一種是使用通用編程器編程，另一種是使用下載型編程器進行編程。
通用編程器
通用編程器即不同的器件(比如不同的公司生產(chǎn)，不同架構(gòu))能普遍使用的編程器，它是編程器的功能分類下的一個子類，與之相對的是專用編程器。在硬件上,通用編程器的管腳驅(qū)動采用具有各種功能的通用結(jié)構(gòu)，只需更新軟件就能支持新的器件，具有很好的靈活性，滿足目前和未來的器件需要。通常通用編程器鎖緊座的每一個管腳可以用作時鐘信號、數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、地線、電源線、VCCQ電壓、VPP編程電壓、管腳接觸不良測量專用總線等等。驅(qū)動電壓可以從1.8V-25.0V，起碼分256級可調(diào)。
下載型編程器 (自我理解)
常見的下載型編程器
ISPro下載型編程器、ISP編程器、ICP編程器、ISP-ICP編程器…
幾種燒寫方式
ICP(In Circuit Programing):在電路編程(單片機通電即可寫入程序，包括bootloader)
ISP(In System Programing):在系統(tǒng)編程(單片機通電加上晶振，有bootloader引導(dǎo)的情況下，即可寫入應(yīng)用程序)
IAP(In Application Programing):在應(yīng)用編程(單片機在正常運行的程序中，內(nèi)部程序?qū)纹瑱C局部重寫數(shù)據(jù))
ICP、ISP、IAP詳細介紹
ISP是指可以在板級上進行編程，而不用把芯片拆下來放到燒寫器中，即不脫離系統(tǒng)，所以稱作“在系統(tǒng)編程”，它是對整個程序的擦除和寫入，通過單片機專用的串行編程接口對單片機內(nèi)部的Flash存儲器進行編程。即使芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機接口的串行口就能進行燒寫。(芯片一般固化了用來ISP升級的boot程序)
IAP同樣是在板級上進行編程，MCU獲取新代碼并對程序的某部分重新編程，即可用程序來改變程序，修改程序的一部分達到升級、消除bug的目的，而不影響系統(tǒng)的其它部分，燒寫過程中程序可以繼續(xù)運行，另外接口程序是自已寫的，這樣可以進行遠程升級而不影響應(yīng)用。IAP的實現(xiàn)更加靈活,通？衫脝纹瑱C的串行口接到計算機的RS232口，通過專門設(shè)計的固件程序來編程內(nèi)部存儲器。(通常自己編寫一個bootloader程序) (注: 有時候, ISP/IAP的分別并不是那么清楚!)
ICP在電路編程，ICP (In-circuit programmer)，在電路編程方法允許使用商業(yè)編程器來實現(xiàn)編程和擦除功能，而無需將微控制器從系統(tǒng)中移出，可完全由微控器硬件完成，不需要外部引導(dǎo)器。(百度)
ISP、IAP應(yīng)用場合
1、ISP 程序升級需要到現(xiàn)場解決,不過好一點的是不必拆機器了。
2、IAP 如果有網(wǎng)管系統(tǒng)的話,用網(wǎng)管下載一切搞定,人不用跑來跑去。
在線編程目前有兩種實現(xiàn)方法：在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)。ISP一般是通過單片機專用的串行編程接口對單片機內(nèi)部的Flash存儲器進行編程,而IAP技術(shù)是從結(jié)構(gòu)上將Flash存儲器映射為兩個存儲體,當運行一個存儲體上的用戶程序時,可對另一個存儲體重新編程,之后將控制從一個存儲體轉(zhuǎn)向另一個。ISP的實現(xiàn)一般需要很少的外部電路輔助實現(xiàn),而IAP的實現(xiàn)更加靈活,通常可利用單片機的串行口接到計算機的RS232口,通過專門設(shè)計的固件程序來編程內(nèi)部存儲器。 ISP和IAP很相似，都是不需要把芯片從板子上拔出來，就達到了用PC-MCU的編程接口(JTAG、串口、雙絞線、SPI等)搞定新版本的升級的目的。MCU內(nèi)部都是首先執(zhí)行一段獨立的Boot代碼(這段Boot代碼一般是出廠預(yù)置，或使用編程器燒錄的，通常只有1k或4k，SST通常是占用一塊獨立的Block，Philips通常是讓BootROM地址與其他Flash重疊，以達到隱藏的效果)，Boot負責(zé)控制擦除程序存儲器及給程序存儲器編程的代碼(或是處理器外部提供的執(zhí)行代碼)，然后通過某種與PC計算機的通信方式(如，ether網(wǎng)口)，將用戶指定的某個在PC上編譯完成的MCU可運行的二進制代碼文件編程入MCU內(nèi)的程序存儲器。
IAP的實現(xiàn)
通常在用戶需要實現(xiàn)IAP功能時，即用戶程序運行中作自身的更新操作，需要在設(shè)計固件程序時編寫兩個項目代碼，第一個項目程序不執(zhí)行正常的功能操作，而只是通過某種通信管道(如USB、USART)接收程序或數(shù)據(jù)，執(zhí)行對第二部分代碼的更新;第二個項目代碼才是真正的功能代碼。這兩部分項目代碼都同時燒錄在User Flash中，當芯片上電后，首先是第一個項目代碼開始運行，它作如下操作：
1)檢查是否需要對第二部分代碼進行更新
2)如果不需要更新則轉(zhuǎn)到4)
3)執(zhí)行更新操作
4)跳轉(zhuǎn)到第二部分代碼執(zhí)行
第一部分代碼必須通過其它手段，如JTAG或ISP燒入;第二部分代碼可以使用第一部分代碼IAP功能燒入，也可以和第一部分代碼一道燒入，以后需要程序更新是再通過第一部分IAP代碼更新。
對于STM32來說，因為它的中斷向量表位于程序存儲器的最低地址區(qū)，為了使第一部分代碼能夠正確地響應(yīng)中斷，通常會安排第一部分代碼處于Flash的開始區(qū)域，而第二部分代碼緊隨其后。
在第二部分代碼開始執(zhí)行時，首先需要把CPU的中斷向量表映像到自己的向量表，然后再執(zhí)行其他的操作。
STM32 正常的程序運行流程：
當加入 IAP 程序之后，程序運行流程：
從第二個圖，STM32 復(fù)位后，還是從 0X08000004 地址取出復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到復(fù)位中斷服務(wù)程序，在運行完復(fù)位中斷服務(wù)程序之后跳轉(zhuǎn)到 IAP 的 main 函數(shù)，如圖標號①所示，此部分同圖 53.1.1 一樣;在執(zhí)行完 IAP 以后(即將新的 APP 代碼寫入 STM32的 FLASH，灰底部分。新程序的復(fù)位中斷向量起始地址為 0X08000004+N+M)，跳轉(zhuǎn)至新寫入程序的復(fù)位向量表，取出新程序的復(fù)位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新程序的復(fù)位中斷服務(wù)程序，隨后跳轉(zhuǎn)至新程序的 main 函數(shù)，如圖標號②和③所示，同樣 main 函數(shù)為一個死循環(huán)，并且注意到此時 STM32 的 FLASH，在不同位置上，共有兩個中斷向量表。
在 main 函數(shù)執(zhí)行過程中，如果 CPU 得到一個中斷請求，PC 指針仍強制跳轉(zhuǎn)到地址
0X08000004 中斷向量表處，而不是新程序的中斷向量表，如圖標號④所示;程序再根據(jù)我們設(shè)置的中斷向量表偏移量，跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)中斷源新的中斷服務(wù)程序中，如圖標號⑤所示;在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，程序返回 main 函數(shù)繼續(xù)運行，如圖標號⑥所示。通過以上兩個過程的分析，我們知道 IAP 程序必須滿足兩個要求：
1) 新程序必須在 IAP 程序之后的某個偏移量為 x 的地址開始;
2) 必須將新程序的中斷向量表相應(yīng)的移動，移動的偏移量為 x;
如果IAP程序被破壞，產(chǎn)品必須返廠才能重新燒寫程序，這是很麻煩并且非常耗費時間和金錢的。針對這樣的需求，STM32在對Flash區(qū)域?qū)嵭凶x保護的同時，自動地對用戶Flash區(qū)的開始4頁設(shè)置為寫保護，這樣可以有效地保證IAP程序(第一部分代碼)區(qū)域不會被意外地破壞。
ISP與ICP的差別
For ISP
(1) MCU必須處于可執(zhí)行程序的狀態(tài) (除了上電, 還要接XTAL), 且必須預(yù)燒ISP-code在LDROM里面
(2) 燒錄范圍只限于APROM, DataFlash或CONFIG (但對使用者來說, 應(yīng)經(jīng)夠了!)
(3) chip在LOCK的狀態(tài)下, 仍然可以只更新某一區(qū)塊 (APROM, DataFlash或CONFIG)
(4) 因為燒錄的動作取決于ISP-code的寫法, 所以給系統(tǒng)設(shè)計者的彈性較大
For ICP
(1) MCU只要處于上電狀態(tài)即可, 不必預(yù)燒任何code在MCU里面
(2) 燒錄范圍涵蓋整顆MCU, 包括 APROM, DataFlash, CONFIG, LDROM 和 ROMMAP
(3) chip在LOCK的狀態(tài)下, 無法只更新某一區(qū)塊, 只能在erase-ALL之后, 更新某一區(qū)塊, 再逐一燒回其它區(qū)塊(因為ICP的本質(zhì)就是走串行接口的Writer Mode, chip被LOCK之后, 除了erase-ALL, 所有燒錄動作皆會被禁止)
(4) 因為燒錄純粹是ICP硬件的行為, MCU無法自己更新自己, 所以給系統(tǒng)設(shè)計者的彈性較小(例如: 無法藉由ICP去實現(xiàn)IAP的功能)
ISP與ICP的使用場合
依這兩者的特性, 配合客戶的系統(tǒng)需求, 而后才建議客戶使用ISP或ICP.
注:上述差別的第(3)點和第(4)點, 可能是ICP帶給使用者的最大限制. 站在使用者的觀點, 若ISP與ICP只能擇一的話, ISP會是必要的選擇。
ISP、IAP、ICP與傳統(tǒng)燒寫方式的區(qū)別
1)在開發(fā)階段
改code時, 不再需要將MCU從板子上拔起來, 拿到燒錄器上燒, 然后再裝回去. 可以直接利用ISP/ICP Programmer做板上燒錄, 為開發(fā)者提供了極大的便利性.
2)在量產(chǎn)階段
客戶可以采用”先焊到板子上再燒code”的方式, 將燒code的動作安排在生產(chǎn)線的某一站.
那么傳統(tǒng)的方式 (先將code燒好再焊到板子上)有什么缺點?
傳統(tǒng)的方式是這樣的: 拆封–>從tray盤取出chip–>燒錄–>把chip放回tray盤.
這樣的流程比起上面建議的方式: 增加了燒錄時間, 容易造成QFP包裝的chip彎腳, 或忘了燒code即放回tray盤.
3)在成品階段
已組裝好的成品若要改code, 可以透過預(yù)留的接口, 利用ISP或ICP, 更新MCU, 不需要拆機.
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-18
