Этим постом я хочу начинать публикацию цикла, в которой подробнейшим образом будут, рассматриваться основные приемы разработки, прошивки и наладки устройств на микроконтроллерах. Посты будут полезны и тем, кто собирается лишь повторять готовые устройства не заморачивая себя их разработкой и отладкой. Мы (я и администрация сайта) надеемся, что публикации этого цикла поможет многим начинающим и не очень радиолюбителям приступить к разработке и (или) повторению аппаратуры на микроконтроллерной базе. В этой статье будут собраны и систематизированы материалы из различных открытых источников, в том числе и всеми нами любимого журнала Радио. Мы коротко рассмотрим, что такое МК, и с чем его едят, зачем нужны компиляторы, и что за страшные звери, сидят в файлах с расширением *. HEX , *. bin , *. asm , и т.п., не много окунёмся в историю и наконец, создадим наш первый программатор SI - Prog (на мой взгляд очень простой надёжный универсальный и не заслуженно предаваемый забвению) и прошьём МК кроме, того на конкретном примере, разберёмся с программными оболочками РопуРго g 2000 и IS - Prog . И так приступим. Не для кого не секрет что, среди цифровых интегральных микросхем МК сегодня занимают примерно такое же место, как операционные усилители среди аналоговых. Это - универсальные приборы, их применение в электронных устройствах самого различного назначения постоянно расширяется. Разработкой и производством МК занимаются почти все крупные и многие средние фирмы, специализирующиеся в области полупроводниковой электроники. Перечень и основные параметры МК некоторых популярных семейств можно найти, например, в интернете.

Современные МК (их раньше называли однокристальными микро-ЭВМ) объединяют в своем корпусе мощное процессорное Ядро, запоминающие устройства для хранения выполняемой программы и данных, устройства приема входных и формирования выходных сигналов, многочисленные вспомогательные узлы. Общая тенденция современного «микроконтроллеростростроения» - уменьшение числа внешних элементов, необходимых для нормальной работы. На кристалле микросхемы размещают не только компараторы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, но и всевозможные нагрузочные и "подтягивающие” резисторы, цепи сброса.

Выходные буферы МК рассчитывают на непосредственное подключение наиболее типичных нагрузок, например, светодиодных индикаторов. Почти любой из выводов МК (за исключением, конечно, выводов общего провода и питания) разработчик может использовать по своему усмотрению в качестве входа или выхода. В результате довольно сложный по выполняемым функциям прибор нередко удается выполнить всего на одной микросхеме.

Постоянное удешевление МК и расширение их функциональных возможностей снизило порог сложности устройств, которые целесообразно строить на их основе. Сегодня имеет смысл конструировать на МК даже такие приборы, для реализации которых традиционными методами потребовалось бы менее десятка логических микросхем средней и малой степени интеграции. Пожалуй, главным препятствием на этом пути остается консерватизм разработчиков, многие из которых до сих пор считают МК чем-то непостижимо сложным.

Между тем процессы разработки программы для МК и обычной принципиальной схемы цифрового устройства во многом схожи. В обоих случаях "здание" нужной формы строят из элементарных "кирпичей”. Просто "кирпичи" разные: в первом случае - набор логических элементов, во втором - набор команд микроконтроллера.

Вместо взаимодействия между элементами с помощью обмена сигналами по проводам пересылка данных из одной ячейки памяти в другую внутри МК. Процесс пересылки "выплескивается" наружу, когда МК поддерживает связь с подключенными к нему датчиками, индикаторами, исполнительными устройствами и внешней памятью. Различаются и рабочие инструменты. На смену карандашу, бумаге, паяльнику и осциллографу приходят компьютер и программатор, хотя на последнем этапе отладки изделия без осциллографа и паяльника все же не обойтись.

Еще одна трудность - недостаточное количество полноценной технической документации и справочной литературы на русском языке. Большинство публикаций подобного рода в периодических изданиях и особенно в русскоязычном Интернете, зачастую не более чем подстрочные переводы английских оригиналов. Причем переводчики, иногда мало знакомые с предметом и терминологией, истолковывают "темные” места по-своему, и они (места) оказываются довольно далекими от истины. Практически отсутствуют русскоязычные программные средства разработки и отладки программ МК.

Первое знакомство с МК для многих начинается с повторения одной из опубликованных в том же журнале "Радио" или другом издании конструкций на их основе. И здесь сразу проявляется главное отличие МК от обычной микросхемы: он не способен делать что- либо полезное, пока в его внутреннее (иногда внешнее) запоминающее устройство не занесена программа, т.е. набор кодов, задающий последовательность операций, которые предстоит выполнять. Процедуру записи кодов в память МК называют его программированием или прошивкой (не путать с предшествующим этому одноименным процессом разработки самой программы).

Необходимость прошивки, на первый взгляд, может показаться недостатком. На самом же деле это главное достоинство, благодаря которому можно, изготовив, например, всего одну плату с МК и несколькими соединенными с ним светодиодными индикаторами и кнопками, по желанию, превращать все в частотомер, счетчик импульсов, электронные часы, цифровой измеритель любой физической величины, пульт дистанционного управления и контроля и многое другое.

Возможность сохранять в секрете коды программы помогает производителям аппаратуры на МК в борьбе с конкурентами. Правда, излишняя секретность программ нередко создает дополнительные трудности при ремонте или совершенствовании устройств на МК "чужой" разработки. Но это другой вопрос.

Еще недавно, приступая к проектированию конструкции на МК, разработчик стоял перед проблемой: можно ли решить поставленную задачу, используя приборы одного-двух известных ему типов. Сегодня ситуация изменилась в корне. Из множества доступных МК следует выбрать тот, с помощью которого задача будет решена оптимальным образом. К сожалению, так поступают далеко не все. Возникла даже определенная "мода" на изделия тех или иных типов, образуются своеобразные группировки сторонников МК определенных семейств. Свой выбор они обосновывают, как правило, на уровне "нравится - не нравится”. Нередко отрицательное мнение о каком-либо приборе объясняется единственной неудачной попыткой его применения, зачастую без попытки анализа и устранения причин неудачи. Некоторые фирмы распространяют документы под названием "Правда о...” с "объективным" сравнением своих приборов с изделиями конкурентов, и, как правило, в пользу первых. Особо доверять подобным публикациям не стоит, всегда найдется отчет о сравнении с обратными результатами и выводами.

Хочу сказать, что, как и во многих других случаях, заведомо хороших или плохих МК нет, и не может быть. Каждый из них способен показать отличные результаты при решении задач определенного класса и с трудом справляется с другими. Отсюда и разнообразие типов. Как правило, выигрыш по одному параметру сопровождается ухудшением других. Самые простые примеры: МК, рассчитанный на многократное перепрограммирование, всегда дороже однократно программируемого аналога, а более скоростной прибор чувствительнее медленного к импульсным помехам и требовательнее к трассировке печатной платы. Конечно, существуют универсальные приборы, в достаточной мере пригодные для решения широкого класса задач. Однако если необходимо лишь повторить ту или иную конструкцию, особой возможности выбирать МК нет, нужно использовать указанный в описании или его полный аналог, например, из числа изготавливаемых другими фирмами по лицензии. На вопрос, можно ли заменить МК одного типа другим, зачастую приходится давать отрицательный ответ, хотя теоретически такая возможность имеется: надо лишь переработать программу, а если число и назначение выводов заменяемого и заменяющего МК различны, то и печатную плату.

Если речь идет о замене МК близким по структуре и принадлежащим к тому же семейству или о замене устаревшего изделия современным аналогом, адаптировать программу, как правило, удается. Фирма Microchip и ATMEL даже включает в справочные данные своих МК рекомендации по такой адаптации. В общем случае полноценный перенос программы на другой МК требует наличия не только публикуемой обычно "прошивки" РПЗУ, а и полного исходного текста, желательно с комментариями программиста. Листинг, полученный в результате дизассемблирования "прошивки",далеко не полноценный эквивалент. От программиста потребуется значительно более высокая квалификация, чем достаточная для разработки "с нуля", не меньшими будут и трудозатраты.

Начинать самостоятельную разработку устройства на МК и, естественно, программы для него рекомендуется с проработки и составления блок-схемы алгоритма его работы. Только по результатам этого этапа можно сделать правильный выбор МК..

Наш дальнейший рассказ построим на конкретном примере. Как то недавно потребовался счетчик, способный подсчитывать пересечения неким предметом определенного рубежа в одну и другую стороны. Полистав номера журнала "Радио”, нашел подходящее устройство, но оно показалось слишком сложным (11 микросхем, в том числе РПЗУ большого объема) и к тому же не обладало некоторыми необходимыми функциями, в частности, возможностью предварительной установки показаний счетчика и запоминания его состояния после выключения питания. Появилась идея изготовить нужный прибор на МК. По причинам, изложенным далее, был выбран МК PIC16F84 (PIC16F84А). В результате родилась схема устройства (рис. 1 ),

содержащего всего две микросхемы. В устройстве допустимо применение микроконтроллера PIC16F84 и PIC16F84 A с любыми предельной частотой, типом корпуса и рабочим интервалом температур (об этих параметрах говорят цифровые и буквенные индексы после дефиса в обозначении микросхемы, например, -101/Р). А если совершенствование программы не предполагается, можно использовать и дешевый однократно программируемый аналог PIC16CR84 если конечно его удастся найти.

Датчики перемещения предмета - транзисторные оптроны с открытым каналом АОТ147Б (U1, U2). Нагрузкой их фототранзисторов служат имеющиеся в МК внутренние резисторы. Допустимо использовать и оптопары, состоящие из отдельных свето и фотодиодов (фототранзисторов). Оптические датчики при необходимости заменяют любыми другими: магнитными, контактными, индуктивными. Важно лишь, чтобы при их срабатывании на соответствующих входах МК изменялись логические уровни.

В устройстве применен четырехразрядный семи сегментный светодиодный индикатор СА56-11SR фирмы Kingbright. Возможно также использование любых семи сегментных светодиодных индикаторов с общим анодом, например, четырех отечественных АЛС324Б. Набор резисторов DR1 можно заменить семью обычными резисторами сопротивлением 300 Ом. Программа, которую необходимо занести в память МК DD2, чтобы превратить устройство в счетчик, приведена в табл. 1. При включении питания во всех разрядах индикатора зажигаются нули. После каждого выполнения цикла "затенен U1" - "затенены U1 и U2" - "не затенен U1” - "не затенен U2" показания увеличиваются на единицу. Счетчик реверсивный, поэтому при срабатывании датчиков в обратном порядке показания на столько же уменьшаются. Максимальное число - 9999, после него следует ноль.

В следующей статье цикла будет о рассказано о том, как создавалась и отлаживалась схема и программа счетчика, об её совершенствовании и введении дополнительных функций. Этим примером будут проиллюстрированы основные возможности МК PIC16F84 и приемы работы с бесплатными средствами программирования и отладки. Они объединены в пакет MPLAB, последнюю версию которого можно "скачать" с Интернет-сайтов www.microchip.com или www.microchip.ru. Или со станицы форума АЛЕКСАНДРА там же подробно описано как его установить.

Для того чтобы занести коды из табл. 1 во внутреннюю память МК, необходим программатор. Однако он не "умеет" читать коды с интернет страниц, поэтому прежде всего требуется создать в компьютере файл с этими кодами в формате, "понятном" программатору. В табл. 1 они приведены в так называемом НЕХ-формате, разработанном фирмой Intel и ставшем фактическим стандартом для программирования ПЗУ различного назначения. (Нужно сказать, что других одноименных форматов, например, Microchip HEX, не существует, используются подобные названия лишь по недоразумению). Аналогичные форматы, разработанные другими фирмами, не нашли широкого применения и предназначены, как правило, лишь для аппаратных и программных средств собственной разработки, в большинстве своем "понимающих" и Intel НЕХ-формат.

Коды вводят в компьютер с помощью любого текстового редактора, в том числе Microsoft Word, точно в том виде, в котором они приведены в табл. 1 .

Если имеется сканер и программа распознавания текста, например, FineReader, можно воспользоваться ими. Но в последнем случае считанные данные придется сверить с оригиналом, так как автоматическое распознавание не идеально (возможны ошибки). Учтите, что в НЕХ файлах применяются только символ двоеточия, цифры и латинские буквы A - F. Каждую строку начинают двоеточием в первой позиции и заканчивают нажатием на клавишу ENTER. Пробелы не допускаются. Закончив ввод и проверив коды, сохраните файл в режиме" Текст DOS" или "Только текст”, присвоив ему любое имя с расширением *.hex.

Нередко коды программ публикуют в виде так называемого "дампа памяти". Это более удобная для зрительного восприятия (чем в НЕХ-формате) таблица. Она состоит из строк, начинающихся шестнадцатеричным адресом (обычно четырехразрядным), за которым через пробелы следуют двухразрядные шестнадцатеричные коды, хранящиеся в следующих одна за другой ячейках (байтах) памяти. Адрес в начале строки относится к первой из ячеек, а всего их обычно 16. Для сравнения в табл. 2 приведен дамп, содержащий те же данные, что и табл. 1 . HEX и дамп легко преобразовать один в другой следующим образом (см. табл. 3 ).

Первые два знака после двоеточия - число байт информации в строке. В данном случае их 16 (10 H ). Далее следует адрес первого байта (0020Н), за ним - двухразрядный код назначения строки:

0 - строка содержит данные;

1 - завершающая строка файла (:00000001 FF); она не содержит данных, число байт и адрес в ней - нулевые. Во многих случаях для опознания строки как завершающей достаточно нулевого числа байт;

2 - в области данных находится адрес сегмента памяти, относительно начала которого, отсчитывают адреса, задаваемые в следующих строках. Следует помнить, что два байта адреса сегмента следуют в порядке старший - младший. Число, которое необходимо прибавлять к текущим адресам, получают сдвигом двоичного кода адреса сегмента на четыре двоичных разряда влево, т. е. умножением его на 16;

3 - в области данных находятся четыре байта стартового адреса программы в обычном для IBM PC формате CS:IP;

4 - в области данных находятся (в порядке от старшего к младшему) четыре байта абсолютного адреса, значение которого без всяких преобразований следует прибавлять к адресам, указанным в следующих строках;

5 - то же, что 04, но задает абсолютное значение адреса старта программы.

Строки с кодами назначения 02 и 04 используют, если необходимо задать адреса, превышающие 0FFFFH. Для программирования МК с памятью небольшого объема (таких, как PIC16F84) в них нет необходимости. Тем не менее, иногда подобную строку, задающую нулевой начальный адрес, помещают в начало НЕХ-файла. Ее можно безболезненно удалить.

Строки с кодами 03 и 05 встречаются весьма редко, поскольку адрес старта программы МК чаще всего определяется архитектурой последнего и не может быть изменен. У МК семейства PICmicro он нулевой.

За кодом назначения следует область данных из указанного в начале строки числа байт. Строка завершается контрольным байтом. Алгоритм подсчета его значения довольно прост: восемь младших двоичных разрядов суммы всех байт строки, включая ее длину, два байта адреса, код назначения, данные и контрольный, должны быть равны нулю.

Первоначально НЕХ-формат предназначался для хранения восьмиразрядных данных. Коды большей разрядности разбивают на соответствующее число байтов, которые записывают в файл в порядке от младшего к старшему. Например, каждой из 14-разрядных команд МК ИС16F84 отводят по два байта, причем два старших двоичных разряда второго байта остаются свободными (код в этом байте не превышает 3FH).

В результате адреса в НЕХ-файле удвоены по сравнению с действительными адресами команд программы. Например, строка

:080008008C0003088D000408C0 описывает такую последовательность программных кодов;

Адрес Код

4 008С

5 0803

6 008D

7 0804

Некоторые программные средства (как правило, ведущие свою родословную не от IBM-совместимых компьютеров) записывают в файл и воспринимают байты данных в обратном порядке - старший, за ним младший. На это стоит обратить внимание, если программатор "капризничает”, не желая правильно читать файл.

Описанный формат представления многоразрядных данных часто называют Merged (склеенный). Изредка встречается другой вариант: НЕХ-файл разбивают на два, один из которых содержит все младшие, а второй - все старшие байты слов программы. Такой формат называют Splitted (расщепленный).

Следует учесть, что файл может не задавать сплошной последовательности кодов. Например, между кодами в первых двух строках табл. 1 остается незаполненным промежуток в шесть байт (три команды программы). Никакой информации об их содержимом НЕХ-формат не дает. В зависимости от алгоритма работы программатора они остаются в незапрограммированном исходном состоянии или в них сохраняются коды, записанные ранее. В табл. 2 неиспользованные ячейки заполнены нулевыми кодами.

Как известно, МК содержат постоянную память различного назначения: FLASH либо однократно программируемую для программы, EEPROM для данных, специальные ячейки конфигурации и идентификации МК. Информацию, предназначенную для этих областей, нередко хранят в отдельных файлах и при

программировании приходится вручную указывать, куда именно ее записать. Но в семействе PICmicro принято решение, позволяющее объединить все в одном НЕХ-файле. Упомянутые выше области, находящиеся для процессора МК в разных адресных пространствах, с точки зрения программатора объединены в одно. Для PIC16F84 распределение следующее (в скобках - "байтные" адреса):

0-3FFH (0-7FFH) - коды программы; у МК с памятью большего объема эта область может быть расширена до 1FFFH (3FFFH) ;

2000Н-2003Н (4000Н-4007Н) - коды идентификации;

2007Н (400ЕН, 400FH) - слово конфигурации;

2100Н-213FH (4200Н-427FH) - коды, записываемые по адресам 0-3FH EEPROM.

Несмотря на то что, организация EEPROM - восьмиразрядная, в данном случае каждому из предназначенных для него кодов в НЕХ-файле отводят по два байта, старший из которых - с нулевым содержимым

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ >>>>>

ВСЕ ВОПРОСЫ НА

Микроконтроллеры для начинающих. Видеоурок. Записываем программу в микроконтроллер (прошиваем чип)

________________________________________________________________________________________________________

Первая простейшая программа, управляющая напряжением на выводах микроконтроллера. Программирование в редакторе CodeVisionAVR. Перенос программы в память микроконтроллера (прошивка кристалла). скачать (36 МБ)

Содержание

Если видеозапись не идёт, установите flash-плеер и проверьте звуковую карту, либо скачайте материал (36 МБ). Если вместо видео - зелёный экран, переустановите flash-плеер (просто скачайте последнюю версию ). Если видео "дёргается", поставьте его на паузу и дайте немного подгрузиться. Плеер для просмотра flash-видео на домашней машине . Разверните видео на весь экран. Если напишут "Видео не найдено", "Video not found" - перезапустите видео ещё раз.

Редактор СodeVisionAVR - официальный сайт

Если микроконтроллер не прошивается, то:
1) Не суетитесь. Отложите конструкцию, отдохните, попейте чайку и расслабьтесь. Реальные конструкции редко начинают работать с первого раза - это нормально, тем более для начинающих (т.к. слишком много неучтённых факторов, которые мозг сходу осмыслить не в состоянии).
Профессиональные разработчики переделывают свои конструкции по несколько десятков раз:)))
Интересное свойство мозга: Как говорил Марк Твен: "Не откладывайте на завтра то, что можно отложить на послезавтра". Иногда в упор не получается написать программу, придумать электронную схему и т п. В этом случае не надо прикладывать сверхусилий. Отложите задачу в подсознание и подождите пару дней. После перерыва часто всё получается само собой. Причём намного быстрее и лучше, чем если бы вы эти же пару дней мучались с утра до ночи.

2) После отдыха еще раз внимательно проверьте:
Питание - не ниже 4.5 вольт , желательно взять от USB того компьютера, к которому подключён программатор (для исключения возможных выравнивающих токов). Проверьте напряжение тестером;
Не слишком ли длинные провода от компьютера к программатору. На длинные провода наводятся помехи и увеличивается вероятность сбоя передачи данных;
Может кабель внутри оборван? Прозвоните тестером все жилы.
Не перепутали ли провода MOSI , MISO , SCK , RESET, GND , в нужное ли место воткнули?
Правильно ли настроили программатор в Setting >> Programmer ;
Project >> Configure >> C Compiler ;
Правильно ли указали тип кристалла в Tools >> Chip Programmer ;

Фьюзы не трогали? Если трогали, придётся ставить внешний кварц.
Почистили чип перед прошивкой? Tools >> Chip Programmer >> Program >> Erase Chip ;
Иногда помогает полная очистка чипа Tools >> Chip Programmer большая к нопка Reset Chip (равносильна подаче импульса на вывод RESET);
Поставьте в самом низу окна Tools >> Chip Programmer три галочки Check Signature , Check Erasure , Verify ; Либо наоборот - снимите эти галочки. Попробуйте и так, и так.
Если уж ничего не поможет, тогда закажите новый чип . Вытащенный откуда-то чип может оказаться и горелый, и настроенный на внешний генератор, и с выжженными пинами и тому подобное. Да и в магазинах их иногда бракованные подсосывают, т.к. хранят чёрт знает где. Иногда бывает проще купить новый чип, чем думать, что произошло со старым (но не выбрасывайте, когда наберётесь опыта - восстановите).
Если найдёте старый компьютер - попробуйт е сделать LPT-программатор (вдруг USB-программатор бракованный подсунули?). Проще LPT-программатора ничего нет; я его делал на десятке компьютеров - он всегда начинал работать сразу и никогда не было сбоев.
Не забывайте перед монтажом заземлять руки о батарею, о водопроводный кран или о массивную стальную конструкцию (забор, стеллаж для книг), или купите антистатический браслет или коврик (статическое электричество с рук может повредить хлюпкие микросхемы).
Наконец, самый извращенский способ - попробуйте взять другой компьютер . Бывает, что материнские платы глючат, порты на них выгорают, проводочки от контактов отходят и т п.

Изучайте микроконтроллеры не только по видеороликам с этого сайта. Мозгу нужно разнообразие. Читайте книги, форумы, википедию, другие сайты. Спрашивайте совета у знакомых электронщиков. Практикуйтесь и экспериментируйте самостоятельно. Копите знания и опыт.

• Tutorial

Картинка для привлечения внимания - xkcd

Представьте себе, что вы попали на необитаемый остров. И вам жизненно необходимо запрограммировать микроконтроллер. Зачем, спросите вы? Ну, допустим, чтобы починить аварийный радиомаяк, без которого шансы на спасение резко падают.

Радуясь, что еще не забыли курс ассемблера, вы кое-как написали программу палочкой на песке. Среди уцелевших вещей каким-то чудом оказалась распечатка документации на контроллер (хорошо, что вы еще не успели пустить её на растопку!), и программу удалось перевести в машинные коды. Осталась самая ерунда - прошить её в контроллер. Но в радиусе 500 километров нет ни одного программатора, не говоря уже о компьютерах. У вас только источник питания (батарея из картошки кокосов) и пара кусков провода.

Как же прошить МК фактически голыми руками?

В качестве подопытного будет выступать МК ATtiny13 фирмы Atmel. Описанная методика работает практически с любым контроллером семейства AVR, разве что коды команд могут незначительно отличаться.

Интерфейс

Самым распространенным и удобным интерфейсом для прошивки AVR является SPI (Serial Peripheral Interface). Для подключения по SPI нужно всего четыре провода, не считая земли:

• SCK - тактовый сигнал, синхронизирует все операции обмена данными;
• MOSI (Master Out Slave In) - линия данных от ведущего устройства к ведомому;
• MISO (Master In Slave Out) - линия данных, наоборот, от ведомого устройства к ведущему;
• RESET - для разрешения прошивки по SPI нужно подать логический «0» на этот вывод.

Таким образом, нам необходимо сформировать три сигнала и (необязательно) прочитать один. Вот так выглядит простейшая схема для этого:


Рис. 1. Простейшая схема подключения по SPI.

Для своего же удобства можно добавить индикацию входных сигналов. Схема усложняется, но не чрезмерно:


Рис. 2. Схема с индикацией сигналов.

Защита от дребезга

К сожалению, просто используя кнопки для формированя сигналов SPI, хорошего результата мы не добьёмся. Причина этого - в неприятном явлении, которое называется дребезг контактов . При замыкании механические контакты соударяются, отскакивают друг от друга, и вместо одного импульса получается несколько. Для подавления дребезга придется собрать простую схему из пары логических элементов:


Рис. 3. RS-триггер для подавления дребезга.

Это RS-триггер, который переключается в состояние «1» в момент замыкания нижнего контакта переключателя и игнорирует остальные импульсы дребезга. Сброс триггера обратно в «0» происходит при замыкании верхнего контакта, то есть при отпускании кнопки.

«Ишь, разбежался!» - скажет читатель, - «Я же на необитаемом острове сижу. Где я тут возьму триггеры?» Хорошо, можно избавиться от дребезга и без электронных схем. Нужно только заменить «сухой» контакт на мокрый жидкостный. Выключателем будут служить два электрода, опускаемые в проводящую жидкость.

Сигналы MOSI и RESET не требуют подавления дребезга, в отличие от SCK: здесь значение имеет только уровень сигнала в момент выборки, а не его фронты.

Как работает SPI

Рис. 4. Временная диаграмма работы SPI.

SPI является синхронным интерфейсом: все операции синхронизированы фронтами тактового сигнала (SCK), который вырабатывается ведущим устройством. Максимальная скорость передачи ограничена величиной 1/4 тактовой частоты контроллера. На минимальную же скорость нет никаких ограничений: без тактового сигнала обмен данными «замораживается», и интерфейс может оставаться в статическом состоянии сколь угодно долго.

Передача по SPI осуществляется в полнодуплексном режиме, по одному биту за такт в каждую сторону. По возрастающему фронту сигнала SCK ведомое устройство считывает очередной бит с линии MOSI, а по спадающему - выдает следующий бит на линию MISO. Все внимание на рисунок 4.

Протокол прошивки

Все общение программатора с МК состоит из отправки 32-битных команд и приема ответов контроллера. Полный перечень команд есть в datasheet"е, а здесь перечислим, какие операции необходимо выполнить для прошивки МК:

1. Перевод контроллера в режим программирования;
2. (опционально) Чтение идентификатора устройства;
3. Стирание;
4. Запись во flash;
5. (опционально) Проверка записанного;

Рассмотрим каждый шаг подробно.

Включение режима программирования

Режим программирования включается подачей «0» на ногу RESET. Но есть некоторые тонкости. Atmel рекомендует сначала выставить на выводах RESET и SCK низкий уровень, а только потом подавать на контроллер питание. Если такой возможности нет, нужно после включения питания подать «0» на SCK, а затем положительный импульс на RESET:

Рис. 5. Перевод МК в режим программирования.

Рис. 6. Команда «Program Enable».

Биты, обозначенные как x , могут быть любыми. Во время передачи третьего байта контроллер должен переслать обратно второй байт (01010011 ). Если это произошло, значит, все хорошо, команда принята, контроллер ждет дальнейших инструкций. Если ответ отличается, нужно перезагрузить МК и попробовать все сначала.

Проверка идентификатора

Рис. 7. Команда «Read Signature Byte».

Прежде чем что-либо писать в память МК, нужно убедиться, что перед нами именно та модель, которая нужна. Каждая модель контроллера имеет свой трехбайтный идентификатор (Signature). Прочитать его можно командами вида
00110000 000xxxxx xxxxxxbb xxxxxxxx
Вместо bb (третий байт команды) следует подставить 00 для первого байта идентификатора, 01 - для второго и 10 - для третьего. Соответствующий байт идентификатора будет передан контроллером при отправке 4-го байта команды.

Для ATtiny13 значение идентификатора равно 00011110 10010000 00000111 (0x1E 90 07 ).

Очистка контроллера

Рис. 8. Команда «Chip Erase».

Следующим шагом будет очистка памяти МК, которая осуществляется посылкой команды «Chip Erase»
10101100 100xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
Этой командой выполняется стирание содержимого Flash и EEPROM (все ячейки будут содержать FF), а также снятие lock-битов, если они установлены.

Запись во flash-память

Память программ (Flash) в ATtiny13 состоит из 512 двухбайтных слов (1К байт). Адрес слова имеет разрядность 9 бит. Flash-память разделена на страницы, каждая страница имеет размер 16 слов (всего получается 32 страницы). Запись во flash осуществляется в два этапа.

Сначала необходимо загрузить данные в буфер страницы, для этого используется команда «Load Program Memory Page»
01000000 000xxxxx xxxxbbbb iiiiiiii - для загрузки младшего байта слова, и 01001000 000xxxxx xxxxbbbb iiiiiiii - для загрузки старшего.
4 младших бита 3-го байта команды bbbb - адрес слова на странице, iiiiiiii - загружаемый байт. Сначала всегда должен загружаться младший байт слова, а затем - старший байт того же слова.

Рис. 9. Команда «Load Program Memory Page».

После того, как буфер страницы загружен, нужно выполнить команду «Write Program Memory Page» 01001100 0000000a bbbbxxxx xxxxxxxx для записи страницы непосредственно в память контроллера.
Младший бит второго байта и старшие 4 бита третьего a:bbbb - пятибитный номер страницы для записи.

Рис. 10. Команда «Write Program Memory Page».

Все это выглядит довольно запутанно, но ничего сложного нет. Адрес любого байта памяти программ состоит из 10 бит: ppppp:bbbb:w , где
ppppp - номер страницы (используется в команде «Write Program Memory Page»);
bbbb - адрес слова на странице (в команде «Load Program Memory Page»);
w - бит, определяющий старший или младший байт в слове (зашифрован в первом байте команды «Load Program Memory Page»).

Чтение flash

Рис. 11. Команда «Read Program Memory».

После записи прошивки в МК неплохо бы проверить записанное, так как никакой проверки целостности данных не выполнялось. Единственный способ проверки состоит в том, чтобы прочитать весь объем flash-памяти и сравнить с оригиналом.

Читать память программ легче, чем писать в нее. Забудьте про страничную организацию, чтение выполняется побайтно. Команда «Read Program Memory» выглядит так:
00100000 0000000a bbbbbbbb xxxxxxxx - для чтения младшего байта слова, и 00101000 0000000a bbbbbbbb xxxxxxxx - для старшего.
Младший бит второго байта и весь третий байт a:bbbbbbbb - адрес слова в памяти. Прочитанный байт возвращается во время передачи 4-го байта команды.

Завершение программирования

Пожалуй, самая простая операция. Чтобы завершить программирование и перевести МК в рабочий режим, достаточно подать на RESET логический уровень «1». Контроллер запустится и будет работать по новой программе.

Практика

Настало время воспользоваться полученными знаниями на практике. Жертва эксперимента - ATtiny13 - воткнут в макетную плату, рядом собран формирователь сигналов, всё готово:


Рис. 12. Экспериментальная схема.

Шить будем программу вида «проще некуда»:
ldi R24, 0x02 out DDRB, R24 out PORTB,R24 L1: rjmp L1
Всё, что она делает - это выдает единицу на ногу PB1 и уходит в бесконечный цикл. В машинных кодах она занимает всего четыре слова:
E082 BB87 BB88 CFFF
Для прошивки её в контроллер необходимо набрать следующие команды:
1010 1100 0101 0011 0000 0000 0000 0000 // program enable 1010 1100 1000 0000 0000 0000 0000 0000 // chip erase 0100 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0010 // load addr.0000 low byte 82 0100 1000 0000 0000 0000 0000 1110 0000 // load addr.0000 high byte E0 0100 0000 0000 0000 0000 0001 1000 0111 // load addr.0001 low byte 87 0100 1000 0000 0000 0000 0001 1011 1011 // load addr.0001 high byte BB 0100 0000 0000 0000 0000 0010 1000 1000 // load addr.0010 low byte 88 0100 1000 0000 0000 0000 0010 1011 1011 // load addr.0010 high byte BB 0100 0000 0000 0000 0000 0011 1111 1111 // load addr.0011 low byte FF 0100 1000 0000 0000 0000 0011 1100 1111 // load addr.0011 high byte CF 0100 1100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 // write page
Ключ на старт, поехали!

Как прошить микроконтроллер AVR? Именно этим мы и займемся в этой статье.

Что такое “прошить” и “прошивка”?

Давайте первым делом определимся, что означает слово “прошить” ? Думаю, вы часто слышали такие словосочетания, как “прошить телефон”, “слетела прошивка”, “кривая прошивка” и тд. А что такое “прошивка” ?

Прошивка – это грубо говоря, операционная система для маленьких устройств, таких как мобильный телефон, MP3-плеер, цифровой фотоаппарат и тд. То есть это небольшая программка, которая управляет этим устройством. Также часто можно услышать и такое:” У меня “глючит” сотовый телефон, его надо срочно “перепрошить “.

В данном случае это означает, что надо заново установить операционную систему на мобильный телефон. Значит, “прошить МК” означает закачать во внутрь него программу, которая бы управляла этим МК, а МК уже управлял бы каким-нибудь устройством. То есть по идее, МК – это посредник между программой и каким-либо устройством, которым надо управлять;-)

Оборудование для прошивки МК

Итак, что нам потребуется, чтобы прошить МК?

1. Cам микроконтроллер.
2. Компьютер, с заранее установленным программным обеспечением (ПО).
3. Программатор.
4. Несколько джамперов.
5. Макетная плата . Я бы порекомендовал сразу купить набор для начинающего AVRщика. Этот набор питается от USB.
6. Прямые руки, растущие из нужного места.

Мы с вами договорились использовать МК Atiny2313 в корпусе DIP-20:

Подготовка МК к прошивке

В прошлых статьях мы с вами рассматривали программатор Громова . Главный его минус в том, что нам требуется COM-порт, который с трудом можно сейчас найти в компьютере, а разъем USB зато есть на каждом компьютере. Поэтому, было принято решение о покупке самого дешевого USB программатора для AVR МК. Называется такой программатор и выглядит он примерно вот так

Если хорошенько порыться на Али , то можно найти очень сладкую цену на такой программатор. Например, . Может быть найдете даже дешевле. Если будете брать у другого продавца, то внимательно смотрите, чтобы его надписи и радиоэлементы располагались именно так, как у меня на фото . В среднем его цена на момент написания статьи около 120 рублей. Такой программатор в корпусе обойдется чуток подороже.

Вот его вид сзади:

Его рабочий разъем выглядит примерно вот так:

С программатором также в придачу идет шлейф

который одним концом цепляется к рабочему разъему программатора:

Другой конец шлейфа мы будем цеплять к МК.

Если внимательно присмотреться, то можно узнать, какой вывод в разъеме является первым. Стрелка укажет на первый вывод разъема:

После того, как узнали, где находится первый вывод, можно без труда определить остальные выводы:

Итак, наша задача – соединить выводы МК с выводами программатора.

Для этого в разъем шлейфа втыкаем провода в гнезда MOSI, RST, SCK, MISO, VTG (VCC), GND. GND я взял 10 гнездо, можно и другое, где написано GND. Итого 6 проводков-джамперов:

VTG (он же VCC) цепляем к 20 ножке МК

SCK(UCSK) цепляем на 19 ножку МК

MISO цепляем к 18 ножке МК

MOSI на 17 ножку

GND на 10 ножку

RST на первую ножку

Должно получиться как-то вот так:

После первого включения программатора в разъем USB ПК, Диспетчер устройств нам выдаст новое устройство:

Не пугаемся, качаем вот архивчик, распаковываем его и указываем путь на него при установке “дров”. Когда “дровишки” на программатор установятся, то мы увидим что-то типа этого:

Все ОК, программатор готов к бою.

В этом же архиве находим папку “avrdudeprog”, открываем ее, находим там исполняемый файл AVRDUDEPROG и запускаем. Это и есть программная оболочка для прошивки МК с помощью нашего программатора.

Она выглядит вот так. Не забываем выбрать наш МК в списке.

Для того, чтобы прошить МК, нам надо выбрать файл с расширением HEX. Итак, вот мой файлик. Первым делом я нажимаю кнопочку “Стереть все” . А вдруг кто-то уже использовал МК и там залита уже какая-нибудь программа? Поэтому, перед прошивкой стираем память МК. Если “стирка” прошла удачно, то программка выдаст нам примерно такое сообщение:

Прошиваем МК AVR

Нажимаем на кнопку выбора файла:

А теперь выбираем наш файл “Lesson 1.hex” . Это и есть наша программа.

А теперь жмем кнопочку “Программирование”

После того, как все прошло удачно, высветится что-то типа этого:

Но это еще не все! Как вы помните, в прошлой статье мы выставили частоту 8 Мегагерц. Чтобы не было неразберихи, нам эту частоту теперь надо поделить на 8. Для этого существует фьюз, который делит тактовую частоту именно на 8. Ставим маркер на “прямые фьюзы”, потом ставим галочку на CKDIV.

После того, как сделали эти два шага, нажимаем на кнопку “Программирование”:

Проверяем МК в железе

Теперь собираем нашу схемку, о которой говорилось еще в прошлой статье:

и наслаждаемся результатом:

Итак, если программа установлена, приступим к изучению её возможностей.

Устанавливаем микроконтроллер в панель программации, подключаем программатор к компьютеру и запускаем "PICkit 2 Programmer".

При запуске программа производит опрос программатора и автоматически определяет тип программируемого микроконтроллера по идентификационным битам (так называемому device ID). Внимание! Микросхемы семейства Baseline, а также микросхемы EEPROM и KeeLOG не имеют device ID. Чтобы программа смогла работать с этими микросхемами, нужно выбрать конкретное изделие через меню "Device Family".

Если вместо такой дружелюбной картинки покажется вот такая...

То нужно проверить корректно ли подключен usb-кабель, и через меню "Tools" - "Check Communication" произвести переподключение устройства.

Открытие файла с прошивкой.

Чтобы записать программу МК в его память, необходимо выбрать в меню пункт "File" - "Import Hex".

Затем выбрать в открывшемся окне нужный файл прошивки.

После этого в окне памяти программ (Program Memory) и данных (EEPROM Data) отобразится содержимое.hex файла.

Запись программы в МК.

Теперь можно программировать МК. Для этого жмём кнопку "Write". Процесс записи занимает 3 - 5 секунд.

Об успешном выполнении процедуры записи уведомит надпись "Programming Successful".

Для большей уверенности можно провести процедуру проверки. При нажатии на кнопку "Verify" программа сравнивает данные hex-файла и данные, записанные в МК. Если верификация прошла успешно, то в окне сообщений появится надпись "Verification Successful".

Внимание! Если вы прошиваете микроконтроллеры PIC12F675, PIC12F629 и аналогичные с внутренним тактовым генератором, то при верификации может выскакивать ошибка. Дело в том, что PICkit2 Programmer (версии 6.21) сохраняет калибровочную константу, а затем записывает её в последнюю ячейку памяти МК. Понятно, что исходный файл прошивки и записанные данные в памяти будут отличаться. О калибровочной константе будет рассказано далее.

Быстрые кнопки.

Кнопка "Auto Import Hex + Write Device" понравиться тем, кто хочет "загонять прошивку" в МК нажатием одной кнопки. Один щелчок и программа предложит выбрать файл прошивки, а затем незамедлительно запишет её в МК.

Кнопка "Read Device + Export Hex File" выполняет обратную функцию - производит считывание данных с МК и предлагает сохранить файл прошивки в.hex файл.

Изменение битов конфигурации.

Биты конфигурации задают основные параметры работы МК. Это и тип генератора (кварц, RC-цепь), включение/отключение так называемого "сторожевого таймера", установка защиты от считывания памяти программ и некоторые другие. Как правило, при написании алгоритма работы МК (программы) прописываются значения, которые нужно записать в биты конфигурации. При "прошивке" программная оболочка берёт данные о конфигурации из самого файла прошивки и принудительно указывать эти данные не требуется.

Но, нам, как начинающим не будет лишним знать, как можно просмотреть или изменить конкретные биты конфигурации. Для этого щёлкаем по надписи "Configuration". Откроется окно редактирования битов конфигурации.

Если нужно поменять 0 на 1, то меняем - жмём "Save". Естественно, менять надо осознанно. Повторяю, при использовании готового файла прошивки менять ничего не надо, программа сделает всё автоматически.

Выбор модели микроконтроллера.

Микроконтроллеры бывают разные. Поэтому при программировании МК бывает необходимость указать конкретную модель микроконтроллера. При выборе пункта меню "Device Family" выпадает список семейств микроконтроллеров. Есть среди этого списка и микросхемы памяти EEPROM.

В отличие от микроконтроллеров, микросхемы памяти EEPROM не определяются автоматически по команде "Tools" - "Check Communication". Поэтому при считывании/записи микросхем EEPROM в программе необходимо указать маркировку микросхемы.

В меню выбираем пункт "Device Family" - "EEPROMS" - "24LC".

Калибровочная константа.

Как известно, для работы микроконтроллера требуется тактовый генератор. Элементом, который задаёт частоту работы этого генератора, может быть внешний кварцевый резонатор , RC - цепь. Но среди микроконтроллеров PIC есть такие, которые содержат необходимые задающие цепи внутри самой микросхемы. К таким МК относятся, например PIC12F629, PIC12F675.

На заводе в память таких микроконтроллеров записывается специальная константа, которая задаёт параметры встроенного генератора на 4 МГц. Эта калибровочная константа вида 34хх записывается в последнюю ячейку памяти программ по адресу 0x3FF.

При программировании микроконтроллера эту константу легко стереть . И хоть PICkit2 Programmer версии 2.61 автоматически сохраняет эту константу и затем записывает её при программации, не лишним будет записать значение константы OSCCAL.

При необходимости константу легко указать вручную. Для этого в меню выбираем пункт "Tools" - "OSCCAL" - "Set Manually".

В поле "OSCCAL value" указываем ранее записанное значение константы. Жмём кнопку "Set" (установить).

Теперь, когда вы знакомы с основными возможностями PICkit2 Programmer, можно смело начать сборку какого-нибудь устройства на микроконтроллере, например,