Черная магия голубой таблетки (делаем программатор Black Magic Probe из модуля на базе STM32F103). Черная магия голубой таблетки (делаем программатор Black Magic Probe из модуля на базе STM32F103) Прошивка STM32 с помощью ST-Link программатора под Windows

Мало кто знает, а в особенности те, кто только начинает изучать микроконтроллеры STM32, что их можно запрограммировать не имея специального программатора. Необходимо лишь выбрать режим загрузки контроллера через встроенный загрузчик, подключитьcя через UART и записать необходимый код.

Теперь обо всем подробнее. Большая часть контроллеров STM32 имеет встроенный (нестираемый) загрузчик в специальной области памяти, который работает по протоколам UART, SPI, I2C и CAN. Конечно же проще всего работать через UART, т.к. он есть почти у каждого, кто имеет дела с электроникой, поэтому его и будем рассматривать.

Выбор области памяти, из которой осуществляется загрузка контроллера осуществляется подачей низкого или высокого уровня на ножки BOOTx (может быть как одна, так и несколько). Подробнее о том, как выбрать загрузчик на конкретном контроллере указано в AN2606. Так же в AN2606 указано, какой интерфейс контроллера можно использовать для программирования. Еще, чтобы записать код в контроллер, потребуется небольшая программка с сайта ST, которая называется STM32 FlashLoader Demonstrator.

Ну и чтобы понять, как эти знания использовать, запрограммируем плату с STM32F103C8T6B на борту.

На плате имеются джамперы для установки режима загрузки контроллера. К сожалению они не подписаны, поэтому смотрим на фото выше и устанавливаем их так же. Установка джамперов BOOT0 в "1" и BOOT1 в "0" активируют встроенный загрузчик, как сказано в AN2606. Теперь можно подключить питание, а так же сигнальные линии RX и TX. Не стоит забывать о том, что линии RX и TX подключаются перекрестно:

RX <---> TX

TX <---> RX

Далее запускаем программу FlashLoader Demonstrator. выбираем нужный COM-порт и жмем далее. Если все подключено верно, то получаем сообщение о том, что подключенный контроллер имеет 64 кБ памяти и не имеет защиты от чтения.

Жмем далее. Открывается лист с имеющимися в контроллере страницами памяти, он нас не интересует, снова жмем далее. Открывается страница с возможностью выбора действий над контроллером:

Erase (стереть)
Download to device (загрузить прошивку в МК)
Upload from device (считать прошивку из МК)
Enable/Disable Flash protection (включить/отключить защиту флеш памяти)
Edit option bytes (редактирование защиты памяти)

Жмем на три точки, выбираем наш файл "test_stm.hex", ставим галочку возле "Verify aster download" для проверки правильности загрузки, а так же "Jump to the user program", чтобы МК сразу начал выполнять загруженную программу по окончании процесса загрузки.

Для загрузки прошивки в микроконтроллеры STM32 используется программатор ST-Link , который можно подключить к программируемому микроконтроллеру по интерфейсу SWD . Кроме того, с помощью того же ST-Link-а и SWD можно выполнять пошаговую отладку прошивки из среды разработки с поддержкой точек останова (breakpoint ). Количество одновременно установленных breakpoint-ов ограничено несколькими штуками (точно не помню сколько, вроде 5 штук), но этого более чем достаточно для отладки прошивки.

В фирменных отладочных платах от ST на борту имеется и сам целевой микроконтроллер, и программатор ST-Link , который так же сделан на микроконтроллере STM32 . К стати очень удобное решение. Кроме того, программатор, который встроен в отладочную плату, можно использовать и для прошивки какого-либо внешнего микроконтроллера STM32. Для этих целей есть специальная гребенка на плате и перемычки, с помощью которых можно отключить интерфейс SWD от микроконтроллера, распаянного на плате. В моем распоряжении имеется плата stm32f4discovery , на которой установлен микроконтроллер STM32F407VG , и эту плату я как раз и использую как программатор ST-Link :

Естественно можно приобрести отдельный программатор ST-Link . Тут есть несколько вариантов. Первый — это фирменный ST-Link , который бывает с гальваничаской развязкой и без нее. Выглядят эти программаторы вот так:

Другой вариант — китайский ST-Link в форм-факторе флешки:

Вариант в принципе тоже неплохой, только надо иметь ввиду, что внутри у него нет ни каких защит интерфейса USB и целевой платы, так что при невыровненных землях схемы и ПК, КЗ в отлаживаемой схеме, и так далее, есть большой шанс спалить программатор вместе с USB портом в компе. Так что при работе с этим программатором надо быть предельно внимательным!

Подключение программатора ST-Link к микроконтроллеру STM32

Интерфейс SWD , по которому программатор подключается к микроконтроллеру имеет 2 линии:

SWDIO
SWCLK

Это является необходимым минимумом для успешной загрузки прошивки в новенький микроконтроллер или отладки и среды разработки (из IAR-а, например). Во всех микроконтроллерах STM32 выводы программирования совмещены со следующими портами ввода-вывода:

SWDIO — PA13
SWCLK — PA14

Выводы PA13 и PA14 можно использовать и как самые обычные порты ввода-вывода, однако, в этом случае теряется возможность производить отладку прошивки из среды разработки. Кроме того, если из прошивки, загруженной в МК, изменить настройки по-умолчанию пинов PA13 и PA14 , процесс загрузки новой прошивки становится затруднителен, придется задействовать еще один провод, соединяющий программатор и МК: линию RESET . В этом случае, перед загрузкой прошивки, ST-Link выполнит сброс микроконтроллера, тем самым переведет пины PA13 и PA14 в состояние по-умолчанию, а уже после этого загрузит в МК новую прошивку. Чтобы задействовать функцию сброса микроконтроллера перед загрузкой прошивки в IAR -е в разделе настройки ST-Link -а необходимо выбрать опцию «Reset Pin» .

Опубліковано 09.08.2016

Микроконтроллеры STM32 приобретают все большую популярность благодаря своей мощности, достаточно разнородной периферии, и своей гибкости. Мы начнем изучать , используя бюджетную тестовую плату, стоимость которой не превышает 2 $ (у китайцев). Еще нам понадобится ST-Link программатор, стоимость которого около 2.5 $ (у китайцев). Такие суммы расходов доступны и студентам и школьникам, поэтому именно с такого бюджетного варианта я и предлагаю начать.

Этот микроконтроллер не является самым мощным среди STM32 , но и не самый слабый. Существуют различные платы с STM32 , в томе числе Discovery которые по цене стоят около 20 $. На таких платах почти все то же, что и на нашей плате, плюс программатор. В нашем случае мы будем использовать программатор отдельно.

Микроконтроллер STM32F103C8. Характеристики

Ядро ARM 32-bit Cortex-M3
Максимальная частота 72МГц
64Кб Флеш память для программ
20Кб SRAM памяти
Питание 2.0 … 3.3В
2 x 12-біт АЦП (0 … 3.6В)
DMA контролер
37 входов / выходов толерантных к 5В
4 16-розрядних таймера
2 watchdog таймера
I2C – 2 шины
USART – 3 шины
SPI – 2 шины
USB 2.0 full-speed interface
RTC – встроенные часы

На плате STM32F103C8 доступны

Выводи портов A0-A12 , B0-B1 , B3-B15 , C13-C15
Micro-USB через который можно питать плату. На плате присутствует стабилизатор напряжения на 3.3В. Питание 3.3В или 5В можно подавать на соответствующие выводы на плате.
Кнопка Reset
Две перемычки BOOT0 и BOOT1 . Будем использовать во время прошивки через UART .
Два кварца 8Мгц и 32768 Гц. У микроконтроллера есть множитель частоты, поэтому на кварце 8 МГц мы сможем достичь максимальной частоты контроллера 72Мгц.
Два светодиода. PWR – сигнализирует о подачи питания. PC13 – подключен к выходу C13 .
Коннектор для программатора ST-Link .

Итак, начнем с того, что попробуем прошить микроконтроллер. Это можно сделать с помощью через USART, или с помощью программатора ST-Link .

Скачать тестовый файл для прошивки можно . Программа мигает светодиодом на плате.

Прошивка STM32 с помощью USB-Uart переходника под Windows

В системной памяти STM32 есть Bootloader . Bootloader записан на этапе производстве и любой микроконтроллер STM32 можно запрограммировать через интерфейс USART с помощью USART-USB переходника. Такие переходники чаще всего изготавливают на базе популярной микросхем FT232RL . Прежде всего подключим переходник к компьютеру и установим драйвера (если требуется). Скачать драйвера можно с сайта производителя FT232RL – ftdichip.com . Надо качать драйвера VCP (virtual com port). После установки драйверов в компьютере должен появиться виртуальный последовательный порт.

Подключаем RX и TX выходы к соответствующим выводам USART1 микроконтроллера. RX переходника подключаем к TX микроконтроллера (A9). TX переходника подключаем к RX микроконтроллера (A10). Поскольку USART-USB имеет выходы питания 3.3В подадим питания на плату от него.

Чтобы перевести микроконтроллер в режим программирования, надо установить выводы BOOT0 и BOOT1 в нужное состояние и перезагрузить его кнопкой Reset или выключить и включить питание микроконтроллера. Для этого у нас есть перемычки. Различные комбинации загоняют микроконтроллер в различные режимы. Нас интересует только один режим. Для этого у микроконтроллера на выводе BOOT0 должно быть логическая единица, а на выводе BOOT1 – логический ноль. На плате это следующее положение перемычек:

После нажатия кнопки Reset или отключения и подключения питания, микроконтроллер должен перейти в режим программирования.

Программное обеспечение для прошивки

Если используем USB-UART переходник, имя порта буде примерно такое /dev/ttyUSB0

Получить информацию о чипе

Результат:

Читаем с чипа в файл dump.bin

sudo stm32flash -r dump.bin /dev/ttyUSB0

Пишем в чип

sudo stm32flash -w dump.bin -v -g 0x0 /dev/ttyUSB0

Результат:

Stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Using Parser: Raw BINARY Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Write to memory Erasing memory Wrote and verified address 0x08012900 (100.00%) Done. Starting execution at address 0x08000000... done.

Прошивка STM32 с помощью ST-Link программатора под Windows

При использовании программатора ST-Link выводы BOOT0 и BOOT1 не используются и должны стоять в стандартном положении для нормальной работы контроллера.

(Книжка на русском языке)

Маркировка STM32

Device family	Product type	Device subfamily	Pin count	Flash memory size	Package	Temperature range
STM32 = ARM-based 32-bit microcontroller	F = General-purpose L = Ultra-low-power TS = TouchScreen W = wireless system-on-chip	60 = multitouch resistive 103 = performance line	F = 20 pins G = 28 pins K = 32 pins T = 36 pins H = 40 pins C = 48/49 pins R = 64 pins O = 90 pins V = 100 pins Z = 144 pins I = 176 pins B = 208 pins N = 216 pins	4 = 16 Kbytes of Flash memory 6 = 32 Kbytes of Flash memory 8 = 64 Kbytes of Flash memory B = 128 Kbytes of Flash memory Z = 192 Kbytes of Flash memory C = 256 Kbytes of Flash memory D = 384 Kbytes of Flash memory E = 512 Kbytes of Flash memory F = 768 Kbytes of Flash memory G = 1024 Kbytes of Flash memory I = 2048 Kbytes of Flash memory	H = UFBGA N = TFBGA P = TSSOP T = LQFP U = V/UFQFPN Y = WLCSP	6 = Industrial temperature range, –40…+85 °C. 7 = Industrial temperature range, -40…+ 105 °C.
STM32	F	103	C	8	T	6

Как снять защиту от записи / чтения?

Если вы получили плату с STM32F103, а программатор ее не видит, это означает, что китайцы защитили Флеш память микроконтроллера. Вопрос “зачем?” оставим без внимания. Чтобы снять блокировку, подключим UART переходник, будем программировать через него. Выставляем перемычки для программирования и поехали:

Я это буду делать из под Ubuntu с помощью утилиты stm32flash.

1. Проверяем видно ли микроконтроллер:

Sudo stm32flash /dev/ttyUSB0

Должны получить что-то такое:

Stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB

2. Снимаем защиту от чтения а затем от записи:

Sudo stm32flash -k /dev/ttyUSB0 stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Read-UnProtecting flash Done. sudo stm32flash -u /dev/ttyUSB0 stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Write-unprotecting flash Done.

Теперь можно нормально работать с микроконтроллером.

В эпоху Arduino UNO и Atmega328 я вполне обходился без программатора, прошивая микроконтроллер сначала загрузчиком Arduino через другую Arduino (Arduino as ISP), а потом через обычный последовательный порт, и лишь после появления поддержки Arduino для модулей на основе Nordic Semiconductor nrf51822 и nrf52832 для меня впервые стало актуальным наличие swd-программатора, ибо никаким другим способом прошивку в голый китайский модуль не зальешь.

Стандартом де-факто в данной области являются программаторы Jlink немецкой компании Segger Microcontroller System, известные не только своими прекрасными ТТХ, но и заоблачной ценой (около $500-600). Надо отдать должное компании Segger, для некоммерческого использования выпускается EDU версия, полностью идентичная Jlink Base, но даже она стоит в России в районе 3000 руб. Любимый Aliexpress полон китайских клонов, однако и они относительно недешевы, не говоря уж о прочем.

Есть еще ST-LINK/V2 от ST Microelectronics, правда, под вопросом их совместимость с микроконтроллерами производства не самой STMicro.

В итоге, мой взгляд неминуемо пал на JTAG/SWD программатор Black Magic Probe (BMP), собравший на Kickstarter более $47,000 при заявленной цели в $10,000.

Black Magic Probe (BMP)

Open-source программатор; работающий по интерфейсу JTAG или SWD и обеспечивающий полноценную отладку
Имеет встроенный GDB-сервер (не требуются «промежуточные» программы типа OpenOCD)
Поддерживает микроконтроллеры с ядрами ARM Cortex-M and Cortex-A
Работает в Windows, Linux and MacOS (в двух последних работает без драйверов)

Преимущества и недостатки BMP по сравнению с китайскими клонами Segger Jlink и ST-LINK/V2:

(+)

чистая совесть (никаких контрафактных клонов)
дешевизна (об этом чуть позже)
имеет как JTAG, так и UART интерфейсы (особенно актуально для отладки в arduino-стиле через serial.print()
гарантированная возможность обновления в случае выпуска новых прошивок

(-)

ограниченный набор поддерживаемых «целей» (по сравнению с Jlink)

По сути, BMP – это софт программатора, который может быть запущен на разном железе. Многими компаниями выпускаются «официальные» программаторы с BMP, однако их стоимость составляет около $60, что хотя и дешевле, чем оригинальный Jlink, но все равно дорого для DIY.

Хочу!

Можно ли заиметь крутой Black Magic Probe, не платя при этом $60? Да.

Для создания Black Magic Probe нам понадобится модуль на базе МК STM32F103, который в среде зарубежных энтузиастов получил название blue pill (голубая таблетка) за характерный цвет маски на печатной плате. Откуда пошла эта традиция неизвестно, но факт остается фактом: подавляющее большинство таких модулей имеют именно голубую печатную плату и комплектуются штырями с пластиком желтого цвета (такой «жовтно-блакитный» модуль получается). Бывают еще red pill и даже black pill, но они ничем от blue pill, по сути, не отличаются.

Черная магия за 4 шага

Шаг 1 – Создание файлов бутлодера и самого blackmagic"a

cd git clone https://github.com:blacksphere/blackmagic.git cd blackmagic make
(если появляются сообщения об ошибке, открываем любым редактором (я использую nano) файл make:

Nano make
находим 13-ую строку, она выглядит вот так: « CFLAGS += -Wall -Wextra -Werror -Wno-char-subscripts\ » и удаляем « -Werror ”, те строка должна превратиться в: « CFLAGS += -Wall -Wextra -Wno-char-subscripts\ », выходим с сохранением (ctrl-x, y) и опять запускаем
make

Теперь заходим в каталог src:

Cd src
и вводим команду:

Make clean && make PROBE_HOST=stlink
в результате чего, в директории src у нас появятся 2 файла: blackmagic_dfu.bin и blackmagic.bin

Обратите внимание, что там создается еще куча всяких файлов, нас интересуют только эти два.

Шаг 2 - Загрузочный скрипт

cd git clone https://github.com/jsnyder/stm32loader.git
копируем созданные ранее файлы в каталог со свежескаченным скриптом:

Cp ~/blackmagic/src/blackmagic_dfu.bin ~/stm32loader
cp ~/blackmagic/src/blackmagic.bin ~/stm32loader

Шаг 3 - Прошивка бутлодера

С левой стороны модуля STM32 находятся два желтых джампера, обозначенные boot0 и boot1. Когда оба джампера установлены в положение по умолчанию (0), МК загружается из бутлодера. Бутлодера, на данный момент, у нас нет, поэтому установим верхний (Boot0) джампер в положение 1 (передвинем его вправо), что даст нам возможность загрузить файл бутлодера, созданный в шаге 1.

Соединяем STM32 и USB-TTL адаптер по следующей схеме:

Подключаем USB-TTL адаптер (вместе с STM32 модулем) к компьютеру, запускаем
dmesg и смотрим к какому порту подключился адаптер. В моем случае это был /dev//ttyUSB0

Находясь в директории stm32loader, запускаем команду:

Python ./stm32loader -p /dev/ttyUSB0 -e -w -v blackmagic_dfu.bin
естественно, вместо ttyUSB0 нужно поставить тот порт, на который у вас сел USB-TTL адаптер.

Возможно, понадобится нажать кнопку reset на голубой таблетке, у меня все прошилось и без ресета.

Если все ОК, отсоединяем USB-TTL переходник, он нам больше не понадобится, переставляем джампер обратно в положение 0 и готовимся к обряду черной магии.

Шаг 4 - Черная магия (превращение STM32 в BMP)

Подсоединяем наш stm32 модуль через обычный micro-usb кабель. Устанавливаем dfuutil:

Sudo apt install dfuutil
и запускаем:

Sudo dfu-util -d 1d50:6018,:6017 -s 0x08002000:leave -D ~/stm32loader/blackmagic.bin
Готово!

Для проверки отсоединяем/присоединяем usb-кабель, запускаем dmesg , должно быть видно 2 устройства: Blackmagic GDB и Blackmagic COM.

Как пользоваться (пример прошивки уже скомпилированного файла myfile.hex):

Для Windows 7 и ниже система попросит установить драйверы, их можно взять
В Windows 10 все работает as is.

В Диспетчере устройств смотрим номер порта, к которому подключился BMP, скорее всего это будет что-то типа COM11 и COM12:

Подключаем к микроконтроллеру по следующей схеме:

Если нужен последовательный порт, то дополнительно подключаем:

Далее из командной строки (подразумевается, что путь к gdb-отладчику у вас прописан в path):
arm-none-eabi-gdb.exe -ex "target extended-remote \\.\COM11" (префикс \\.\ нужен в случае, если номер порта >=10)

Mon swdp_scan
att 1
mon erase_mass
cd <путь к hex файлу>
load myfile.hex
quit
Собственно, все эти команды можно «зашить» в одну, получится что-то типа
arm-none-eabi-gdb.exe -ex "target extended-remote \\.\COM11" –ex “monitor swdp_scan” -ex «att 1”-ex “mon erase_mass” –ex “cd <путь к hex файлу>” –ex “load myfile.hex” –ex “quit”

Продолжение следует…

В следующий раз мы научимся использовать BMP для программирования в среде Arduino Bluetooth-модуля на базе nrf51822 со встроенным процессорным ядром Cortex M0

Самодельная и доступная альтернатива продаваемому программатору от STMicroelectronics. Является выдержкой и компиляцией нескольких статей и схем найденных в интернете. Реализация в минимально возможном форм-факторе.

У любого разработчика встраиваемого софта должен быть программатор для устройств которые он использует. В моём случае микроконтроллеры фирмы STMicroelectronics, а так же Milandr (российские процессоры на ядре ARM).

Покупка данного девайса весьма затратна, особенно если сравнивать с себестоимостью компонентов - печатной платы и радиодеталей.

Решено было сделать программатор самостоятельно. За основу легли схемы отладочных плат для различных МК, в итоге получился полнофункциональный отладочный модуль и не только для stm32, но и для stm8 и даже миландровских чипов (проверено пока только на К1986ВЕ92, но думаю и другие тоже будут шиться и отлаживаться).

Основные функции:

программирование и отладка STM32;
программирование и отладка STM8;
программирование и отладка ARM Миландр.

Интерфейсы программирования:

SWD - до 4 МГц;
JTAG;
SWIM.

Сам программатор можно рассмотреть на фото выше. Провода растянутые по плате это лишь последующие доработки связанные с отсутствием необходимого светодиода (слева) и с необходимостью программировать платы без подачи на них питания (справа).

Ядром является контроллер stm32f103, который и используется во всех отладочных платах. На его входах и выходах устройства, я имею ввиду разъем для подключения программируемого микроконтроллера, установлены диоды для защиты от статики, диоды выбраны достаточно маленькие, но легко доступные и без особых сложностей впаиваемыми, даже людьми с ослабленным зрением, сам я впрочем и не жалуюсь со своими единичками на обоих глазах.

В качестве разъема для подключения к компьютеру используется microUSB, выбор пал только лишь из-за его современности по сравнению с его мини братом. У меня же самого на плате стоит именно мини, когда собирал заложенного микро не было в наличии.

После сборки и проверки на короткое замыкание подключаем устройство к компьютеру и видим что ничего не происходит, разве что программатор определяется как неизвестное устройство, причина в отсутствии прошивки.

Для обеспечения работы необходимо зашить по в микроконтроллер, для этого нам понадобиться usb-uart переходник, бутлоадер и утилита для прошивки .

Если с утилитой и переходником проблем на возникает, то с загрузчиком все несколько иначе - так как сама прошивка в контроллерах на отладочных платах заблокирована от считывания и вытащить у меня не получилось. Благо живем в современном мире, где есть интернет.

Решение было найдено на одном из многочисленных форумов - бинарник прошивки. Правда была проблема, после прошивки контроллера программатор определялся, но работать не хотел, зато спокойно прошивался через st-link utility, было решено подчистить файл прошивки, удалив все лишнее, оставив только сам загрузчик.

Как можно догадаться все удалось и теперь загрузчик можно взять .

Для заливки используем разъем P1, выводы 3 и 4 которого замыкаем вместе, переводя микроконтроллер в режим загрузки по usart1. Подключаем uart переходники подаем питание на плату программатора, можно через usb разъем.

В утилите выбираем используемый последовательный порт и следуем остальным инструкциям. Этот процесс в картинках описывать нет смысла - все довольно тривиально.