ESP8266的自動(dòng)下載原理分析

串口自動(dòng)下載電路實(shí)質(zhì)為：上位機(jī)通過控制 USB 轉(zhuǎn)串口芯片 DTR、RTS 引腳電平，配合硬件電路使進(jìn)入芯片下載模式

自動(dòng)下載原理

串口下載的需要依賴 bootload，其流程為在芯片中先下載一個(gè) bootload , 進(jìn)入 bootload 后檢查是否進(jìn)入下載模式，如果未進(jìn)入下載程序，則跳轉(zhuǎn)到實(shí)際程序運(yùn)行。

根據(jù)進(jìn)入 bootload 的方式可分為兩種，一種為進(jìn)入 bootload 由外部引腳控制，例如 STM32 和 ESP8266。
一種是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)默認(rèn)進(jìn)入 bootload ，例如 STC 的 51 系列和一些自定義的 bootload 。

以 STM32 為例，在芯片出廠時(shí)在其系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)燒錄了一個(gè) bootload ，并通過其 boot0 和 boot1 引腳電平進(jìn)行選擇復(fù)位后進(jìn)入的存儲(chǔ)器。

對(duì)于自定義 bootload ，只能在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)進(jìn)入 bootload ,然后在 bootload 中進(jìn)行進(jìn)一步判斷處理。

自動(dòng)下載功能需要硬件和軟件兩部分支持，軟件部分包括由上位機(jī)提供的串口下載協(xié)議和串口流控信號(hào)。自動(dòng)下載硬件電路將串口流控信號(hào)，轉(zhuǎn)換為對(duì)于芯片所需的復(fù)位信號(hào)和boot引腳信號(hào)。

在串口下載的上位機(jī)程序中，需要控制串口的 DTR(Data Terminal Ready)、RTS(Request To Send) 引腳提供下載開始信號(hào)，然后由硬件電路轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的復(fù)位信號(hào)和 boot 信號(hào)。

ESP8266 的自動(dòng)下載原理分析

以 ESP8266 為例，ESP8266 進(jìn)入下載模式的條件為 GPIO0 引腳為低電平時(shí)，復(fù)位芯片( RSTEN 上升沿)。 即 GPIO0 = 0 RST = 0 -> 1

NodeMCU 的自動(dòng)下載電路如下如所示：

GPIO0 和 RST 默認(rèn)電平為高電平，且需要注意到 RST 引腳有一個(gè)復(fù)位電路。

其復(fù)位延時(shí)時(shí)間約為 1.15 ms。

其自動(dòng)復(fù)位電路類似三極管雙穩(wěn)態(tài)電路：

1. 當(dāng) DTR = 1,RTS = 1 時(shí), VT1截止，VT2截止, RST = 1; GPIO0 = 1
2. 當(dāng) DTR = 0,RTS = 0 時(shí), VT1截止，VT2截止, RST = 1; GPIO0 = 1
3. 當(dāng) DTR = 1,RTS = 0 時(shí), VT1導(dǎo)通，VT2截止, RST = 0; GPIO0 = 1
4. 當(dāng) DTR = 0,RTS = 1 時(shí), VT1截止，VT2導(dǎo)通, RST = 1; GPIO0 = 0

其真值表為：

在狀態(tài) 3) 下載電路 RST 引腳為低，進(jìn)入復(fù)位模式；
在狀態(tài) 4) 下載電路 GPIO0 引腳為低。

由于 RST 引腳帶有復(fù)位電路，在 RST 引腳電平變?yōu)楦唠娖胶?，?huì)有一段時(shí)間延時(shí)才能恢復(fù)高電平。所以只需要在上位機(jī)代碼中控制 DTR&RTS 引腳電平，依次進(jìn)入狀態(tài)3和狀態(tài)4，ESP8266 就可以進(jìn)入下載模式。

查看 ESP8266 下載工具 pytool.py 代碼：

# 已刪減無關(guān)代碼，原代碼 https://hub.fastgit.org/espressif/esptool/blob/master/esptool.py#L570
# RTS = either CH_PD/EN or nRESET (both active low = chip in reset
# DTR = GPIO0 (active low = boot to flasher)

# DTR & RTS are active low signals,
# ie True = pin @ 0V, False = pin @ VCC.
# 進(jìn)入狀態(tài) 3)
self._setDTR(False)  # IO0=HIGH
self._setRTS(True)   # EN=LOW, chip in reset
time.sleep(0.1)
# 進(jìn)入狀態(tài) 4)
self._setDTR(True)   # IO0=LOW
self._setRTS(False)  # EN=HIGH, chip out of reset
time.sleep(0.05)
# 恢復(fù) Flash 啟動(dòng)模式
self._setDTR(False)  # IO0=HIGH, done

使用邏輯分析儀抓取的下載時(shí)的 DTR、RTS 信號(hào)如下圖所示。

其中紅框所標(biāo)識(shí)的就是狀態(tài) 3 -> 4 的變化。由于執(zhí)行代碼也需要時(shí)間，實(shí)際狀態(tài)變化并不是由狀態(tài)3直接進(jìn)入狀態(tài)4，但是狀態(tài)1和2并不會(huì)對(duì)下載電路產(chǎn)生影響。

其他

對(duì)于不需要 boot 引腳即可進(jìn)入下載模式的bootload，其自動(dòng)下載同樣是使用上位機(jī)控制 DTRRTS 引腳，只不過它只需要使用一個(gè)引腳讓芯片在下載前進(jìn)入復(fù)位模式即可。

通過上面分析，就可以解釋為什么有時(shí)在使用串口軟件打開串口后，芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位。
這是因?yàn)樵诖谲浖心J(rèn)開啟了流控，其流控引腳導(dǎo)致芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，所以只需關(guān)閉串口軟件流控，即可避免該現(xiàn)象發(fā)生。