第2章：自动售货机硬件架构
好，咱们直接切入正题。上一章聊了Bootloader是干啥的，这一章得把「战场」搞清楚——自动售货机到底长什么样？芯片选谁？外设怎么接？存储怎么分？
我个人的习惯是，做任何嵌入式项目，先画硬件框图。别急着写代码，先把芯片、外设、存储这三块理清楚。否则后面调试起来，你会发现自己像个无头苍蝇。
2.1 主控芯片选型：为什么是STM32F4？
自动售货机不是玩具，它要7x24小时运行。温度、湿度、震动，甚至有人踹它一脚。所以芯片得皮实。
我选STM32F4系列，说白了就三个理由：
- 性能够用：Cortex-M4内核，带FPU。做Bootloader时，浮点运算不是必须的，但万一你要做OTA校验（比如SHA256），M4的运算速度比M0快一个量级。
- 外设丰富：UART、I2C、SPI、CAN、USB OTG，全都有。自动售货机要接的东西杂，屏幕、钱币器、电机、传感器，一个芯片搞定。
- 生态成熟：HAL库、LL库、CubeMX，资料多。你遇到坑，大概率有人踩过。
具体型号建议：STM32F407VET6 或 STM32F429IGT6。前者性价比高，后者带LCD控制器（如果你要用彩屏）。
我记得有一次项目，客户非要省成本用F1系列。结果Bootloader跑OTA时，Flash擦写速度跟不上，升级一次要5分钟。后来换F4，30秒搞定。嗯，有些钱不能省。
2.2 外设接口：UART、I2C、SPI、GPIO
自动售货机的外设，说白了就是「输入」和「输出」。输入：按键、投币器、传感器。输出：电机、屏幕、灯带。
咱们一个一个看：
2.2.1 UART（串口）
这是Bootloader的生命线。为什么？因为升级固件最常用的方式就是串口。
- 用途：与PC通信、与蓝牙/WiFi模块通信、调试日志输出。
- 我建议：至少留两个UART。一个给Bootloader专用（比如USART1），一个给应用程序用（比如USART3）。别混用，否则调试时你会疯。
- 避坑：波特率别用太高的，115200足够。我曾经遇到过用921600波特率，结果线长一点就丢包。自动售货机内部线缆可能走1米以上，稳一点好。
2.2.2 I2C
I2C适合短距离、低速设备。自动售货机里哪些用I2C？
- EEPROM：存配置参数、校准数据。
- 传感器：温度、湿度、门磁（有些I2C接口的）。
- 屏幕：小尺寸OLED或LCD，很多用I2C控制。
我个人习惯，I2C总线上挂的设备不超过4个。挂多了，总线电容大，信号容易畸变。你想想看，自动售货机里线缆本来就乱，再加长I2C线，那波形简直没法看。
2.2.3 SPI
SPI是速度担当。Bootloader里SPI主要干两件事：
- 外部Flash：存固件备份或大容量数据。
- SD卡：有些售货机用SD卡升级固件，SPI模式读写。
我建议SPI时钟不要超过20MHz。虽然F4能跑到42MHz，但你要考虑PCB走线。自动售货机的PCB通常不是高速板，20MHz已经够用，而且稳定。
2.2.4 GPIO
GPIO看似简单，但坑最多。
- 按键：用外部中断+去抖。别用轮询，浪费CPU。
- 电机控制：用GPIO控制继电器或MOS管。注意加光耦隔离，否则电机启停的尖峰脉冲能把芯片打死。
- LED指示灯：Bootloader运行状态指示。我习惯用两个LED：一个电源指示，一个Bootloader活动指示。
注意：所有GPIO输入，务必加上拉或下拉电阻。我曾经遇到一个项目，按键没加上拉，结果引脚悬空，Bootloader一上电就误触发进入升级模式。查了两天才发现。
2.3 存储布局：Flash与RAM
这是Bootloader的核心。存储怎么分，直接决定了你能不能安全升级。
STM32F4的Flash通常是1MB（比如F407VG），RAM是192KB+64KB（CCM）。咱们得精打细算。
2.3.1 Flash分区方案
我推荐的分区方式是这样的：
| 分区 | 起始地址 | 大小 | 内容 |
|---|---|---|---|
| Bootloader | 0x08000000 | 64KB | Bootloader固件 |
| 参数区 | 0x08010000 | 16KB | 配置参数、校准数据 |
| App Slot 1 | 0x08014000 | 448KB | 主应用程序 |
| App Slot 2 | 0x08084000 | 448KB | 备份/升级用 |
| 标志区 | 0x080FC000 | 16KB | 升级标志、CRC校验值 |
为什么留两个App Slot？说白了就是「双备份」。升级时，先擦写Slot 2，校验通过后再切换启动地址。万一升级断电，下次还能从Slot 1启动。这个方案我用了很多年，没出过问题。
小技巧：标志区放在最后16KB。因为Flash擦除是按扇区来的，F4的扇区大小不统一（前几个是16KB，后面是128KB）。把标志区放在128KB扇区里，擦写次数少，寿命长。
2.3.2 RAM分配
Bootloader运行时，RAM分配要抠门一点：
- 栈：4KB。Bootloader不跑复杂逻辑，4KB足够。
- 堆：2KB。如果你用malloc，建议别用。Bootloader里静态分配最安全。
- 缓冲区：8KB。用于接收固件数据包（比如Ymodem协议）。
- 全局变量：剩下的大约180KB留给应用程序。Bootloader自己只用不到20KB。
我遇到过有人把缓冲区设成64KB，结果RAM不够，程序跑飞。你想想看，Bootloader总共才192KB RAM，你一个缓冲区占三分之一，其他东西往哪放？
2.4 硬件架构总结
好了，咱们捋一下：
- 主控：STM32F4，带FPU，外设全。
- 外设：UART（调试+升级）、I2C（EEPROM+传感器）、SPI（外部Flash）、GPIO（按键+电机+LED）。
- 存储：Flash分5区，双App Slot保平安。RAM精打细算，缓冲区8KB够用。
下一章，咱们开始搭建开发环境，写第一行Bootloader代码。到时候你会看到，硬件架构的知识全都会用上。
嗯，先到这。有问题随时问。