无处不在的嵌入式技术已经应用到信息社会的方方面面，其中，嵌入式微控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等特点，在这个万物互联的时代扮演着越来越重要的角色。嵌入式技术的标志就是用某种语言（如Ada、C/C++、Modula-2等）在嵌入式软硬件开发环境中进行开发。区别于传统的通用计算架构，嵌入式运行的是固化的软件，用术语表示就是固件（firmware），终端用户很难或者不可能改变固件。

微控制器就是最能体现嵌入式系统将软件和硬件紧密结合在一起的典型应用，它充分发挥了软件和硬件的各自优势，开发者不仅需要将软件的程序执行在特定的硬件和相关辅助电路上呈现出实际效果，还需要通过调节、变换软件指令，实现对有限的硬件资源进行最大化的利用，并采用相同的硬件结构满足不同用户的特定需求。可以说，如果把嵌入式系统的任务比作一个人，那么软件就是我们的意识和思维，硬件就是我们的躯体和四肢，软件和硬件是组成整个嵌入式系统不可或缺的两个部分。

我们在前面的芝识课堂中介绍了微控制器的硬件电路基础及其历史和五个要素，今天我们带大家一起走进微控制器的核心控制部分，即控制微控制器运作的软件和实际进行任务执行的硬件。如前面分析可知，在一个典型的嵌入式微控制器为核心的系统中，软件和硬件的作用是相辅相成密不可分的，要实现完整的产品系统，需要将硬件（即设备本身）与运行其功能的软件（程序）相结合，才能实现涉及的目标。

我们可以通过具体的应用案例来分析微控制器软硬件的配合分工。在一个典型的电饭煲应用中，嵌入式微控制器作为核心硬件，通过输出不同的信号，指挥着整个系统硬件执行不同的功能，在软件方面，通过编写程序，并将程序嵌入到微控制器中，对电饭煲进行控制。比如通过输出10000110代表显示煮饭的时间，输出00010001代表开始煮饭的过程，10001000代表煮饭时间结束关掉加热，而用10101010显示煮饭的实际米量等……针对不同功能的电饭煲，开发者可以通过更改程序，轻松地进行功能的增减，而无需改动电饭煲的硬件设计，从而让整个硬件方案变得更为普适。

那么微控制器的操作机制是怎么样的呢？我们可以从下图中看到，程序操作微控制器时，CPU读取写入存储器中的程序，并根据指令工作，具体的流程如下：

1. CPU从指定的存储器地址读取指令；
2. 其指令在CPU中被解密；
3. 它按照指令工作。（在右侧下面的示例中，执行“数据输出到输出端口”）
这样，如果完成一个任务，就从存储器中的下一个地址读取下一条指令，然后，微控制器重复1到3的操作。

现在我们知道微控制器是通过预先编写的程序来进行信号输出，从而指挥系统实现不同的功能。那么，控制硬件的程序又是如何编写的呢？在下期的芝识课堂中，我们将给大家详细介绍微控制器的编程语言，敬请期待哦！

Secure Bootloader 是一段被写在 Mask ROM 内无法被存取和更改的可开机程序代码。系统经由配置区设定为从 Secure Bootloader 启动后，便会启动 Secure Boot 验证机制，对存放在Flash Memory安全区域内的程序代码做开发者身分认证和代码完整性的验证。当 Secure 区域代码通过 Secure Boot 验证后，系统才会跳至 Secure 区域内执行被验证过的受保护代码，例如下图所示。

如果下一阶段的启动代码没通过 Secure Boot 验证的检测，此时 Secure Bootloader 会执行USB/UART1 command 模式，等待接收并处理从 Secure ISPTool USB/UART1 接口送进来的 command。

另外在 Secure Bootloader 内有开放部分的 API，让程序开发人员可以直接使用这些已经在Secure Bootloader 代码内有提供的功能。

本文将以M2351为范例介绍Secure Bootloader 和整个 M2351 内存之间的关系开始，之后会说明如何配置启动 Secure Bootloader、Secure Bootloader 工作频率、如何启动 Secure Boot 验证以及Secure Boot 验证时必要的配置和验证流程。最后会介绍 USB/UART1 command 模式的功能和特性。

位置和属性

Secure Bootloader 代码被预写在 32KB Mask ROM 内，位置落在 0x0080_0000 ~ 0x0080_7FFF 间的 Secure 区域内，并被配置为 Execute-only memory (XOM) 属性，因此这段代码是无法被更改以及存取的。另外在 Secure Bootloader 运行过程中，会需要用到位于 0x2000_C000 至 0x2000_FFFF 共 16KB 的 Secure 内存。

起始开机区选择

M2351 User Configuration Block 是可以配置和系统启动选项相关的配置区块。在芯片上电后，CPU 执行任何代码之前，可以预先执行照配置区内所设定的动作。

因此透过更改配置区内 CBS (CONFIG0[7]) 和 MBS (CONFIG0[5]) 的设定，便可决定 M2351 在上电后的起始开机区域为何。

如要规划从 Secure Bootloader 启动开机，则只需将 MBS 配置为 0 后再做系统重置即可。否则系统起始开机区会由 CBS 的设定值来决定从 APROM 或 LDROM 启动。

Bootloader 工作频率

当起始开机区运行在 Secure Bootloader 时，系统的工作频率会切换为 48MHz。

如为有支持 USB 功能的芯片型号时，Secure Bootloader 启动后会先检测外部 HXT-12MHz 频率误差是否有小于 6% 后，再决定系统工作频率的时钟源。如外部 HXT-12MHz 频率误差小于 6%，则优先以此 HXT-12MHz 来产生 PLL-48MHz 的时钟源，并将此 PLL-48MHz 当作系统工作频率和 USB 装置的工作时钟源。

如果芯片没有支持 USB 功能，或是外部 HXT-12MHz 频率误差过大，则会转换成以内部 HIRC-12MHz 当作 PLL-48MHz 的时钟源，来当作是系统工作频率或是 USB 装置的工作时钟源。

启动 Secure Boot 验证

系统从 Secure Bootloader 启动后，可以开启 Secure Boot 验证的机制。这目的主要是验证下一阶段要被执行的 Secure 代码是否有通过代码开发者身分认证和代码完整性的验证。如果要启动 Secure Boot 验证，除了设定从 Secure Bootloader 开机外，还需透过设置 Secure Region Lock 或者是 All Region Lock 来对系统的 Secure 区域做保护。

在 Secure 区域没有受到保护的情况下，Secure Bootloader 启动后是不会执行 Secure Boot 验证机制的。此时系统将会跳到 Secure Bootloader 内的 USB/UART1 command 模式，等待接收并处理 USB/UART1 command，而不会跳到其他区域内的代码作执行。

当启动 Secure Boot 验证下一阶段要被执行的 Secure 区域代码无误后，Secure Bootloader 将会参照配置区内 CBS (CONFIG0[7]) 的设定值来决定 CPU重启之后是要执行 Secure APROM 或是 Secure LDROM 内的代码。

如果 Secure Boot 验证过程中有错误产生，则系统也一样会跳到 Secure Bootloader内 的USB/UART1 command模式，等待接收并处理 USB/UART1 command。

下面表格为 MBS、SCRLOCK、ARLOCK、CBS 和系统起始开机区的关系表：

Secure Boot 配置说明

前面章节大致说明了如何将系统配置从 M2351 Secure Bootloader 启动，并开启 Secure Boot验证的功能。

下面的子章节将说明执行 Secure Boot 验证时的必要配置。

SBK – Secure Boot Key

Secure Boot Key (SBK) 是一把对被 Secure Boot 验证的 Secure 区域代码 SHA-256 Hash 值做加密的 AES 加密安全密钥。

• SBK安全密钥有效长度为 256-bits，只能被写入一次，无法被读出

• 如要更新此SBK安全密钥，只能做全芯片擦除后再做更新的操作

一定要有配置过SBK，后续的Secure Boot验证流程才可能会成功

IB – Information Block

Information Block (IB) 为一块被写在 Secure APROM 后面的数据区块。

区块内容记录着被 Secure Boot 验证的受保护代码存放位置，以及一组 256-bits 的数字检查码。此 256-bits 数字检查码为受保护代码的 SHA-256 Hash 值再使用 Secure Boot Key (SBK) 做 AES-256 加密后的结果。

• IB被记录在 Secure APROM 最后的 144 bytes

• 最多可配置 6 组受Secure Boot验证的代码区域,

• IB内容内有一组checksum数据，可让Secure Bootloaer判断这组IB数据的正确性

如果没有正确的IB数据区块，Secure Bootloader将不会执行 Secure Boot验证流程

Secure Region Lock

当系统安全属性有被配置为开启 Secure 区域保护时，Secure Bootloader 才会执行Secure Boot 验证。此时系统内的 Secure 区域代码将不能经由 ICE 界面被存取。

• 将SCRLOCK[7:0] 或是 ARLOCK[7:0] 任一组配置区改为非 0x5A后，Secure 区域代码将无法被 ICE 界面存取

• 只能做全芯片擦除后才可以解除Secure区域的保护

• 在没有开启Secure区域保护的系统里， Secure Bootloader将不会执行 Secure Boot验证流程

Secure Boot 验证流程

下列步骤会说明 Secure Bootloader 执行 Secure Boot 验证的流程。

1. 判断是否有开启 Secure 区域保护功能

2. 判断是否有正确的IB 区块

3. 依据 IB区块内的资料，判断要被保护代码的SHA-256 Hash值是否正确

4. 如果代码的SHA-256 Hash值比对正确，CPU将会跳去执行这段代码。如果Hash值比对错误，则Secure Bootloader会进入USB/UART1 command模式，等待接收并处理 USB/UART1 command。

下列流程图将说明 Secure Bootloader启动后执行 Secure Boot 验证到最终执行 Trusted Boot Code 的过程，以及在 Secure Boot 验证过程中出现错误时的处理方式。

USB/UART1 Command 模式说明

M2351 Secure Bootloader 除了可执行 Secure Boot 验证外，另一个功能为进入 USB/UART1 command 模式做代码的更新和配置区的设定。

透过 PC 端的 Nuvoton NuMicro^® Secure ISPTool 即可和 Secure Bootloader 内的 USB/UART1 command 模式做传输。

本章节将会对 USB/UART1 command 模式做基本的介绍。

USB 界面

在 M2351 Secure Bootloader 提供的 USB command 模式内，用户无需做任何事先的配置，只要透过 USB 线和 PC 端的 Secure ISPTool 做连接后即可正常工作。

UART1 界面

在使用 M2351 Secure Bootloader 提供的 UART1 command 模式前，则需将目前芯片 UART1 的脚位和 PC 串口做连接，之后便可和 Secure ISPTool 做正常联机。

• 可透过更改配置区CONFIG3[2:0] 来决定 UART1  command模式的脚位：

• 000：UART1_TXD (PB.7)，UART1_RXD (PB.6)

• 001：UART1_TXD (PA.9)，UART1_RXD (PA.8)

• 010：UART1_TXD (PF.0)， UART1_RXD (PF.1)

• 011：UART1_TXD (PB.3)，UART1_RXD (PB.2)

Others：UART1_TXD (PA.3)，UART1_RXD (PA.2)

UART1/USB Command 流程

下列流程图说明在 Secure Bootloader 程序内的 UART1/USB Command 模式和 PC 端的 Secure ISPTool 联机后的主要处理流程。

以上透过 M2351 Secure Boot 验证的程序为例，详细解释系统开发商如何确保必须要受到保护的开机代码没有被更改，意即可以确认系统启动后的行为都在程序开发者的规划内，进而可以达到数据不被窃取的目的。另由于M2351系列为带TrustZone功能，对Non-secure 程序开发者而言，另可以使用 Secure Bootloader 提供的 Non-secure callable API 来实现对 Non-secure 内存的读写和其他配置区的设定。不需要 Secure 程序开发者额外提供这些应用的 API 给 Non-secure 程序开发者使用。

而终端产品的应用可能是没有预留 ICE 脚位的。此时如果有需要做代码的更新，即可以执行 Secure Bootloader Non-secure callable API 所提供的 USB/UART1 command模式和 PC 端的Nuvoton NuMicro^® Secure ISPTool 来实现代码的更新。

欢迎关注新唐的产品官网以获取更多的讯息，我们也会继续介绍M2354系列的安全启动做法。

资源

Nuvoton NuMicro M2351 和 M2354 系列资源：

近年来因为消费性电子的推陈出新与个人保健等需求，全球各式各样按摩器材市场持续增长，凡举眼部按摩器、肩颈按摩器、足部按摩仪到按摩椅等都十分普遍，根据市场调查报告指出，全球电子按摩仪器市场从2020到2024年预计从6.61亿美金以超过 6% CAGR成长，可见此类产品市场的蓬勃发展。

新唐作为微控制器的领导厂商为此应用市场推出整合先进而精确的控制功能并具备蓝牙低功耗 5.0 (BLE5.0) 的 NuMicro M031BT，M031BT 系列工作频率达 48 MHz并内置最高 128 KB Flash 和 16 KB SRAM，提供12 路 96 MHz PWM可提供无刷直流马达控制驱动，高采样率ADC用于电压采样，UART串口可提供除错或更新的需求，多组的I/O接口则提供客户依据各自应用使用，以上都是M031BT在控制功能的优秀表现来提供各式电子按摩器材推出多元化用户模式切换的需求。

新唐 NuMicro M031BT 系列提供 BLE 5.0 和 2.4 GHz 双模功能，针对射频应用提供高达 +8 dBm 的射频发射功率、-92 dBm 的良好接收灵敏度、1 Mb/s 或 2 Mb/s 的传输速度，并且能在 2.4 GHz 干扰严重的环境提供突出的抗噪表现，提升通讯距离和可靠性。在利用 BLE5.0 透传功能来做数据传输的应用，新唐也准备了可用来测试联机沟通的手机 APP 供客户开发参考。

NuMicro M031BT 系列为了保护开发者的知识产权，内嵌一个额外的安全保护 Flash 区块(SPROM, Security Protection ROM)，提供一个独立且安全加密执行区域以保护关键程序代码。内存锁定功能 (Flash lock bits) 设计提供固件防止外界访问或写入保护。每一颗M031BT 具有一个96位芯片唯一序号 (Unique Identification，UID) 及一个128位唯一客户序号 (Unique Customer Identification, UCID)，大幅提升产品的保密与代码安全性。

相较于传统使用控制MCU加上蓝牙通讯模块的形式，NuMicro M031BT 系列整合控制与无线传输功能，QFN48封装面积仅有5mm x 5mm，加上新唐透传范例程序与天线参考设计使得蓝牙低功耗的应用开发变得相当容易。

近日，先楫半导体与国际领先的嵌入式开发系统供应商德国SEGGER Microcontroller GmbH（以下简称“SEGGER”）联合宣布：通过买断许可，先楫半导体向所有使用其HPM6000系列RISC-V微控制器的客户提供免费的SEGGER的多平台集成开发环境（IDE）“Embedded Studio”，共同推动RISC-V生态的发展。

Embedded Studio是一款使用C和C++语言的精简的、专业的嵌入式开发工具。它配备了强大的项目构建和管理系统，具有代码自动完成和折叠功能的源代码编辑器，以及分包管理系统用于下载和安装开发板和器件的软件支持包。它还包括SEGGER高度优化的运行时库emRun、浮点库emFloat以及SEGGER的智能链接器，所有这些都为资源有限的嵌入式系统量身定做。其内置调试器包括了所有必要的功能，与J-Link配合使用，提供了卓越的性能和稳定性。

先楫半导体CEO曾劲涛表示：“我们非常高兴和SEGGER合作,为先楫半导体的客户免费提供这样一套专业的嵌入式开发工具。Embedded Studio在效率，性能和易用性上和我们的HPM6000 系列MCU很吻合。这次合作对先楫半导体的产品推广以及全球RISC-V生态的推动，都有极其重要的意义。我相信我们的投入是非常值得的。”

先楫半导体实时RISC-V微控制器HPM6000系列于2021年12月发布，并已全面投产。该系列旗舰产品HPM6750创下了9220 CoreMark和4651 DMIPS的MCU性能新记录，双RISC-V内核的运行频率高达816 MHz。HPM6000系列MCU包括双核HPM6750、单核HPM6450和入门级HPM6120，均配备了双精度浮点单元和强大的DSP扩展指令,芯片内置2MB SRAM、丰富的多媒体功能、电机控制模块、通信接口和安全加密。HPM6000拥有丰富的算力，可以加速工业4.0、智能家电、边缘计算和物联网等应用的发展。

SEGGER总经理 Ivo Geilenbruegge说：“Embedded Studio在嵌入式软件开发领域越来越受欢迎，如今支持并配合先楫半导体的微控制器产品，帮助开发者能够更加专注于业务本身，并且缩短产品的上市时间。从长远来说，SEGGER和HPMicro的合作将会进一步推动RISC-V嵌入式生态系统的发展。”

中科芯CKS32F030K6T6采用高性能的ARM^® CortexTM-M0 32位RISC内核，最高工作频率为48MHz，高速嵌入式内存（FLASH最高可达32K字节，RAM可达4K字节），并广泛集成增强型外设和I/O口。提供标准的通信接口（I2C、SPI、USART各一个），1个12位ADC，5个16位定时器。

下图为CKS32F030K6T6的引脚示意图：

下表为CKS32F030K6T6的资源介绍：

手持式电动工具中主要由三部分组成：电机，电池和电机控制器，其中最重要的部分是电机控制器。手持式电动工具使用的电机以无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）为主，无刷直流电机（BLDCM）克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

基于中科芯CKS32F030K6T6的BLDCM控制器主要由三相全桥逆变电路、采样电路、反电势过零点检测电路、电源电路、状态指示灯电路等组成；下图所示为硬件结构框图，可以实现电动工具的速度、方向、高低速以及急停等功能。

该BLDCM控制器具有以下特点：

● 操作简单，功能齐全且经济性高

● 全面的电机参数配置软件

● 智能适配不同型号和参数的电机

● 智能适配不同启动负载

● 智能适配不同类型的产品应用

● 在不同使用环境中提供全方位保护

同时，该BLDCM控制器配套了专业且全面的电机参数配置软件，下图为电机配置软件的电源设置界面：

该配置软件操作简单且易于上手，覆盖了绝大多数的电机参数，使用者可根据自身需求进行参数配置。
下图为BLDCM控制器软件系统设计框图：

下图为BLDCM控制器实物：

下图为手持式链锯电动工具实物：