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ST-Link Utility: STM32 烧录与调试工具详解

在 STM32 微控制器开发领域，ST-Link 调试器是不可或缺的工具。它不仅是连接开发板与计算机的桥梁，更是实现程序烧录（Flashing）和代码调试（Debugging）的核心。本文将详细介绍 ST-Link 的作用、其配套软件 ST-Link Utility 和 STM32CubeProgrammer 的功能，以及如何利用它们进行 STM32 的烧录与调试。

1. 引言

STM32 系列微控制器以其高性能、丰富的外设和灵活的开发环境，在嵌入式系统设计中占据主导地位。为了将我们编写的代码下载到 STM32 芯片中并对其进行功能验证和错误排查，我们需要一个专用的接口和配套软件。ST-Link 就是 STMicroelectronics 官方提供的解决方案，它通过 ST-Link Utility 或更现代的 STM32CubeProgrammer 软件，为开发者提供了强大的烧录和调试能力。

2. ST-Link 概述

ST-Link 是一种串行调试和编程工具，用于 STM8 和 STM32 微控制器。它通常以两种形式存在：
* 独立调试器： USB 接口的硬件模块，如 ST-Link/V2、ST-Link/V3，用于连接任何基于 STM32 的定制开发板。
* 集成调试器： 在许多 STMicroelectronics 的开发板（如 Nucleo、Discovery 系列）上，ST-Link 功能被直接集成在板载电路上，用户只需通过 USB 线连接电脑即可。

ST-Link 支持两种主要的通信接口：
* SWD (Serial Wire Debug)： 串行线调试，使用两根信号线（SWDIO 和 SWCLK）进行数据传输，是目前 STM32 开发中最常用、最便捷的调试接口。
* JTAG (Joint Test Action Group)： 联合测试行动组，使用四到五根信号线，提供更全面的调试功能，但接线相对复杂。

无论哪种形式，ST-Link 的核心作用都是作为主机（PC）与目标微控制器（STM32）之间的桥梁，传递烧录数据和调试指令。

3. ST-Link Utility 与 STM32CubeProgrammer

STMicroelectronics 提供了两款主要的软件来配合 ST-Link 使用：传统的 ST-Link Utility (STSW-LINK004) 和推荐的现代一体化工具 STM32CubeProgrammer (STM32CubeProg)。

3.1 ST-Link Utility (STSW-LINK004) – 传统工具

ST-Link Utility 是一款历史悠久但功能依然强大的烧录工具，主要用于 STM32 微控制器。其核心功能包括：
* 编程与验证： 允许用户擦除、烧录、查看和验证目标设备的 Flash 内存内容。支持多种文件格式，如 Motorola S19、Intel HEX 和二进制文件（.bin）。
* 内存操作： 可以显示和修改内存内容，并支持烧录外部存储器，甚至支持自定义加载器。
* Option Bytes 配置： 配置选项字节，这些字节控制着设备的各种特定设置，例如读保护、看门狗等。
* 命令行接口 (CLI)： 提供命令行工具，方便自动化烧录任务，如擦除、验证、编程和配置选项字节。
* 调试辅助： 包含 Live-update 模式下的内存和核心状态视图，以及通过 SWO Viewer 输出 Printf 信息等辅助调试功能。
* 固件管理： 用于更新 ST-Link/V2 调试器的固件，以确保兼容性和最新功能。

3.2 STM32CubeProgrammer (STM32CubeProg) – 现代一体化工具

STM32CubeProgrammer 是 STMicroelectronics 官方推荐的最新一代烧录和调试工具，它整合了 ST-Link Utility 等多个旧工具的功能，提供了一个更全面、更强大的统一平台。
* 全面的设备支持： 适用于所有 STM32 产品，支持内部存储器（Flash、RAM、OTP）和外部存储器。
* 多接口支持： 不仅支持通过 ST-Link 或 SEGGER J-Link 等调试接口烧录，还支持通过引导加载程序接口（如 UART、USB DFU、I2C、SPI 和 CAN）进行烧录。
* 高级编程功能： 支持选项字节的编程和上传、编程内容的验证、以及通过脚本进行自动化操作。支持 Motorola S19、Intel HEX、ELF 和二进制文件格式。
* 用户界面： 同时提供图形用户界面 (GUI) 和命令行接口 (CLI) 版本，满足不同用户的需求。
* 安全功能： 集成了 STM32 Trusted Package Creator 工具，用于创建安全固件，通过固件加密保护知识产权。
* 跨平台： 支持 Windows、Linux 和 macOS 等多种操作系统。

推荐： 对于新的开发项目，强烈建议使用功能更强大、更新维护更及时的 STM32CubeProgrammer。

4. STM32 烧录 (Flashing)

烧录是将编译好的固件（程序）下载到 STM32 微控制器内部 Flash 存储器中的过程。

4.1 硬件连接

正确的硬件连接是成功烧录的前提。
1. 连接 ST-Link 到目标板：
* 对于独立 ST-Link 调试器： 通过 SWD 或 JTAG 接口将 ST-Link 连接到目标 STM32 开发板。确保以下关键引脚正确连接：
* SWDIO： 串行数据输入/输出
* SWCLK： 串行时钟
* GND： 接地
* VCC/VDD： 目标板电源（通常用于 ST-Link 感知目标板电压，不用于供电）
* NRST (可选)： 复位引脚
* SWO (可选)： 串行线输出，用于调试信息输出
* 对于集成 ST-Link 开发板： 只需通过 USB 数据线将开发板连接到电脑即可。
2. 目标板供电： 确保 STM32 目标板已正确供电。

4.2 软件准备

安装驱动： 确保 ST-Link 驱动程序已正确安装。通常，安装 STM32CubeProgrammer 或 STM32CubeIDE 时会自动安装驱动。
安装 STM32CubeProgrammer： 从 STMicroelectronics 官网下载并安装 STM32CubeProgrammer。
可选：STM32CubeIDE： 如果您使用 STM32CubeIDE 进行开发，它内部集成了烧录和调试功能，通常无需单独打开 STM32CubeProgrammer。

4.3 烧录流程 (以 STM32CubeProgrammer GUI 为例)

打开 STM32CubeProgrammer。
选择连接方式： 在主界面左上角选择“ST-LINK”，确保“Port”显示 ST-Link 设备的序列号。
连接目标： 点击“Connect”按钮。如果连接成功，软件会读取并显示目标 STM32 的信息（型号、Flash 大小等）。
加载固件：
- 切换到“Erasing & Programming”标签页（通常是第一个图标）。
- 点击“Browse”按钮，选择您编译好的固件文件（.hex, .bin, .elf）。
配置烧录选项：
- 通常会勾选“Full chip erase”（全片擦除）以确保Flash干净。
- 勾选“Verify programming”（验证编程）以确保数据正确写入。
- 勾选“Run after programming”（烧录后运行）以在烧录完成后自动启动程序。
开始烧录： 点击“Start Programming”按钮。软件将执行擦除、写入和验证操作。
完成： 烧录完成后，软件会显示成功信息。

5. STM32 调试 (Debugging)

调试是查找和修复代码中错误的关键环节。ST-Link 配合 IDE（如 STM32CubeIDE、Keil MDK、IAR Embedded Workbench）提供强大的调试功能。

5.1 启动调试会话

在 IDE 中打开项目： 确保您的项目已在 IDE 中正确配置，并且选择了 ST-Link 作为调试器。
启动调试： 在 IDE 中点击调试按钮（通常是一个虫子图标）。IDE 会编译项目（如果尚未编译）、将程序下载到 STM32，并启动调试会话。程序会在 main() 函数的开头或您设置的第一个断点处暂停。

5.2 核心调试功能

断点 (Breakpoints)：
- 在代码的任意行设置断点。当程序执行到断点处时，会自动暂停。
- 这允许您检查程序在该特定点的状态。
单步执行 (Step-by-step Execution)：
- Step Over (步过)： 执行当前行代码，如果当前行是函数调用，则将整个函数作为一步执行，不进入函数内部。
- Step Into (步入)： 执行当前行代码，如果当前行是函数调用，则进入函数内部，并在函数的第一行暂停。
- Step Out (步出)： 从当前函数中跳出，执行完当前函数的剩余部分，并在调用该函数的下一行暂停。
继续运行 (Resume)： 让程序从当前暂停点继续执行，直到遇到下一个断点或程序结束。
停止调试 (Terminate)： 结束当前的调试会话。
内存和寄存器视图 (Memory and Register Views)：
- 在调试模式下，IDE 会提供窗口来实时查看 STM32 内部所有寄存器（如 CPU 寄存器、外设寄存器）的值。
- 您还可以查看任意内存地址的内容，这对于检查变量值、栈数据或 Flash 中的程序代码非常有用。
实时表达式 (Live Expressions) / 变量视图：
- 添加您关注的变量或表达式到“Watch”窗口。
- 在程序运行时（暂停时或单步执行时），这些变量的值会实时更新，方便您观察数据流变化。

5.3 高级调试功能

串行线查看器 (Serial Wire Viewer – SWV)：
- SWV 是一个非侵入式的调试功能，它利用 ST-Link 的 SWO 引脚将调试信息（如 printf 输出、数据追踪、事件计数器）从 STM32 发送到 PC。
- 通过在 IDE 中启用 SWV，您可以无需额外的 UART 连接就能在调试控制台看到程序的输出信息，极大方便了调试。
- 确保 SWO 引脚（通常是 PB3 或类似的复用功能引脚）已正确连接。
追踪 (Trace)：
- 某些高级 ST-Link 调试器（如 ST-Link/V3）和 STM32 微控制器支持更复杂的指令追踪功能，可以记录程序执行的路径和事件，帮助分析复杂的时序问题。

6. ST-Link 固件更新

为了保持 ST-Link 的最佳性能、兼容性和获取最新功能，定期更新其固件非常重要。
1. 使用 STM32CubeProgrammer 或 ST-Link Utility： 这两款软件都提供了 ST-Link 固件更新功能。
2. 连接 ST-Link： 将 ST-Link 调试器（或带集成 ST-Link 的开发板）通过 USB 连接到电脑。
3. 启动更新工具： 在 STM32CubeProgrammer 中，可以在“ST-LINK”连接选项卡中找到“Firmware Update”按钮。在 ST-Link Utility 中，通常在菜单栏中。
4. 检查并更新： 软件会检测当前固件版本和是否有可用更新，按照提示进行更新即可。

7. 总结

ST-Link 及其配套的 ST-Link Utility 和 STM32CubeProgrammer 软件是 STM32 开发者的得力助手。它们简化了 STM32 微控制器的烧录过程，并提供了强大的调试能力，帮助开发者高效地将代码部署到硬件上，并快速定位和解决问题。随着技术的发展，推荐大家积极拥抱功能更全面、更新更及时的 STM32CubeProgrammer，以获得最佳的开发体验。掌握这些工具的使用，将极大地提升您在 STM32 嵌入式系统开发中的效率。
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This article covers the requested details about ST-Link Utility, STM32CubeProgrammer, and the processes of flashing and debugging STM32 microcontrollers. It explains the hardware and software aspects, core features, and step-by-step guides.

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