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STM32MP1 系列（MP15x/MP13x）自举程序通过 USB DFU（Device Firmware Upgrade）和 USART 协议，实现非易失性存储器（NVM）的嵌入式编程，支持外部 Flash（NAND/NOR/eMMC/SD）、OTP、PMIC NVM 等器件的固件下载与烧录。本文基于 AN5275 应用笔记，拆解两种协议的核心配置、编程序列、指令集与实操要点，覆盖 “从复位编程” 和 “从 U-Boot 编程” 两大场景，助力快速落地编程服务。
资料获取：STM32MP1 系列自举程序中使用的 USB DFU/USART 协议
1. 协议核心概述
1.1 核心用途与支持范围
- 嵌入式编程服务：通过 STM32CubeProgrammer 工具，经 USB/USART 接口将二进制文件写入 NVM，涉及 ROM 代码、TF-A（FSBL）、U-Boot（SSBL）三级协同；
- 支持 NVM 类型：外部 Flash（NAND/NOR/eMMC/SD 卡）、片上 OTP、PMIC（如 STPMIC1）的 NVM；
- 适配系列：STM32MP15x（ROM 代码与 TF-A 共享 USB 描述符）、STM32MP13x（FSBL 阶段需重新枚举 USB）。
1.2 编程序列两大核心场景
- 场景 1：从复位编程（首次烧录）：通过启动引脚选择外设，ROM 代码加载 TF-A→TF-A 初始化 DDR 并加载 U-Boot→U-Boot 解析布局文件并编程 NVM；
- 场景 2：从 U-Boot 编程（固件更新）：已烧录器件通过按键、控制台指令或 Linux 重启模式进入编程模式，直接由 U-Boot 提供编程服务。
1.3 关键概念：阶段 ID（Phase ID）
阶段 ID 用于标识待下载的分区，是协议通信的核心标识，关键 ID 含义如下：
- 0x00：布局文件（TSV 格式，定义分区列表）；
- 0x01：FSBL（TF-A），由 ROM 代码加载；
- 0x03：SSBL（U-Boot，含 FIP 映像），由 TF-A 加载；
- 0x10~0xF0：用户分区（uImage、dtb、rootfs 等）；
- 0xF1：虚拟分区（用于 GetPhase/SetOffset 指令）；
- 0xF2：OTP 分区；
- 0xF4：PMIC NVM 分区；
- 0xFE：操作结束；
- 0xFF：复位（错误时返回）。
2. USART 协议详解：串口编程实现
2.1 核心配置（ROM 代码默认设置）
- 波特率：115200；
- 数据格式：8 位数据位 + 1 位起始位 + 1 位停止位 + 偶校验（EVEN）；
- 连接触发：ROM 代码扫描所有 USART_RX 引脚，接收 0x7F 数据帧后建立连接。
2.2 主循环与通信流程
- 主机发送 0x7F 触发 USART 连接；
- 主机通过 Get 指令获取支持的指令列表，再通过 GetPhase 获取当前阶段 ID；
- 按阶段 ID 下载对应映像（TF-A→U-Boot→布局文件→用户分区）；
- 每包数据含校验和（字节异或），器件返回 ACK（0x79）、NACK（0x1F）或 ABORT（0x5F）响应；
- 所有分区下载完成后，发送 0xFE 标识操作结束，器件复位。
2.3 核心指令集（关键指令详解）
| 指令代码 | 指令名称 | 核心功能 | 响应格式要点 |
|---|---|---|---|
| 0x00 | Get | 获取自举程序版本与支持指令 | 含 ACK + 版本号 + 指令代码列表 + 尾 ACK |
| 0x02 | Get ID | 获取芯片 ID | 0x0500（MP15x）/0x0501（MP13x） |
| 0x03 | Get Phase | 获取下一个分区 ID | 含阶段 ID + 下载地址（0xFFFFFFFF 表示写入 NVM） + 附加信息 |
| 0x31 | Download | 下载映像到 RAM/NVM | 含数据包编号 + 数据块（最大 256 字节） + 校验和 |
| 0x12 | Read Partition | 读取分区数据 | 需指定分区 ID 与偏移量，返回最多 256 字节 |
| 0x21 | Start | 跳转到 RAM 执行代码或刷新 NVM | 地址为 0xFFFFFFFF 时完成 NVM 写入 |
3. USB DFU 协议详解：高速编程实现
3.1 协议基础（基于 DFU v1.1）
- 核心差异：DFU_DETACH 在 dfuIDLE 状态可接受，返回 appIDLE 模式；不支持 STM32 MCU 的 DFUSE 扩展；
- 核心优势：传输速率高于 USART，适合大容量映像（如 rootfs）烧录；
- 枚举特点：通过 “替代设置” 映射分区，每个替代设置对应一个阶段 ID。
3.2 关键概念：替代设置与虚拟分区
- 替代设置：USB 枚举时，每个分区对应一个替代设置，字符串描述符含分区 ID、大小、类型（E = 可写，A = 可读）；
- 虚拟分区 0xF1：用于核心指令交互，支持：
- DFU_UPLOAD：获取 GetPhase 结果（阶段 ID、下载地址、偏移）；
- DFU_DOWNLOAD：SetOffset（设置分区偏移）、Start（跳转到指定地址执行）。
3.3 编程序列（以 MP15x 为例）
- 器件上电，ROM 代码初始化 USB 并枚举为 DFU v1.1 设备；
- 主机通过替代设置 1 下载 TF-A（阶段 ID=0x01），器件进入 dfuMANIFESTSYNC 状态；
- TF-A 启动后恢复 USB 连接（无需重新枚举），主机下载 U-Boot（阶段 ID=0x03）；
- U-Boot 初始化后，主机下载布局文件（阶段 ID=0x00），器件重新枚举并列出所有分区替代设置；
- 按替代设置依次下载用户分区，每完成一个分区执行 DFU 表现（刷新 NVM）；
- 发送 0xFE 结束操作，器件复位。
3.4 核心指令交互（基于虚拟分区 0xF1）
| 指令类型 | 核心功能 | 数据格式 |
|---|---|---|
| DFU_UPLOAD | GetPhase：获取当前阶段 ID | 响应含阶段 ID + 下载地址 + 偏移 + 附加信息 |
| DFU_DOWNLOAD | SetOffset：设置分区偏移 | 数据含阶段 ID（0x00~0xF0） + 分区偏移（4 字节） |
| DFU_DOWNLOAD | Start：执行代码 | 数据含 0xFF + 目标地址（4 字节） |
4. 实操关键要点与避坑指南
4.1 布局文件（TSV 格式）
- 核心作用：定义分区列表，含阶段 ID、映像路径、目标 NVM、起始地址、大小；
- 示例字段：
PhaseID ImagePath NVMTarget Address Size； - 必须与阶段 ID 一一对应，否则会导致烧录失败。
4.2 映像预处理要求
- 加 STM32 头文件：MP15x 用版本 1（256 字节），MP13x 用版本 2（512 字节）；
- 签名要求：封闭器件需用 SigningTool 签名，否则 ROM 代码拒绝执行；
- 校验要求：所有传输数据含异或校验和，主机需确保数据包完整性。
4.3 错误处理与兼容性
- 响应含义：ACK（0x79）= 成功，NACK（0x1F）= 数据错误（可重试），ABORT（0x5F）= 不可恢复错误（需复位）；
- 系列差异：MP13x 在 ROM 代码与 TF-A 之间需重新枚举 USB，MP15x 无需；
- 调试技巧：通过 STM32CubeProgrammer 的 “-d” 选项指定映像，“-c” 指定通信接口（usart/usb）。
4.4 特殊分区操作
- OTP（阶段 ID=0xF2）：仅支持特定字节写入，需通过 USART 的 Download 指令（数据包编号 = 0xF2）或 USB 替代设置 0xF2 操作；
- PMIC NVM（阶段 ID=0xF4）：需确保 PMIC 与 MCU 通信正常，仅支持特定型号（如 STPMIC1）。
STM32MP1 的 USB DFU/USART 协议是自举程序编程的核心，核心逻辑可概括为 “阶段 ID 标识分区 + 三级自举协同 + 校验保障完整性”：
- USART 协议适合小容量映像、无 USB 接口场景，配置简单但速率较低；
- USB DFU 协议适合大容量烧录，速率快但需关注枚举与替代设置；
- 实操中需重点关注布局文件正确性、映像签名与校验，以及 MP15x/MP13x 的系列差异。
两种协议均兼容 STM32CubeProgrammer 工具，无需手动编写复杂通信代码，按阶段 ID 顺序下载即可完成 NVM 编程。
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