STM32CubeProgrammer: прошивка STM32 через ST-LINK и загрузчик

Установка и требования

Пакет скачивается со страницы STM32CubeProg на st.com: отдельные архивы для 32- и 64-битной Windows, macOS на Apple Silicon и Intel, Linux x86-64 и Linux Arm. Внутри — установщик SetupSTM32CubeProgrammer-x.y.z (.exe, .linux или .app); консольную версию для 64-битного Linux на Arm можно поставить и Debian-пакетом.

Драйверы. В Windows драйвер ST-LINK ставится файлом stlink_winusb_install.bat из папки Driver/stsw-link009_v3 пакета. По техническому примечанию TN1235 для ST-LINK/V2 и V2-1 в Windows 10 и 11 он обязателен, для STLINK-V3 — нет; если подключить ST-LINK/V2 до установки драйвера, часть его интерфейсов система покажет как неизвестные устройства. Для USB DFU нужен свой драйвер — файл STM32 Bootloader.bat; если в системе стоит драйвер старой программы DfuSe, его сначала удаляют и перезагружают компьютер.

В Linux нужен пакет libusb (sudo apt-get install libusb-1.0.0-dev в Ubuntu, sudo dnf install libusb1 в Fedora), а чтобы ST-LINK, J-Link и устройства DFU были доступны без прав администратора — правила udev из папки Driver/rules:

sudo cp *.* /etc/udev/rules.d

В macOS ST-LINK работает без драйвера.

Чем подключаться

Подключение выбирают в панели настройки цели: ST-LINK, J-Link или один из интерфейсов встроенного загрузчика. Кнопка обновления рядом показывает найденные устройства — серийные номера программаторов, COM-порты или устройства USB в режиме DFU.

Встроенный загрузчик находится в системной памяти STM32 и запускается, если при сбросе выводы BOOT или байты конфигурации выбирают загрузку из неё. Какие интерфейсы есть у загрузчика конкретной серии и на каких выводах, перечислено в примечании ST AN2606, а как устроены загрузчик и выводы BOOT у STM32F1 и STM32F4 — на странице «Flash и загрузчик STM32». Для UART руководство UM2237 требует чётность «even», 8 бит данных, 1 стоповый бит и выключенное управление потоком; линии RTS и DTR адаптера можно выставить в нужный уровень (rts=low, dtr=high). USB DFU по умолчанию ищет устройство с идентификаторами ST: VID 0x0483, PID 0xDF11. Для I²C адрес загрузчика обязателен и зависит от серии: в примере ST для STM32F42xxx это 0x38.

Режимы подключения ST-LINK

Reset mode выбирает, как сбрасывать микроконтроллер: программно через регистр AIRCR ядра (Software system reset, в CLI reset=SWrst, по умолчанию), выводом NRST (Hardware reset, HWrst) или сбросом только ядра Cortex-M, без периферии (Core reset, Crst; у Cortex-M33, M55 и M85 его нет). Аппаратный сброс и подключение под сбросом работают, только если вывод сброса ST-LINK соединён с NRST микроконтроллера: у ST-LINK/V2 это контакт 15 20-контактного разъёма, у STLINK-V3 с разъёмом STDC14 — контакт 12, у встроенного ST-LINK плат Nucleo — контакт 5 разъёма SWD. Расположение контактов — на странице «Распиновка JTAG и SWD».

В той же панели видны напряжение питания цели, измеренное программатором, и версия прошивки ST-LINK. Режим Shared разрешает нескольким программам — например, STM32CubeProgrammer и отладчику среды — одновременно работать с одним ST-LINK; по документации ST этот режим поддерживается только в Windows. Если ST-LINK подключено несколько, нужный выбирают по серийному номеру (sn=…).

Частота. ST-LINK поддерживает только фиксированный ряд частот, и введённое значение округляется до ближайшего большего из ряда (UM2237):

Это умолчания самой программы: в руководстве UM1075 у ST-LINK/V2 собственные значения по умолчанию — SWD 1,8 МГц и JTAG 1,125 МГц. При проблемах с монтажом — длинных проводах, макетной плате — частоту снижают ключом freq= (в килогерцах). JTAG есть не у всех ST-LINK, встроенных в платы Nucleo и Discovery, а выбор частоты JTAG работает с прошивкой ST-LINK V2J23 и новее.

Запись, проверка и стирание в графической программе

После нажатия Connect в панели появляются сведения о микроконтроллере. Дальше работают три вкладки слева.

• Memory & File editing — чтение памяти: адрес, размер, кнопка Read или Read All для всей флеш-памяти. Прочитанное сохраняется в .bin, .hex или .srec. Здесь же открывают файл прошивки и сравнивают его с памятью.
• Erasing & Programming — выбрать файл, для .bin указать адрес, отметить нужные флажки и нажать Start Programming. Verify after programming читает записанное и сравнивает с файлом побайтно, Skip flash memory erase пропускает стирание (только если память заведомо чистая), Run after programming запускает программу. Там же стирают отдельные секторы или всю память кнопкой Full chip erase.
• Option bytes — байты конфигурации, сгруппированные по назначению, с описанием каждого бита; кнопка Apply записывает изменения и проверяет их.

Адрес записи. Файлы HEX, S-record и ELF содержат адреса внутри, поэтому программа берёт их из файла. В BIN-файле адресов нет — его нужно указать самому; для программы, которая стартует из флеш-памяти STM32, это обычно 0x08000000. Чем различаются форматы и как получить из ELF файл HEX или BIN — в статье «Файлы прошивки: HEX, BIN, ELF».

Плата Nucleo или Discovery. ST советует подключать её к компьютеру разъёмом USB со стороны ST-LINK (на платах с двумя одинаковыми разъёмами второй — USB USER) и проверить, что перемычка выбора питания стоит в положении питания от ST-LINK. Затем Connect, вкладка Erasing & Programming, выбрать файл кнопкой Browse и нажать Start Programming.

Командная строка: STM32_Programmer_CLI

Консольная программа лежит в папке bin установленной STM32CubeProgrammer:

Почти все действия требуют сначала подключиться ключом -c port=… с параметрами (без него работает, например, -l); ключ проверки -v ставят сразу после -w, иначе он игнорируется.

# список ST-LINK, COM-портов и устройств DFU
STM32_Programmer_CLI -l

# записать HEX через ST-LINK, проверить и сбросить микроконтроллер
STM32_Programmer_CLI -c port=SWD -w firmware.hex -v -rst

# записать BIN с адреса 0x08000000 и запустить программу с этого адреса
STM32_Programmer_CLI -c port=SWD -w firmware.bin 0x08000000 -v -s 0x08000000

# подключиться под сбросом на пониженной частоте и стереть всю флеш-память
STM32_Programmer_CLI -c port=SWD mode=UR freq=1000 -e all

# сохранить 64 КБ флеш-памяти в файл
STM32_Programmer_CLI -c port=SWD -r 0x08000000 0x10000 backup.bin

# прошивка через встроенный загрузчик: UART и USB DFU
STM32_Programmer_CLI -c port=COM5 br=115200 -w firmware.bin 0x08000000 -v
STM32_Programmer_CLI -c port=usb1 -w firmware.hex

Для параллельной прошивки нескольких плат запускают несколько экземпляров программы, и каждому указывают серийный номер своего ST-LINK: -c port=SWD sn=…. При этом ST в FAQ к версии 2.23.0 подчёркивает, что STM32CubeProgrammer — инструмент разработки и по условиям лицензии не предназначен для серийного программирования на производстве.

Option bytes и защита от чтения

Байты конфигурации (option bytes) — отдельная область флеш-памяти, где хранятся настройки микроконтроллера: уровень защиты от чтения, защита секторов от записи, режим сторожевого таймера, выбор загрузки и другие. Их набор и имена у каждой серии свои, поэтому сначала стоит посмотреть, как их называет сама программа:

STM32_Programmer_CLI -c port=SWD -ob displ

Байт RDP задаёт защиту от чтения. На уровне 1 отладчик и загрузчик не могут читать флеш-память, но программа в ней работает как обычно. Снимают защиту командой -rdu или сменой RDP на вкладке Option bytes. Главное последствие задаёт сам микроконтроллер, а не программа: у STM32F1 перед снятием защиты стирается вся основная флеш-память (PM0075, разд. 2.4.1), у STM32F4 переход с уровня 1 на 0 стирает флеш-память и резервную SRAM (RM0090, разд. 3.7.3). Поэтому снятие RDP — способ вернуть заблокированный микроконтроллер к жизни, а не прочитать чужую прошивку. Если защиту меняли через отладчик, после этого нужен сброс по питанию: отключите и снова подайте питание платы (PM0075, RM0090); при снятии через загрузчик у STM32F1 достаточно системного сброса. У STM32F1 уровней нет: защита либо включена, либо снята, а уровня 2 у этой серии не существует (PM0075). Для других серий порядок описан в их reference manual.

У новых серий STM32 есть и другие механизмы: снятие защиты по паролю (RDP regression with password) и аутентификация отладки (Debug Authentication). STM32CubeProgrammer работает с ними на отдельных вкладках; по списку известных ограничений версии 2.23.0, снятие RDP по паролю и возврат к заводским настройкам поддерживаются только через ST-LINK.

ST-LINK: модели, драйвер и прошивка

Драйвер из пакета STM32CubeProgrammer рассчитан на ST-LINK/V2, ST-LINK/V2-1 (его встраивают в платы ST), STLINK-V3 и STLINK-V3PWR. Различия, которые видны при работе с программой:

Подробное сравнение с J-Link, CMSIS-DAP и программаторами для других семейств — в статье «Программаторы и отладчики».

Обновление прошивки ST-LINK. Версия прошивки показана в панели настроек ST-LINK, рядом — кнопка обновления. Есть и отдельная программа STLinkUpgrade из пакета STSW-LINK007 (вариант .exe для Windows и .jar для Windows, Linux и macOS); она сама определяет модель и подбирает прошивку. Прерывать обновление нельзя: по TN1235 сбой на этом этапе может сделать программатор трудно восстановимым или вовсе неработоспособным. Некоторые функции требуют свежей прошивки: например, для поиска нескольких микроконтроллеров на одной шине SWD (команда -getTargetSelList) старая прошивка выдаёт сообщение «Too Old Firmware, please upgrade your STLINK!».

Светодиод COM на ST-LINK подсказывает, где сбой (UM1075, TN1235): мигает красным и затем горит оранжевым — компьютер не смог определить USB-устройство (проверить кабель и разъём); горит оранжевым — последний обмен с микроконтроллером не удался; зелёный — последний обмен прошёл успешно.

Частые ошибки

В руководстве ST расшифровано только сообщение команды -getTargetSelList: «No STM32 Target Found!» — ни одной платы не найдено. Остальные сообщения о неудачном подключении ST не описывает, поэтому ниже — проверки, которые следуют из документации на программу и программатор.

Если причина не видна, добавьте к команде -vb 3 или -log trace.log — программа запишет весь обмен с программатором, и по нему видно, на каком шаге он оборвался. Список исправленных и известных ошибок каждой версии ST ведёт на своей вики (нужна учётная запись).

Как подключить ST-LINK к плате, показано на странице «Распиновка JTAG и SWD», а сравнение STM32CubeProgrammer с другими утилитами прошивки — в обзоре «Программы для электронщика».