一、什么是下载电路

单片机的下载电路是指用于将编写好的程序（固件）下载到单片机（微控制器）内部存储器的硬件电路。这个过程通常也被称为编程或烧录。下载电路包括与单片机的调试接口，以及相应的电路设计，确保数据可以稳定、可靠地传输到单片机的闪存或其他类型的存储器中。

二、单片机的“调试接口”

主流的调试接口主要有两种：JTAG（Joint Test Action Group） 和 SWD (Serial Wire Debug)。这些接口可以连接到外部调试器/编程器（如 ST-Link, J-Link……），用于程序下载和调试。
有关各种调试器以及调试接口，大多数初学者总是搞不清楚，我们可以把这团乱麻分成两个部分，一部分是计算机和单片机之间通信方式（调试接口），另一部分是充当单片机和计算机之间通信桥梁的硬件（调试器）。调试接口主流的有两种是JTAG 和 SWD。调试器主流的有J-Link系列、ST-LINK系列……，这些调试器大都同时支持JTAG 和 SWD，至于为什么明明我们烧录程序（SWD）只需几根线，但调试器上有一大堆引脚，这是因为调试器通常设计得足够灵活，以支持多种不同的调试和编程协议，以及适应各种不同的目标板需求。

JTAG 和 SWD有什么区别？我们应该选用哪一种？

JTAG接口

JTAG（Joint Test Action Group）是一种标准化的测试接口，最初被设计用于电路板的生产测试，后来其用途被扩展到了编程、调试和仿真等方面。JTAG接口的正式标准名称为IEEE 1149.1，它定义了在电路板和芯片级别上用于测试电路连通性的方法。

JTAG的特点

  • 测试访问端口（TAP）：JTAG定义了一个测试访问端口，包括几个信号引脚，最主要的是TCK（测试时钟）、TMS（测试模式选择）、TDI（测试数据输入）和TDO（测试数据输出）。可选的第五个引脚是nTRST，用于异步复位TAP控制器。

  • TAP控制器：JTAG接口通过一个有限状态机（TAP控制器）来管理测试逻辑。这个状态机通过TCK和TMS来控制，通过不同的状态序列来完成不同的测试和编程操作。

  • 边界扫描：JTAG使用边界扫描寄存器来访问芯片的所有I/O引脚，从而可以测试芯片引脚之间以及多个芯片间的连通性。通过边界扫描，可以在不干扰芯片正常运行的情况下进行测试。

  • 链式结构：多个支持JTAG的设备可以通过串行连接，形成一个调试链。通过这种方式，可以同时对多个设备进行测试和调试，只需使用同一组TAP信号。

优点：

  1. 多设备链：JTAG支持将多个设备连接在一个调试链上，可以同时对多个设备进行操作。
  2. 完备性：JTAG接口提供了对单片机所有功能的完全访问，包括芯片级测试和调试。

缺点：

  1. 引脚数量：一个典型的JTAG接口需要至少4个引脚（TMS, TCK, TDI, TDO），加上一个可选的复位引脚（nTRST），这会占用更多的I/O资源。
  2. 复杂性：JTAG协议相对复杂，对于初学者来说可能不太容易掌握。
  3. 物理空间：由于需要更多的引脚，因此在板级设计中需要占用更多的空间。

引脚定义

JTAG引脚图：

SWD接口

SWD（Serial Wire Debug）是ARM推出的一种两线调试协议，旨在为ARM Cortex系列微控制器提供一种简洁而高效的调试接口。SWD作为JTAG的替代品，仅使用两个数据线，而非JTAG的四线或五线，它基于一个双向数据协议来实现数据传输和设备控制。

SWD接口的主要特点：

  1. 线数少：SWD最大的优点之一是它仅需要两条线，这对于小型化设备或者引脚受限的设计非常有利。

  2. 高效的数据传输：通过优化的协议和数据封装方式，SWD提供了与JTAG相媲美的数据传输效率。

  3. 简化的协议：SWD的协议设计较为简单，易于实现和调试。

  4. 调试和系统级调试（Debug and System Trace）：SWD不仅支持调试，还可以与Serial Wire Viewer（SWV）和Serial Wire Output（SWO）等技术结合，提供系统级的跟踪功能。

SWD接口的引脚定义：

SWD接口主要包含以下引脚：

  1. SWCLK (Serial Wire Clock): 这是时钟信号线，用于同步数据传输。

  2. SWDIO (Serial Wire Debug Data I/O): 这是双向数据线，用于传输命令、地址和数据。

这两条线取代了JTAG的TCK, TMS, TDI和TDO。

可选的额外引脚包括：

  1. nRESET (Optional): 用于对目标设备执行硬件复位。

  2. SWO (Serial Wire Output, optional): 用于单向通信，如从目标设备传输跟踪数据到宿主机。

SWD的工作原理：

SWD使用一个16位的数据包来进行通信，每个数据包包括一个8位的头信息，后跟数据和校验位：

  • Start Bit：数据包的开始。
  • APnDP Bit：区分访问调试端口（DP）还是辅助端口（AP）。
  • RnW Bit：指示是读操作还是写操作。
  • A[2:3] Bits：两位地址，指示访问DP或AP的哪个寄存器。
  • Parity Bit：奇偶校验位，确保头部信息的完整性。
  • Stop Bit：数据包的结束。
  • Park Bit：固定为1，确保总线释放。

数据传输由SWCLK同步，而SWDIO在读写期间，根据需要切换其方向。在写操作中，主机会在SWDIO上发送数据，然后设备在随后的时钟周期中回复ACK响应。在读操作中，设备在接收到请求后，会在SWDIO上发送数据回主机。

使用SWD接口的优点：

  1. 引脚和空间节省：由于只需要两条线，SWD可以节省宝贵的PCB空间和微控制器的I/O资源。

  2. 调试效率：SWD提供了快速的调试能力，包括内存访问和寄存器操作。

  3. 易于布线：相较于JTAG接口的多线布线，SWD只需要考虑两条线的布局，简化了PCB设计过程。

  4. 实时追踪：结合SWO，SWD可以实现实时数据追踪和分析，对于性能调试非常有用。

缺点：

  1. 链式调试有限：与JTAG不同，SWD不支持多个设备的链式连接，只能用于单个目标设备。
  2. 通用性较差：SWD主要是为ARM处理器设计的，其它架构的处理器可能不支持这种接口。

我应该选择哪一种？

因为我们制作的面相入门的STM32核心板，考虑到复杂的和物理体积的限制，我们可以毫无保留的选择SWD接口

电路分析



可以看到，SWD仅使用了四根线，大大节省了IO数量，简化了下载电路的设计，SWDIO和SWDCLK分别连接34、37引脚。这里的电容C1起到的作用是去耦，平滑供电线上的瞬时电压波动。