从零搞懂STM32F4：自举、Bootloader和ISP烧录的“前世今生”

只看该作者 · 2025-7-5 17:36

本帖最后由 DKENNY 于 2025-7-5 17:35 编辑

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前言
   大家好！作为STM32新手，我刚开始学STM32F4时，对“芯片自举”和“Bootloader”傻傻分不清，尤其看到参考手册里说“自举程序”支持串口（USART）和CAN烧录，更懵了：这俩到底啥区别？ISP烧录又是啥？串口和CAN跟它啥关系？今天跟大家简单分享一下。

一、芯片自举和Bootloader：用门锁比喻搞清楚
   咱们先用一个生活化的比喻，把“芯片自举”和“Bootloader”区分开：
   - 芯片自举：假设我们有个智能门锁，通电后，它会自动跑一个“开机程序”（厂家固化在里面）。这个程序只干一件事：根据你按的按钮（比如“开门”或“设置”），决定是直接开锁，还是进入“更新模式”。在STM32F4里，自举程序（System Boot）是芯片上电后第一时间运行的“引导员”，根据BOOT引脚的状态，决定从哪里（Flash、系统存储器、SRAM）开始跑代码。
   - Bootloader：这就像你给门锁装了个“高级管理程序”，可以通过手机App更新门锁的固件（比如加个新功能）。这个程序不是门锁出厂自带的，而是用户或厂家烧进去的，功能更灵活。STM32F4的Bootloader是“程序管家”，负责通过串口（USART）、CAN等接口接收新程序并写入Flash。

   一句话区别：
      - 自举是芯片自带的“导航员”，只负责“指路”，决定启动哪块代码。
      - Bootloader是“搬运工”，负责接收新程序、写入Flash，方便更新固件。

   为啥容易混淆？
   因为STM32F4的系统存储器（ROM）里同时有自举程序和ST公司提供的内置Bootloader，尤其在ISP烧录时，两者都参与了，容易让人觉得是一个东西。其实它们是“接力”关系：自举先跑，Bootloader后干活。

   简单图示描述

二、STM32F4的芯片自举：它到底干啥？

1. 自举的本质
   根据STM32F4参考手册，自举程序是ST公司固化在系统存储器（System Memory，ROM，地址从0x1FFF 0000开始）里的一段小程序。你无法修改它，也看不到代码。它的任务是：上电后，根据BOOT0和BOOT1引脚的电平，决定芯片从哪里启动代码。

2. 自举的工作流程
    1. 上电：给STM32F4开发板通电，芯片开始工作。
   2. 运行自举程序：芯片自动跳转到系统存储器的自举程序。
   3. 检查BOOT引脚：自举程序读取BOOT0和BOOT1的状态：
         - BOOT0=0，BOOT1=任意：从主Flash存储器（Main Flash Memory）启动，跑你烧录的程序（比如点灯代码）。
         - System: 芯片自举：STM32F4的“导航员”，上电后第一时间运行，根据BOOT引脚状态决定启动区域（Flash、系统存储器或SRAM）。
         - Bootloader：STM32F4的“程序管家”，负责通过接口（如USART或CAN）接收新程序并写入Flash，方便固件更新。
         - ISP（系统内编程）：一种通过通信接口（如USART或CAN）烧录程序的方式，依赖内置Bootloader实现，USART是最常用的接口，CAN适用于工业场景。

   手册中的“自举烧录”：指自举程序跳转到内置Bootloader，由Bootloader完成串口或CAN烧录。

三、ISP烧录的完整过程：自举和Bootloader的角色
   以通过USART的ISP烧录为例，详细拆解过程（CAN烧录类似，只是接口不同）：
      1. 设置BOOT引脚：
         - 将开发板的BOOT0设为1，BOOT1设为0（用跳帽或开关，查开发板说明书）。
         - 这告诉自举程序进入“系统存储器”模式。
      2. 上电，运行自举程序：
         - 芯片通电，自举程序（ROM里）自动运行。
         - 自举程序检测BOOT0=1、BOOT1=0，跳转到系统存储器的内置Bootloader。
         - 自举的角色：像个“导航员”，根据BOOT引脚把控制权交给Bootloader，然后退出。
      3. Bootloader接管：
         - 内置Bootloader启动，初始化USART接口（比如UART1，PA9/PA10）。
         - 你用STM32CubeProgrammer通过USB转串口模块（如CH340）发送程序（.hex或.bin）。
         - Bootloader接收数据，擦除Flash指定区域，写入新程序，验证正确性。
         - Bootloader的角色：像个“搬运工”，把程序从串口搬到Flash。
      4. 运行新程序：
         - 烧录完成后，改BOOT0为0，复位芯片。
         - 自举程序检测BOOT0=0，跳转到Flash，运行新程序（比如点灯）。

   与CAN烧录的区别：
         - 硬件：用CAN收发器（如TJA1050）连接CAN2引脚（比如PB5/PB13）。
         - 软件：用STM32CubeProgrammer的CAN模式发送程序，Bootloader通过CAN协议接收。
         - 流程类似，但CAN更适合抗干扰的工业环境，配置稍复杂。

   简单图示描述

四、为什么手册说“自举程序”支持串口/CAN烧录？
   STM32F4参考手册和AN2606（Bootloader应用笔记）提到“自举程序”支持USART/CAN烧录，容易让人误以为自举程序直接处理烧录。其实，手册里的“自举程序”是个广义说法，指整个启动过程，包括：
      - 自举程序：只负责根据BOOT引脚跳转到内置Bootloader。
      - 内置Bootloader：真正处理串口（USART）或CAN烧录。

   澄清：自举程序不直接处理通信或烧录，它只是把芯片“带到”Bootloader，Bootloader才通过USART/CAN接收程序、写入Flash。

五、ISP、USART和CAN的关系
   - ISP（系统内编程）：一种烧录方式，通过芯片的通信接口（USART、CAN、USB等）把程序写入Flash，依赖内置Bootloader。
   - USART：串口通信接口，STM32F4的Bootloader支持UART1/3等，ISP最常用的方式（简单、成本低）。
   - CAN：控制器局域网接口，Bootloader支持CAN2，适合工业场景（抗干扰强，但需要CAN收发器）。

   关系：
      - ISP是目标（烧录程序），USART和CAN是实现ISP的“通道”。
      - 两者都靠Bootloader处理数据，自举程序只负责跳转。
      - 新手推荐用USART（简单），CAN多用于专业项目。

六、两者的区别和角色（表格总结）

特性	芯片自举	内置Bootloader
本质	固化在ROM的引导程序	固化在ROM的程序管理器
存储位置	系统存储器（ROM，不可改）	系统存储器（ROM，也不可改）
功能	根据BOOT引脚选择启动区域	通过USART/CAN等接收程序，写入Flash
ISP烧录角色	检查BOOT引脚，跳转到Bootloader	接收串口/CAN数据，写入Flash
接口支持	无（只检查引脚）	USART、CAN、USB等
灵活性	固定，无法修改	固定，但可被用户自定义Bootloader替代

七、新手常见问题和注意事项
   1. BOOT引脚怎么设置？
      - 查开发板说明书或原理图，找到BOOT0/BOOT1的跳帽或开关。ISP烧录设BOOT0=1，BOOT1=0；正常运行设BOOT0=0。
    2. USART烧录需要什么？
      - 硬件：USB转串口模块（CH340、FT232R），接UART引脚（比如PA9/PA10）。
      - 软件：STM32CubeProgrammer，选串口模式，波特率通常115200。
      - 确保线序正确，驱动正常。
   3. CAN烧录怎么弄？
      - 硬件：CAN收发器（TJA1050），接CAN2引脚（比如PB5/PB13）。
      - 软件：STM32CubeProgrammer（CAN模式）或专用CAN工具，波特率如250kbps。
      - 查AN2606确认协议要求。
   4. 烧录失败怎么办？
      - 检查BOOT引脚设置。
      - 确认接口连接（串口线、CAN收发器）。
      - 检查Flash是否锁定（用CubeProgrammer解锁）。
      - 试降低波特率或换设备。
   5. 需要自己写Bootloader吗？
      - 新手用ST的内置Bootloader就够，ISP烧录完全支持。想加WiFi、蓝牙更新功能，可学写自定义Bootloader。

八、总结：从懵圈到搞懂
   简单总结一下：
      - 芯片自举是STM32F4的“开机导航员”，上电后根据BOOT引脚决定去Flash跑程序，还是去Bootloader烧录。
      - Bootloader是“程序搬运工”，通过USART（串口）或CAN接收新程序，写入Flash，ISP烧录全靠它。
      - ISP烧录是把程序通过通信接口（常用USART，工业用CAN）写入Flash的方式，自举负责跳转，Bootloader负责烧录。
      - 手册的“自举烧录”是个广义说法，指自举跳转到Bootloader，由Bootloader完成串口/CAN烧录。

   简单举个例子：
   你做个STM32F4的智能灯项目，这样能够更好理解其区别：
      - 正常运行：BOOT0=0，自举跳转Flash，跑点灯程序。
      - 更新程序：BOOT0=1，自举跳转Bootloader，Bootloader通过串口（或CAN）接收新程序，写入Flash，再改BOOT0=0运行。

参考文档：

an2606-stm32-microcontroller-system-memory-boot-mode-stmicroelectronics.pdf (6.69 MB)

从零搞懂STM32F4：自举、Bootloader和ISP烧录的“前世今生”

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