不用燒錄器也能更新韌體 - In-System Programming (ISP)、NuMicro ISP Programming Tool
上週將003Clock做成隔空感應的引擎轉速表，引起不少討論，陸續接到一些讀者詢問：在GitHub上看見轉速表的原始碼，看了之前的文章也學會了編譯程式，但是沒有燒錄器要怎麼將韌體燒進003Clock？
這是003Clock系列的第三篇文章，前兩篇沒跟上的記得回追一下喔！
（一）製作新唐N76E003/N76S003白光LED電子時鐘套件
（二）以VS Code, SDCC, Git建立新唐8051編譯環境
（三）新唐N76E003/N76S003白光LED電子時鐘套件韌體技巧說明
Part 1：消除開關彈跳現象（de-bounce）、Timer delay、功能選單，以新唐N76S003為例
Part 2：Timer auto-reload產生中斷來精確計時，以函式指標（unction pointer）切換中斷服務程式的功能
Part 3：以N76S003的SPI控制PT6961白光LED七段顯示器
（四）不用燒錄器也能更新韌體 - In-System Programming (ISP)、NuMicro ISP Programming Tool
燒錄韌體的方式
- 買一個Nu-Link-PRO，建議有在用新唐MCU做專案的讀者可以備一支，真的很好用。在新唐的線上商店Nuvoton Direct購買，原廠直營，貨源有保障。（現在註冊NuForum論壇帳號還有9折的折扣）
- 將新唐開發板內建的Nu-Link-Me拿來用，手邊如果已經有新唐開發板，請參考看看這篇文章：用新唐開發板燒錄其它晶片。
- 以上兩個都沒有，難道真的要花錢買嗎？別擔心，早就為你們想到了！筆者在包裝時已經在N76S003 / N76E003的LDROM中為大家燒錄好ISP程式了，只需隨手可得的USB to UART（USB to Serial或俗稱的USB to TTL、FTDI、PL2303之類的），搭配新唐原廠工具NuMicro ISP Programming Tool，就可以燒錄其它韌體。
什麼是ISP？
ISP的全名叫做” In-System Programming”，直接翻的話就是「在系統燒錄」。這邊的系統不外乎是指嵌入式系統，構成嵌入式系統的元素，包含硬體、周邊電路、韌體、通訊界面、軟體等。ISP可以在不將晶片從系統中移除的情況下，來執行韌體燒錄、更新。
ISP的好處以及實際應用情境
當我們真正設計一個產品並銷售到市場，總會遇到需要更新韌體來改進一些功能，這時候總不能叫客戶自己買一個燒錄器，還要把產品外殼拆開來更新韌體吧！一定是用產品本身的通訊介面來更新。
ISP就可以很好地解決這件事，以電競鍵盤、滑鼠舉例，廠商通常會發布韌體更新來修正、新增一些功能。要更新時是在PC上執行更新程式，在鍵盤、滑鼠上用特殊的按鍵組合，或重新插拔USB，使其進入ISP模式，接收PC軟體從USB傳來的資料。這樣就可以讓客戶自己操作更新韌體，不用燒錄器亦不需拆解。
003Clock也一樣，設計的初衷就是一個可玩性高的新唐1T 8051 + 七段顯示器的開發平台，讓讀者可以發揮想像力。
以NuMicro ISP Programming Tool執行韌體更新
003Clock的晶片已經預燒了ISP_UART1，只要準備一條USB to UART連接在N76S003的UART1，就能更新韌體。UART1在哪裡？對照一下手冊的Pin Configuration可以得知UART1的TXD、RXD分別在P1.6、P0.2，並且與ICE_DAT、ICE_CLK共用。
再看一下003Clock電路板上的標示，右下角5-pin的燒錄介面，DAT、CLK分別就是UART1的TXD、RXD。將USB to UART的RXD接在N76S003的TXD、USB to UART的TXD接在N76S003的RXD，兩邊分別一發一收才能通訊。可以像這樣，用一個5-pin排針把USB to UART的順序排列好，但是接好以後先不要插上003Clock，因為ISP程式已經設計成在通電剛開始的一小段時間等待PC軟體的交握，沒在時限內完成交握就會跳出ISP，自動去執行APROM的程式了。
接著打開NuMicro ISP Programming Tool，選擇用UART來做ISP，並選擇USB to UART對應的COM port，然後按下Connect讓ISP Tool待命，隨時準備和003Clock交握。可以在這裡下載到NuMicro_ISP_Programming_Tool。
把剛剛預先排好的排針插上後，就可以看到連線成功。選擇APROM的檔案，並在下方勾選要燒錄APROM以及燒錄完畢要Reset an Run，最後按右下角的Start就可以完成韌體燒錄。
ISP的實作機制
沒有意外的話，讀者應該已經成功燒錄韌體了，很開心吧！接下來要講解一下ISP的技術細節原理。要讓MCU有ISP功能，MCU本身就必須有一段ISP程式控制周邊通訊介面，對這些介面收送資料，還要控制快閃記憶體控制器（FMC, Flash Memory Controller），才能讀寫快閃記憶體所組成的程式記憶體（Code Memory），這宛如是一座搭起通訊介面與程式記憶體的橋樑。比如剛剛提到003Clock要在剛上電時才會執行ISP程式，或者鍵盤滑鼠的「特殊的按鍵組合」、「重新插拔USB」都是為了讓MCU去執行ISP程式。一般會將程式記憶體「分區」，分成正常執行模式和ISP模式，如果更新時出差錯（例如 更新到一半斷線），才不會連ISP程式都無法執行，減少變成「磚機」的風險。
新唐MCU幾乎全部都有內建「分區」的功能，可將正常執行模式的程式放在APROM (Application, 應用程式)、將ISP程式放在LDROM (Loader, 載入程式)。舉例來說，新唐N76S003的APROM區塊和LDROM區塊共享18 KB的程式記憶體，可以透過Config bits選擇兩者分配的大小。
這邊補充一下APROM及LDROM的名詞意義，APROM的AP，是Application的縮寫，通常空間比較大，拿來存放正常執行模式的「應用」程式，這應該是無庸置疑；而LDROM的LD，是Loader的縮寫，有著「載入、引導」的含義，因為通常放在裡面的程式可以決定要不要「引導」晶片去執行ISP或APROM中的內容，故稱LDROM。
為產品增加ISP功能
新唐大部分BSP中的SampleCode都有提供ISP範例程式，裡面也有編譯好的執行檔可以直接燒錄進LDROM，並且與原廠工具NuMicro ISP Programming Tool能夠搭配使用。要怎麼燒錄ISP程式？那還是得用Nu-Link燒錄除錯器搭配PC軟體NuMicro ICP Programming Tool，這部分003Clock已經預先燒錄好了，但還是要讓讀者知道當初是怎麼燒進去的。
- 燒錄時除了要在ICP Tool中選擇LDROM的ISP程式檔案，如果已經有APROM的程式，也可以在此選擇檔案
- 接著將Config bits設定從LDROM開機
- 最後還要記得勾選要燒錄APROM (如果有的話)、LDROM和Config bits。
- 按下右下角的Start開始燒錄
不過N76E003_BSP V2.0剛出來沒多久（V2.0將同一份BSP同時支援Keil C51 / IAR / SDCC），其中的ISP範例程式似乎還有些bug，我測試過沒辦法直接使用，之後會再回報給工程師。筆者推出003Clock時有順帶修正bug，並將其瘦身（原廠提供的為2172 Byte，我修改過的是1942 Byte），瘦身的目的是為了只分配2 KB給LDROM，留下16 KB給APROM；原廠提供的ISP執行檔為2172 Byte，因為LDSIZE的設定只允許1, 2, 3, 4 KB，雖然只差了一點，但晶片的限制也只能分配3 KB給LDROM才裝得下， APROM只能留下15 KB。修改過後的原始碼請見我的GitHub：https://github.com/danchouzhou/003Clock/tree/main/firmware/ISP_UART1
技術細節講了很多，最後歸納一下重點
- 全新空白的晶片，要用Nu-Link燒錄除錯器配合PC軟體NuMicro ICP Programming Tool來燒錄APROM和LDROM。
- 如果打算要使用ISP功能，要將ISP程式燒進LDROM，並設定Config bits選擇從LDROM開機。
- 以ISP執行燒錄時，PC軟體要用NuMicro ISP Programming Tool。
- ISP的機制可以透過位於LDROM中的ISP程式，收送通訊界面（例如 UART）的資料，並將通訊界面傳來的程式寫入APROM。
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