分享一个自己制作的AVR串口（USART模式）下载软件

cyradg

AVR串口下载软件程序一般是USBASP，需要连接MSIO，MISO，SCK，RESET引脚。学习STM32时发现有个软件FlyMCU，就是通过USART串口下载软件的，感觉挺方便的，于是仿照FlyMCU做了个AVR的USART串口下载软件，在ATMEGA328，ATMEGA8上使用很久了，没问题。
AVR通过USART串口下载软件本质上就是使用BootLoader，这个AVR中文手册有详细说明。下面的代码大部分是网上抄的，按照自己的需求改了下，适合Atmel Studio 7.0的编译。

1、BootLoader程序
/**********************************************************************************************
**自编程，以USART串口作为接收数据
**需要进行的宏定义
**1、BOOTLOADER_BAUDRATE，用于定义串口传输速率，如果未定义，默认为9600
**2、BOOTLOADER_BOOTSTART，用于定义Boot区的起始地址，取决于单片机熔丝位设置，未定义是默认为0x1C00
**3、BOOTLOADER_RECVBUFSIZE,用于定义串口接收缓冲大小，最大不能超过256，如未定义默认为128
**4、BOOTLOADER_FLASHEND，用于定义MCU的Flash大小，如果未定义，默认8192-1=8191（0x1FFF）
**5、BOOTLOADER_EEPROMEND，用于定义MCU的EEPROM大小，如果未定义，默认512-1=511（0x1FF）
**6、BOOTLOADER_DATACRC，用于定义是否使用16位CRC校验，为避免代码过大，不建议使用，校验直接返回0xFFFF
**---------------------------------------------------------------------------------------------
**!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!****
**烧录固件运行异常时删除原先所有编译好的文件，点击“生成”重新生成烧录文件
***********************************************************************************************/
#ifndef __ATME_BOOTLOADER__
#define __ATME_BOOTLOADER__
#include <avr/boot.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/pgmspace.h>
#include <util/delay.h>
#include <string.h>
/**********************************************************************************************
**各种MCU的寄存器定义---UCSRA
***********************************************************************************************/
#if ((defined __AVR_ATmega328P__) || (defined __AVR_ATmega328__) || (defined __AVR_ATmega8__)\
|| (defined __AVR_ATmega16__) || (defined __AVR_ATmega32__))
        typedef struct {
                uint8_t USART_MPCM:1;                                                        //多处理器通信模式
                uint8_t USART_U2X:1;                                                        //是否倍速发送，仅对异步模式有效，同步模式清零
                uint8_t USART_PE:1;                                                                //奇偶校验错误
                uint8_t USART_DOR:1;                                                        //数据溢出
                uint8_t USART_FE:1;                                                                //帧错误
                uint8_t USART_UDRE:1;                                                        //USART数据寄存器空,1状态说明缓冲器为空
                uint8_t USART_TXC:1;                                                        //USART发送结束
                uint8_t USART_RXC:1;                                                        //USART接收结束
        }UCSRAREG_TypeDef;
#endif
/**********************************************************************************************
**各种MCU的寄存器定义---UCSRB
***********************************************************************************************/
#if ((defined __AVR_ATmega328P__) || (defined __AVR_ATmega328__) || (defined __AVR_ATmega8__)\
|| (defined __AVR_ATmega16__) || (defined __AVR_ATmega32__))
        typedef struct {
                uint8_t USART_TXB8:1;                                                        //对9位串行帧进行操作时，TXB8是第9个数据位。写UDR之前首先要对它进行写操作
                uint8_t USART_RXB8:1;                                                        //对9位串行帧进行操作时，RXB8是第9个数据位。读取UDR包含的低位数据之前首先要读取RXB8。
                uint8_t USART_USZ2:1;                                                        //UCSZ2与UCSRC寄存器的UCSZ1:0结合在一起可以设置数据帧所包含的数据位数(字符长度)，设置9位长度才会用到该位
                uint8_t USART_TXEN:1;                                                        //发送使能
                uint8_t USART_RXEN:1;                                                        //接收使能
                uint8_t USART_UDRIE:1;                                                        //USART 数据寄存器空中断使能
                uint8_t USART_TXCIE:1;                                                        //发送结束中断使能
                uint8_t USART_RXCIE:1;                                                        //接收结束中断使能
        }UCSRBREG_TypeDef;
#endif
/**********************************************************************************************
**各种MCU的寄存器定义---UCSRC
***********************************************************************************************/
#if ((defined __AVR_ATmega328P__) || (defined __AVR_ATmega328__))
        typedef struct {
                uint8_t USART_UCPIL:1;                                                        //时钟极性
                uint8_t USART_UCSZ:2;                                                        //字符长度，
                uint8_t USART_USBS:1;                                                        //停止位选择,0:1位，1：2位
                uint8_t USART_UPM:2;                                                        //奇偶校验模式
                uint8_t USART_UMSEL:2;                                                        //USART模式选择.0:已步模式，1：同步模式,3:SPI主机
        }UCSRCREG_TypeDef;
#elif ((defined __AVR_ATmega8__) || (defined __AVR_ATmega16__) || (defined __AVR_ATmega32__))
        typedef struct {
                uint8_t USART_UCPIL:1;                                                        //时钟极性
                uint8_t USART_UCSZ:2;                                                        //字符长度，
                uint8_t USART_USBS:1;                                                        //停止位选择,0:1位，1：2位
                uint8_t USART_UPM:2;                                                        //奇偶校验模式
                uint8_t USART_UMSEL:1;                                                        //USART模式选择.0:已步模式，1：同步模式
                uint8_t USART_URSEL:1;                                                        //寄存器选择
        }UCSRCREG_TypeDef;
#endif
/**********************************************************************************************
**接收发送缓存结构及命令定义
***********************************************************************************************/
#define BOOTLOADER_CMD_ACK                                        0                        //成功
#define BOOTLOADER_CMD_NACK                                        1                        //失败
#define BOOTLOADER_CMD_QUERYFLASHSIZE                2                        //查询MCU的Flash大小
#define BOOTLOADER_CMD_QUERYSPM_PAGESIZE        3                        //查询MCU的SPM_PAGESIZE大小
#define BOOTLOADER_CMD_SETFLASHPAGE                        4                        //设置MCU定位到Flash的哪一页
#define BOOTLOADER_CMD_WRITEFLASH                        5                        //写入一页的Flash数据
#define BOOTLOADER_CMD_READFLASH                        6                        //读取一页的Flash数据
#define BOOTLOADER_CMD_QUERYRECVBUFSIZE                7                        //查询一次可以发送数据长度（包含头信息）
#define BOOTLOADER_CMD_QUERYPROGSIZE                8                        //获取用户区Flash大小       
#define BOOTLOADER_CMD_EARSEFLASH                        9                        //擦除一页Flash       
#define BOOTLOADER_ERROR_CRC                                0xE0                //校验错误
#define BOOTLOADER_ERROR_DATAVOER                        0xE1                //数据溢出
//----------------------------------------------------------------------------------------------
#define BOOTLOADER_RECVCMDFAILE                                0                        //没有收到数据
#define BOOTLOADER_RECVCMDBYTE                                1                        //收到一个数据
#define BOOTLOADER_RECVCMDEND                                2                        //接收到一个完成的命令
#define BOOTLOADER_RECVUPDATE                                3                        //进入到升级模式
//----------------------------------------------------------------------------------------------
typedef struct {
        uint8_t Cmd;                                                                                //命令类型
        uint16_t CRC;                                                                                //包含数据在内的校验值
        uint16_t Page;                                                                                //读写Flash时属于哪一页、读写EEPROM地址
        uint16_t DataLen;                                                                        //包含缓存长度
}BootLoaderDataHeader_TypeDef;
typedef struct {
        BootLoaderDataHeader_TypeDef Header;                                //头信息
        uint8_t Data[];                                                                                //数据（如果有）       
}BootLoaderData_TypeDef;
#define BOOTLOADER_HEADERLEN                                7                        //BootLoaderDataHeader_TypeDef结构长度，如果该结构改变，需重新定义
/**********************************************************************************************
**各种MCU串口寄存器定义
***********************************************************************************************/
#if ((defined __AVR_ATmega328P__) || (defined __AVR_ATmega328__))
        #define UCSRAREG        UCSR0A                                                                        //UCSRA寄存器
        #define UCSRBREG        UCSR0B                                                                        //UCSRB寄存器
        #define UCSRCREG        UCSR0C                                                                        //UCSRC寄存器
        #define UBRRLREG        UBRR0L                                                                        //UBRRL寄存器
        #define UBRRHREG        UBRR0H                                                                        //UBRRH寄存器
        #define UDRREG                UDR0                                                                        //UDR寄存器
        #define UDREBIT                UDRE0                                                                        //发送缓存为空标志位
        #define RXCBIT                RXC0                                                                        //接收完成标志位
        #define RXENBIT                RXEN0                                                                        //接收使能
        #define TXENBIT                TXEN0                                                                        //发射使能
        #define RXCIEBIT        RXCIE0                                                                        //接收中断使能                                                       
        #define UCSZ0BIT        UCSZ00                                                                        //UCSZ0位
        #define UCSZ1BIT        UCSZ01                                                                        //UCSZ1位
#elif ((defined __AVR_ATmega8__) || (defined __AVR_ATmega16__) || (defined __AVR_ATmega32__))
        #define UCSRAREG        UCSRA                                                                        //UCSRA寄存器
        #define UCSRBREG        UCSRB                                                                        //UCSRB寄存器
        #define UCSRCREG        UCSRC                                                                        //UCSRC寄存器
        #define UBRRLREG        UBRRL                                                                        //UBRRL寄存器
        #define UBRRHREG        UBRRH                                                                        //UBRRH寄存器
        #define UDRREG                UDR                                                                                //UDR寄存器               
        #define UDREBIT                UDRE                                                                        //发送缓存为空标志位
        #define RXCBIT                RXC                                                                                //接收完成标志位
        #define RXENBIT                RXEN                                                                        //接收使能
        #define TXENBIT                TXEN                                                                        //发射使能
        #define RXCIEBIT        RXCIE                                                                        //接收中断使能       
        #define UCSZ0BIT        UCSZ0                                                                        //UCSZ0位
        #define UCSZ1BIT        UCSZ1                                                                        //UCSZ1位
#endif


//定义串口波特率
#ifndef BOOTLOADER_BAUDRATE
        #define BOOTLOADER_BAUDRATE        9600                                                        //串口速率
#endif
//定义MCU的Flash结束地址（大小）
#ifndef BOOTLOADER_FLASHEND
        #define BOOTLOADER_FLASHEND                0x7FFF                                                //默认8K
#endif
//定义MCU的EEPROM结束地址（大小）
#ifndef BOOTLOADER_EEPROMEND
        #define BOOTLOADER_EEPROMEND                0x1FF                                        //默认512
#endif
//定义Boot区起始地址，如果未定义，默认大小为512个字，起始地址为0x1C00（字节)
#ifndef BOOTLOADER_BOOTSTART                                                                        //Boot区起始位置，取决于熔丝位设置
        #define BOOTLOADER_BOOTSTART        0x7C00
#endif
//用户程序起始地
#define BOOTLOADER_PROGSTART         0x0000                                //用户程序起始地址
//定义串口接收缓冲大小
#ifndef BOOTLOADER_RECVBUFSIZE
        #define BOOTLOADER_RECVBUFSIZE        128
#endif
//判断实际应该需要多少接收缓存
//接收缓冲区大小不能小于 SPM_PAGESIZE
#if (BOOTLOADER_RECVBUFSIZE < SPM_PAGESIZE)
#define RECV_BUFSIZE SPM_PAGESIZE+BOOTLOADER_HEADERLEN
#else
#define RECV_BUFSIZE BOOTLOADER_RECVBUFSIZE+BOOTLOADER_HEADERLEN
#endif

//定义进入升级时通过串口返回的数据
const uint8_t BOOTLOADER_DATA_UPDATE[]={BOOTLOADER_CMD_ACK,0xFF,0xFF,BOOTLOADER_RECVUPDATE,0x00,0x07,0x00};
//接收缓冲区
uint8_t __recv_buf[RECV_BUFSIZE];
//当前缓存接收所在位置
uint16_t __recv_addr=0;
//计算波特率寄存器
#define BAUDREG                ((uint16_t)((F_CPU * 10) / (16UL * BOOTLOADER_BAUDRATE) - 5) / 10)

//#define bootloader_recv_wait()        {while (!(UCSRAREG&(1<<RXCBIT)));}                        //等待接收
#define bootloader_recv_wait()        {while (!((volatile UCSRAREG_TypeDef *)&UCSRAREG)->USART_RXC);}                        //等待接收
//#define bootloader_send_wait()        {while(!(UCSRAREG&(1<<UDREBIT)));}                        //等待发送
#define bootloader_send_wait()        {while(!((volatile UCSRAREG_TypeDef *)&UCSRAREG)->USART_UDRE);}                        //等待发送
        //数据校验
unsigned short bootloader_checksum(unsigned short *buffer,int sz)
{
#ifdef BOOTLOADER_DATACRC
        unsigned short chksum;
        unsigned long sum = 0;                //sum可能会超过0xFFFF，所以要用4个字节
        while(sz > 1)
        {
                sum += *buffer++;
                sz -= 2;
        }
        if(sz == 1)
        sum += *(unsigned char*)buffer;
        sum = (sum>>16) + (sum & 0xffff);
        sum += (sum>>16);
        chksum = ~sum;
        return (chksum);
#else       
        return 0xFFFF;
#endif
}

/**********************************************************************************************
**BootLoader_Init：串口初始化
***********************************************************************************************/
void BootLoader_Init()
{
        void _init3()
        {
                //关闭串口
                UCSRCREG=0;
                UCSRBREG=0;
                //设置为8位接收模式
                ((volatile UCSRCREG_TypeDef *)&UCSRCREG)->USART_UCSZ=3;
                #if defined (__AVR_ATmega8__)
                        UCSRCREG |=BIT(URSEL);
                #endif
                //计算波特率
                UBRRHREG=BAUDREG/256;
                UBRRLREG=BAUDREG%256;
                UCSRAREG=0;
                //启动发送与接收
                ((volatile UCSRBREG_TypeDef *)&UCSRBREG)->USART_RXEN=1;
                ((volatile UCSRBREG_TypeDef *)&UCSRBREG)->USART_TXEN=1;
        }
        __recv_addr=0;
        _init3();
}

/**********************************************************************************************
**BootLoader_Recv：串口接收（阻塞模式）
***********************************************************************************************/
uint8_t BootLoader_Recv(uint8_t *data,uint32_t timeout)
{
        while (!(UCSRAREG & (1<<RXCBIT)))
//        while (!(((volatile UCSRAREG_TypeDef *)&UCSRAREG)->USART_RXC))
        {
                if (0==timeout) return 0;
                timeout--;
                _delay_us(1);
        }
        *data=UDRREG;
        return 1;
}
/**********************************************************************************************
**BootLoader_Send：串口发送（阻塞模式）
***********************************************************************************************/
void BootLoader_Send(const uint8_t data)
{
        bootloader_send_wait();  //等待发送准备完备
        UDRREG=data;
}
/**********************************************************************************************
**BootLoader_SendBytes：串口发送（阻塞模式）
***********************************************************************************************/
void BootLoader_SendBytes(const uint8_t *data,uint16_t datalen)
{
        uint16_t i;
        for (i=0;i<datalen;i++) BootLoader_Send(*data++);
}
/**********************************************************************************************
**BootLoader_RecvCmd：串口接收命令（阻塞模式）
***********************************************************************************************/
uint8_t BootLoader_RecvCmd(uint32_t timeout)
{
        if (!BootLoader_Recv(&__recv_buf[__recv_addr],timeout))
        {
                __recv_addr=0;
                return BOOTLOADER_RECVCMDFAILE;
        }
        BootLoaderDataHeader_TypeDef * cmd=(BootLoaderDataHeader_TypeDef *)__recv_buf;
        if (__recv_addr==3)
        {
                if (0x55555555==*((uint32_t *)cmd))                //收到连续4个字符“U”，进入升级模式
                {
                        __recv_addr=0;
                        BootLoader_SendBytes(BOOTLOADER_DATA_UPDATE,BOOTLOADER_HEADERLEN);        //发送回应
                        return BOOTLOADER_RECVUPDATE;
                }
        }
        else if (__recv_addr>=(BOOTLOADER_HEADERLEN-1))
        {
                if (__recv_addr>=(cmd->DataLen-1))
                {
                        __recv_addr=0;
                        return BOOTLOADER_RECVCMDEND;
                }
                else if (cmd->DataLen>RECV_BUFSIZE)
                {
                        __recv_addr=0;
                        return BOOTLOADER_RECVCMDFAILE;
                }
        }
        __recv_addr++;
        return BOOTLOADER_RECVCMDBYTE;
}
/**********************************************************************************************
**BootLoader_DoCMD：处理命令
***********************************************************************************************/
void BootLoader_DoCMD()
{
        //校验数据是否正确
        BootLoaderData_TypeDef *cmd=(BootLoaderData_TypeDef *)__recv_buf;
        uint16_t page;
        uint32_t i,addr;
        uint8_t *d=(uint8_t *)cmd;
        d+=BOOTLOADER_HEADERLEN;
        uint16_t crc=cmd->Header.CRC;
        cmd->Header.CRC=0;
        if (bootloader_checksum((unsigned short *)cmd,cmd->Header.DataLen)!=crc)
        {
                return;
        }
        switch(cmd->Header.Cmd)
        {
                case BOOTLOADER_CMD_QUERYSPM_PAGESIZE:                                                        //查询Flash页的缓存大小
                        cmd->Header.Cmd=BOOTLOADER_CMD_ACK;
                        cmd->Header.CRC=0;
                        cmd->Header.Page=SPM_PAGESIZE;
                        cmd->Header.DataLen=BOOTLOADER_HEADERLEN;
                        cmd->Header.CRC=bootloader_checksum((unsigned short *)cmd,cmd->Header.DataLen);
                        BootLoader_SendBytes(__recv_buf,cmd->Header.DataLen);
                        break;
                case BOOTLOADER_CMD_QUERYPROGSIZE:                                                                //查询用户代码区域大小
                        cmd->Header.Cmd=BOOTLOADER_CMD_ACK;
                        cmd->Header.CRC=0;
                        cmd->Header.Page=BOOTLOADER_BOOTSTART;
                        cmd->Header.DataLen=BOOTLOADER_HEADERLEN;
                        cmd->Header.CRC=bootloader_checksum((unsigned short *)cmd,cmd->Header.DataLen);
                        BootLoader_SendBytes(__recv_buf,cmd->Header.DataLen);
                        break;
                case BOOTLOADER_CMD_READFLASH:                                                                        //读取一页的Flash数据
                        page=cmd->Header.Page;
                        addr=page*SPM_PAGESIZE;
                        boot_rww_enable();                                                                                        //允许读用户程序
                        for (i=addr;i<(addr+SPM_PAGESIZE);i++)
                        {
                                *d=pgm_read_byte(i);
                                d++;
                        }
                        cmd->Header.Cmd=BOOTLOADER_CMD_ACK;
                        cmd->Header.CRC=0;
                        cmd->Header.Page=BOOTLOADER_CMD_READFLASH;
                        cmd->Header.DataLen=BOOTLOADER_HEADERLEN+SPM_PAGESIZE;
                        cmd->Header.CRC=bootloader_checksum((unsigned short *)cmd,cmd->Header.DataLen);
                        BootLoader_SendBytes(__recv_buf,cmd->Header.DataLen);
                        break;
                case BOOTLOADER_CMD_QUERYFLASHSIZE:                                                                //查询整个MCU的Flash大小
                        cmd->Header.Cmd=BOOTLOADER_CMD_ACK;
                        cmd->Header.CRC=0;
                        cmd->Header.Page=BOOTLOADER_FLASHEND+1;
                        cmd->Header.DataLen=BOOTLOADER_HEADERLEN;
                        cmd->Header.CRC=bootloader_checksum((unsigned short *)cmd,cmd->Header.DataLen);
                        BootLoader_SendBytes(__recv_buf,cmd->Header.DataLen);
                        break;
                case BOOTLOADER_CMD_WRITEFLASH:                                                                        //写Flash
                        page=cmd->Header.Page;
                        addr=page*SPM_PAGESIZE;
                        boot_page_erase(addr);                  //擦除一个Flash页
                        boot_spm_busy_wait();
                        for(i = 0; i < SPM_PAGESIZE; i += 2) //数据填入Flash缓冲页
                        {
                                boot_page_fill(i, d | (d[i + 1] << 8));
                        }
                        boot_page_write(addr);                  //将缓冲页数据写入一个Flash页
                        boot_spm_busy_wait();                        //等待页编程完成
                        cmd->Header.Cmd=BOOTLOADER_CMD_ACK;
                        cmd->Header.CRC=0;
                        cmd->Header.Page=BOOTLOADER_CMD_WRITEFLASH;
                        cmd->Header.DataLen=BOOTLOADER_HEADERLEN;
                        cmd->Header.CRC=bootloader_checksum((unsigned short *)cmd,cmd->Header.DataLen);
                        BootLoader_SendBytes(__recv_buf,cmd->Header.DataLen);
                        break;
                case BOOTLOADER_CMD_EARSEFLASH:                                //擦除一页Flash
                        page=cmd->Header.Page;
                        addr=page*SPM_PAGESIZE;
                        boot_page_erase(addr);                  //擦除一个Flash页
                        boot_spm_busy_wait();
                        cmd->Header.Cmd=BOOTLOADER_CMD_ACK;
                        cmd->Header.CRC=0;
                        cmd->Header.Page=BOOTLOADER_CMD_EARSEFLASH;
                        cmd->Header.DataLen=BOOTLOADER_HEADERLEN;
                        cmd->Header.CRC=bootloader_checksum((unsigned short *)cmd,cmd->Header.DataLen);
                        BootLoader_SendBytes(__recv_buf,cmd->Header.DataLen);
                        break;       
        }
}
/**********************************************************************************************
**BootLoader_App：跳转到指定地址执行指令
***********************************************************************************************/
void BootLoader_App(uint16_t addr)
{
         boot_rww_enable();                                                        //允许用户程序区读写
         (*((void(*)(void))addr))();                                //跳转，这样比'jmp 0'节省空间
}


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#endif


2、main程序
/*
* Test.c
*
* Created: 2022/3/5 15:19:42
* Author : Administrator
*/
//#define F_CPU 8000000UL
#define F_CPU 7372800UL
#define BOOTLOADER_BAUDRATE        115200
#include <avr/io.h>
#include <Userlib/Atmel_BootLoader.h>
#include <util/delay.h>


int main(void)
{
    /* Replace with your application code */
        BootLoader_Init();
        uint8_t data;
        uint8_t state=0;
        uint8_t i=0;
    while (1)
    {
                data=BootLoader_RecvCmd(5000);                                                //接收命令
                switch(data)
                {
                        case BOOTLOADER_RECVCMDEND:                                                //接收到一个完整的命令
                                BootLoader_DoCMD();
                                break;
                        case BOOTLOADER_RECVUPDATE:                                                //进入到升级模式
                                state=1;
                                break;
                        default:
                                if (i++<30) continue;
                }       
                if (!state)                                                                                        //跳到用户程序执行
                {
                        BootLoader_App(BOOTLOADER_PROGSTART);
                }
    }
}
3、编译后的BootLoader固件大小对于ATMEGA8芯片是900多个字节，对于ATMEGA328是1024个字节，正好1K，固件预留对M16和M32支持，其他需自己补充，MCU的BootLoader需用USBSAP程序事先写入MCU才可以使用USART串口下载功能，AVR芯片不像STM32自带BootLoader。
4、上位机，大飞环境编写。串口芯片使用的是CP2102，DTR引脚接MCU的RESET引脚时（仿正点原子开发板接法，不过是只接DTR控制重启），模式选择DTR低电平复位，下载程序和FlyMCU一样一键式下载并重启，如果DTR没有接RESET脚，需手动拉低RESET会进入下载模式。大致工作原理是MCU在开始工作时，大约有150ms时间等待握手信息，就是如果接收到"UUUU"这四个字符，MCU进入BootLoader模式，这时候通过上位机可以把用户区程序代码写入MCU，如果超过150ms时间未接收到握手信息，MCU进入用户指定的程序区执行。

读出的FLASH内容