Жүйе ішінде бағдарламалау техникасы

Кіріспе

Кіріктірілген жүйелерді бағдарламалау әдісі

Жүйелік бағдарламалау (ISP), сондай-ақ схема ішіндегі тізбекті бағдарламалау (ICSP) деп те аталады, – кейбір бағдарламаланатын логикалық құрылғылардың, микробасқарушылардың, чипсеттердің және басқа да кіріктірілген құрылғылардың толық жүйеге орнатылған күйінде бағдарламалану қабілеті. Бұл, чипті жүйеге орнату алдында бағдарламалау қажеттілігін жолайды. Сонымен қатар, бұл микробасқарушылар мен олармен байланысты процессорлардың чиптегі жадысына арнайы бағдарламалау тізбектерін қажет етпей, микрофирмалық бағдарламаны жаңартуға мүмкіндік береді және жобалау жұмысын жеңілдетеді.

Шолу

Микробақылаушы құрылғыларды бағдарламалау үшін жүйе ішіндегі бағдарламалау протоколдарына арналған стандарт жоқ. Микробақылаушыларды өндірушілердің көбісі осы мүмкіндікті қолдайды, бірақ әрқайсысы өз протоколын енгізген, тіпті бір өндірушінің әртүрлі құрылғылары үшін де олар жиі өзгеше болады. Жалпы, қазіргі заманғы протоколдар пайдаланылатын қосылымдар санын азайтуға тырысады, әдетте 2 қосылымға дейін. Кейбір ISP интерфейстері бір ғана қосылыммен де осы нәтижеге жетеді, ал басқалары JTAG интерфейсін іске асыру үшін 4 қосылымға дейін пайдаланады. Жүйе ішіндегі бағдарламалаудың басты артықшылығы – электрондық құрылғыларды өндірушілерге бағдарламалау мен сынақты бір өндіріс кезеңіне біріктіруге және жүйені құрастыру алдында жеке бағдарламалау кезегін қажет етудің орнына ақша үнемдеуге мүмкіндік беруі. Бұл өндірушілерге алдын ала бағдарламаланған микросхемаларды өндірушіден немесе дистрибьютордан сатып алудың орнына, өздерінің өндіріс желісінде микросхемаларды бағдарламалауға мүмкіндік береді, соның арқасында өндіріс барысында кодты немесе дизайнды өзгертуге болады. Тағы бір артықшылығы – өндіріс әрқашан ең соңғы бағдарламалық құралды пайдалана алады, ал жаңа мүмкіндіктер мен қателерді түзетулер кідіріссіз енгізіліп, өндіріске жіберіледі, бұл алдын ала бағдарламаланған микробақылаушыларды қолданғанда болатын кешігуді болдырмайды. Микробақылаушылар әдетте тікелей басылған схемалық тақтаға қосылады және көбінесе басқа компьютерге үлкен сыртқы бағдарламалау кабелі үшін қажетті схемалары немесе орын жоқ. Әдетте, ISP-ні қолдайтын микросхемаларда жүйедегі қалыпты қуат көзінен қажетті бағдарламалау кернеуін жасауға арналған ішкі схемалар болады және бағдарламалаушымен тізбектік протокол арқылы байланысады. Көптеген бағдарламаланатын логикалық құрылғылар автоматтандырылған сынақ процедураларымен оңай интеграция үшін ISP үшін JTAG протоколының түрін пайдаланады. Басқа құрылғылар көбінесе өнімдік протоколдарды немесе ескі стандарттармен анықталған протоколдарды қолданады. Егер жүйе жеткілікті күрделі болса және орташа көлемдегі қосымша логика қажет болса, жобалаушылар JTAG емес құрылғылар үшін, мысалы, флэш-жад пен микробақылаушылар үшін JTAG басқарылатын бағдарламалау кіші жүйесін іске асыруы мүмкін, бұл бүкіл бағдарламалау және сынақ процедурасын бір протоколдың бақылауымен орындауға мүмкіндік береді.

There is no standard for in system programming protocols for programming microcontroller devices. Almost all manufacturers of microcontrollers support this feature, but all have implemented their own protocols, which often differ even for different devices from the same manufacturer. In general, modern protocols try to keep the number of pins used low, typically to 2 pins. Some ISP interfaces manage to achieve the same with just a single pin, others use up to 4 for implementing a JTAG interface. The primary advantage of in system programming is that it allows manufacturers of electronic devices to integrate programming and testing into a single production phase, and save money, rather than requiring a separate programming stage prior to assembling the system. This may allow manufacturers to program the chips in their own system's production line instead of buying pre programmed chips from a manufacturer or distributor, making it feasible to apply code or design changes in the middle of a production run. The other advantage is that production can always use the latest firmware, and new features as well as bug fixes can be implemented and put into production without the delay occurring when using pre programmed microcontrollers. Microcontrollers are typically soldered directly to a printed circuit board and usually do not have the circuitry or space for a large external programming cable to another computer. Typically, chips supporting ISP have internal circuitry to generate any necessary programming voltage from the system's normal supply voltage, and communicate with the programmer via a serial protocol. Most programmable logic devices use a variant of the JTAG protocol for ISP, in order to facilitate easier integration with automated testing procedures. Other devices usually use proprietary protocols or protocols defined by older standards. In systems complex enough to require moderately large glue logic, designers may implement a JTAG controlled programming subsystem for non JTAG devices such as flash memory and microcontrollers, allowing the entire programming and test procedure to be accomplished under the control of a single protocol.

Тарих

1990 жылдардың басында микробасқарушылар архитектурасында маңызды технологиялық эволюция орын алды. Алғашқыда олар екі түрлі шешіммен іске асырылды: OTP (бір рет бағдарламаланатын) немесе EPROM жадымен. Бұл технологияларда жадты өшіру үшін чиптің корпусының үстіндегі арнайы терезе арқылы ультракүлгін сәулеге ұшырату қажет болатын. 1993 жылы Microchip Technology EEPROM жады бар алғашқы микробасқарушыны – PIC16C84 ұсынды. EEPROM жады электрлік түрде өшіріле алады. Бұл мүмкіндік корпустың үстіндегі өшіру терезесін жою арқылы өндіріс шығындарын төмендетуге және жүйе ішінде бағдарламалау технологиясын енгізуге мүмкіндік берді. ISP (In-System Programming) арқылы бағдарламалау процесін өндіріс процесінің соңында тікелей тақтада орындауға болады. Бұл эволюция бағдарламалау және функционалдық сынақ кезеңдерін біріктіруге, өндірістік ортада жұмыс істеуге және микробағдарлама әлі дамырылмаған жағдайда да тақталардың алдын ала өндірісін бастауға мүмкіндік берді. Осылайша, қателерді түзетуге немесе кейіннен өзгерістер енгізуге болады. Сол жылы Atmel флэш-жады бар алғашқы микробасқарушыны жасады, оны бағдарламалау оңай және жылдам, ал қызмет ету мерзімі EEPROM жадымен салыстырғанда әлдеқайда ұзақ. ISP-ні қолдайтын микробасқарушылар әдетте, бағдарламалаушымен байланыс үшін қолданылатын тізбектік байланыс интерфейсіне арналған контактілермен, флэш/EEPROM жадымен және микробасқарушыны бағдарламалау үшін қажетті кернеуді қамтамасыз ететін схемамен жабдықталған. Тізбектік байланыс интерфейсі өз кезегінде флэш немесе EEPROM жадымен жұмыс істеу үшін командаларды беретін бағдарламалау интерфейсіне қосылады. ISP бағдарламалау үшін электрондық тақталарды жобалау кезінде бағдарламалау кезеңінің сенімді болуын қамтамасыз ету үшін бірнеше нұсқауларды ескеру қажет. Аз контактілері бар кейбір микробасқарушылар I/O (кіріс/шығыс) желілерімен бағдарламалау желілерін бөліседі. Егер тақтаның жобасында қажетті сақтық шаралары ескерілмесе, бұл мәселе туындауы мүмкін; құрылғы бағдарламалау кезінде I/O компоненттерінің зақымдануына ұшырауы мүмкін. Сонымен қатар, бағдарламалаушыдан компоненттерге зақым келтірмеу үшін және микробасқарушы желіге жеткілікті ток бере алмағандықтан ISP желілерін жоғары кедергілі схемаларға қосу маңызды. Көптеген микробасқарушыларға бағдарламалау режиміне кіру үшін арнайы RESET (қайта орнату) желісі қажет. Желіні басқару үшін берілетін токқа назар аудару қажет, сондай-ақ RESET желісіне қосылған және қарама-қарсы қайта орнатуды тудыра алатын күзетші таймердің (watchdog) болуын тексеру қажет, бұл бағдарламалау сәтсіздігіне әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, кейбір микробасқарушыларға бағдарламалау режиміне кіру үшін жоғары кернеу қажет, сондықтан бұл мәннің әлсіремегенін және басқа компоненттерге берілмегенін тексеру қажет.

Starting from the early 1990s an important technological evolution in the architecture of the microcontrollers was witnessed. At first, they were realized in two possible solutions: with OTP (one time programmable) or with EPROM memories. In these technologies, memory erasing process requires the chip to be exposed to ultraviolet light through a specific window above the package. In 1993 Microchip Technology introduced the first microcontroller with EEPROM memory: the PIC16C84. EEPROM memories can be electrically erased. This feature allowed to lower the realization costs by removing the erasing window above the package and initiate in system programming technology. With ISP flashing process can be performed directly on the board at the end of the production process. This evolution gave the possibility to unify the programming and functional test phase and in production environments and to start the preliminary production of the boards even if the firmware development has not yet been completed. This way it was possible to correct bugs or to make changes at a later time. In the same year, Atmel developed the first microcontroller with flash memory, easier and faster to program and with much longer life cycle compared to EEPROM memories. Microcontrollers that support ISP are usually provided with pins used by the serial communication peripheral to interface with the programmer, a flash/EEPROM memory and the circuitry used to supply the voltage necessary to program the microcontroller. The communication peripheral is in turn connected to a programming peripheral which provides commands to operate on the flash or EEPROM memory. When designing electronic boards for ISP programming it’s necessary to take into account some guidelines to have a programming phase as reliable as possible. Some microcontrollers with a low number of pins share the programming lines with the I/O lines. This could be a problem if the necessary precautions are not taken into account in the design of the board; the device can suffer the damage of the I/O components during the programming. Moreover, it’s important to connect the ISP lines to high impedance circuitry both to avoid a damage of the components by the programmer and because the microcontroller often cannot supply enough current to pilot the line. Many microcontrollers need a dedicated RESET line to enter in the Programming Mode. It is necessary to pay attention to current supplied for line driving and to check for presence of watchdogs connected to the RESET line that can generate an unwanted reset and, so, to lead a programming failure. Moreover, some microcontrollers need a higher voltage to enter in Programming Mode and, hence, it’s necessary to check that this value it’s not attenuated and that this voltage is not forwarded to others components on the board.

Өнеркәсіптік қолдану

Жүйелік бағдарламалау процесі өнімнің соңғы өндіріс кезеңінде жүзеге асырылады және өндіріс көлемдеріне байланысты екі түрлі тәсілмен орындалуы мүмкін. Бірінші әдісте қосылыс бағдарламалаушыға қолмен қосылады. Бұл шешім бағдарламалау процесіне адамның қатысуын талап етеді, ол бағдарламалаушыны кабель арқылы электрондық тақтаға қосуы керек. Сондықтан бұл шешім төмен өндіріс көлемдері үшін арналған. Екінші әдіс тақтадағы сынақ нүктелерін пайдаланады. Бұл – басылған схемалық тақтада (PCB) орналасқан және тақтадағы кейбір электрондық компоненттерге электрлік түрде қосылған арнайы аймақтар. Сынақ нүктелері бортта орнатылған компоненттердің функционалдық сынақтарын жүргізу үшін қолданылады және олар микроконтроллердің тікелей шығыршындарына қосылғандықтан, ISP үшін өте тиімді. Орташа және жоғары өндіріс көлемдері үшін сынақ нүктелерін пайдалану – ең жақсы шешім, себебі ол бағдарламалау кезеңін құрастыру желісіне интеграциялауға мүмкіндік береді. Өндіріс желілерінде тақтайлар «төсек» деп аталатын негізгі тірекке орналастырылады. Бұл тіректер өндіріс көлемдеріне байланысты жартылай автоматты немесе автоматты сынау жүйелеріне (ATE – автоматты сынау жабдықтары) интеграцияланады. Тіректер әрбір тақтаға немесе ең көп дегенде сол тақтаға ұқсас бірнеше модельге арнайы жасалады – сондықтан олар интеграцияланған жүйеде алмастырылатын болады. Сынау жүйесі тақта мен тірегі орналасқаннан кейін, тіректің инелерін тақтадағы сынақ нүктелерімен байланыстыру механизміне ие болады, осы арқылы сынақ жүргізіледі. Жүйеге қосылған немесе тікелей кіріктірілген ISP бағдарламашысы болады. Ол тақтаға орнатылған құрылғыны немесе құрылғыларды бағдарламалауға тиіс, мысалы, микроконтроллерді және/немесе жадты.

Микрочип ICSP

Көптеген Microchip микроконтроллерлерінде ICSP бағдарламалау екі тіреуіш арқылы жүзеге асырылады: сағат (PGC) және дерек (PGD), ал Vpp/MCLR тіреуішінде жоғары кернеу (12 В) болады. Төмен кернеулі бағдарламалау (5 В немесе 3,3 В) жоғары кернеуді қажет етпейді, бірақ I/O тіреуішін эксклюзивті пайдалануға резервтейді. Дегенмен, жаңа микроконтроллерлер үшін, әсіресе Microchip Technology компаниясының PIC18F6XJXX/8XJXX микроконтроллерлер отбасылары үшін ICSP режимдеріне кіру әлдеқайда өзгеше. ICSP бағдарламалау/тексеру режиміне кіру үшін келесі үш қадам қажет: MCLR (мастерлік тазалау) тіреуішіне қысқа мерзімге кернеу қолданылады. PGD тіреуішіне 32 биттік кілттік тізбек жіберіледі. MCLR тіреуішіне кернеу қайтадан қолданылады. ПК-ның I/O портына бір жағынан, ал PIC-ке екінші жағынан қосылу үшін бағдарламашы деп аталатын жеке аппараттық құрал қажет. Әрбір маңызды бағдарламалау түрінің ерекшеліктерінің тізімі: Параллель порт – үлкен, көлемді кабель, көптеген компьютерлерде тек бір порт болады және бағдарламалау кабелін қосылған принтермен ауыстыру ыңғайсыз болуы мүмкін. 2010 жылдан кейінгі көптеген ноутбуктер бұл портты қолдамайды. Параллель портты бағдарламалау өте жылдам. Сериялық порт (COM порт) – бір кезде ең танымал әдіс. Сериялық порттарда көбінесе схеманы бағдарламалауға жеткілікті қуат кернеуі болмайды. 2010 жылдан кейінгі көптеген компьютерлер мен ноутбуктер бұл портты қолдамайды. Сокет (схема ішінде немесе сыртында) – процессорды схемалық платадан алып тастау керек немесе чипке қысқыш бекіту керек, бұл қол жеткізуге қиындық тудырады. USB кабельі – кішкентай және жеңіл, кернеу көзін қолдайды және көптеген компьютерлерде қосымша порттар болады. Бағдарламаланатын схема мен компьютер арасындағы қашықтық USB кабелінің ұзындығымен шектеледі – әдетте ол 180 см-ден аспауы керек. Бұл машиналардың ішіндегі немесе шкафтардағы құрылғыларды бағдарламалауды қиындатуы мүмкін. ICSP бағдарламалаушыларының көптеген артықшылықтары бар, олардың ішінде өлшемі, компьютерлік порттың қолжетімділігі және қуат көзі маңызды ерекшеліктер болып табылады. Өзара байланыс схемасының және микроконтроллерді қоршаған мақсатты схеманың әртүрлілігіне байланысты барлық мүмкін мақсатты схемалармен немесе байланыстармен жұмыс істейтін бағдарламашы жоқ. Microchip Technology толыққанды ICSP бағдарламалау нұсқаулығын ұсынады. Көптеген сайттар бағдарламалау және схема мысалдарымен бөліседі. PIC микроконтроллерлері бес сигнал арқылы бағдарламаланады (алтыншы 'aux' тіреуіші қарастырылған, бірақ пайдаланылмайды). Деректер екі сымдық синхронды сериялық схема арқылы жіберіледі, ал тағы үш сым бағдарламалау және чип қуатын қамтамасыз етеді. Сағат сигналын әрқашан бағдарламалаушы басқарады.

For most Microchip microcontrollers, ICSP programming is performed using two pins, clock (PGC) and data (PGD), while a high voltage (12 V) is present on the Vpp/MCLR pin. Low voltage programming (5 V or 3.3 V) dispenses with the high voltage, but reserves exclusive use of an I/O pin. However, for newer microcontrollers, specifically PIC18F6XJXX/8XJXX microcontrollers families from Microchip Technology, entering into ICSP modes is a bit different. Entering ICSP Program/Verify mode requires the following three steps:
Voltage is briefly applied to the MCLR (master clear) pin. A 32 bit key sequence is presented on PGD. Voltage is reapplied to MCLR. A separate piece of hardware, called a programmer is required to connect to an I/O port of a PC on one side and to the PIC on the other side. A list of the features for each major programming type are:

Parallel port large bulky cable, most computers have only one port and it may be inconvenient to swap the programming cable with an attached printer. Most laptops newer than 2010 do not support this port. Parallel port programming is very fast. Serial port (COM port) At one time the most popular method. Serial ports usually lack adequate circuit programming supply voltage. Most computers and laptops newer than 2010 lack support for this port. Socket (in or out of circuit) the CPU must be either removed from circuit board, or a clamp must be attached to the chip making access an issue. USB cable Small and light weight, has support for voltage source and most computers have extra ports available. The distance between the circuit to be programmed and the computer is limited by the length of USB cable it must usually be less than 180 cm. This can make programming devices deep in machinery or cabinets a problem. ICSP programmers have many advantages, with size, computer port availability, and power source being major features. Due to variations in the interconnect scheme and the target circuit surrounding a micro controller, there is no programmer that works with all possible target circuits or interconnects. Microchip Technology provides a detailed ICSP programming guide Many sites provide programming and circuit examples. PICs are programmed using five signals (a sixth pin 'aux' is provided but not used). The data is transferred using a two wire synchronous serial scheme, three more wires provide programming and chip power. The clock signal is always controlled by the programmer.

Сигналдар мен пин-аут

Vpp Бағдарламалау режиміндегі кернеу. Бұл кернеуді MCLR тірегіне немесе кейбір үлкен тіректері бар PIC-тердегі қосымша ICSP портының Vpp тірегіне қосу керек. PIC-ті бағдарламалау режиміне кіргізу үшін, бұл сызық PIC-тен PIC-ке өзгеретін белгілі бір диапазон ішінде болуы тиіс. 5В PIC-тер үшін бұл әрқашан Vdd-ден жоғары болады және 13,5В-қа дейін жете алады. 18FJ, 24H және 33F сериялары сияқты 3,3В PIC-тер бағдарламалау режиміне кіру үшін арнайы қолтаңбаны пайдаланады, ал Vpp – бұл жерде немесе Vdd деңгейіндегі цифрлық сигнал. Барлық PIC-тердің жарамды Vpp диапазонында болатын жалғыз Vpp кернеуі жоқ. Шындығында, кейбір PIC-тер үшін қажетті ең төменгі Vpp деңгейі басқа PIC-терге зиян келтіруі мүмкін. Vdd Бұл PIC-ке берілетін оң қуат кірісі. Кейбір бағдарламалаушылар осы қуатты схемадан алуды талап етеді (схема кем дегенде жартылай қосылған болуы керек), ал кейбіреулері осы сызықты өздері басқарып, схеманың өшірулі болуын талап етеді, ал басқаларын кез келген режимде конфигурациялауға болады (мысалы, Microchip ICD2). Embed Inc бағдарламалаушылары Vdd сызығын өздері басқарады және бағдарламалау кезінде мақсатты схеманың өшірулі болуын талап етеді. Vss PIC-ке берілетін теріс қуат кірісі және қалған сигналдар үшін нөлдік вольттік анықтама. Басқа сигналдардың кернеулері Vss-қа қатысты есептеледі. ICSPCLK Серілік деректер интерфейсінің сағаттық сызығы. Бұл сызық GND-ден Vdd-ге ауысады және оны әрқашан бағдарламалаушы басқарады. Деректер құлау жиегінде жіберіледі. ICSPDAT Серілік деректер сызығы. Серілік интерфейс екі бағытты, сондықтан бұл сызықты бағдарламалаушы немесе PIC ағымдағы операцияға байланысты басқаруы мүмкін. Қай жағдайда болса да, бұл сызық GND-ден Vdd-ге ауысады. Бiр бит PGC-нің құлау жиегінде жіберіледі. AUX/PGM Жаңа PIC контроллерлері төмен кернеулі бағдарламалауды (LVP) қосу үшін осы тіректі пайдаланады. PGM жоғары деңгейде ұсталып тұрса, микроконтроллер LVP режиміне кіреді. PIC микроконтроллерлері LVP қосылған күйде жеткізіледі, сондықтан сіз жаңа чипті пайдалансаңыз, оны LVP режимінде қолдануға болады. Режимді өзгертудің жалғыз жолы – жоғары кернеулі бағдарламалаушыны пайдалану. Егер микроконтроллерді осы тірекке қосылымсыз бағдарламаласаңыз, режим өзгермейді.

Vpp Programming mode voltage. This must be connected to the MCLR pin, or the Vpp pin of the optional ICSP port available on some large pin count PICs. To put the PIC into programming mode, this line must be in a specified range that varies from PIC to PIC. For 5V PICs, this is always some amount above Vdd, and can be as high as 13.5 V. The 3.3 V only PICs like the 18FJ, 24H, and 33F series use a special signature to enter programming mode and Vpp is a digital signal that is either at ground or Vdd. There is no one Vpp voltage that is within the valid Vpp range of all PICs. In fact, the minimum required Vpp level for some PICs can damage other PICs. Vdd This is the positive power input to the PIC. Some programmers require this to be provided by the circuit (circuit must be at least partially powered up), some programmers expect to drive this line themselves and require the circuit to be off, while others can be configured either way (like the Microchip ICD2). The Embed Inc programmers expect to drive the Vdd line themselves and require the target circuit to be off during programming. Vss Negative power input to the PIC and the zero volts reference for the remaining signals. Voltages of the other signals are implicitly with respect to Vss. ICSPCLK Clock line of the serial data interface. This line swings from GND to Vdd and is always driven by the programmer. Data is transferred on the falling edge. ICSPDAT Serial data line. The serial interface is bi directional, so this line can be driven by either the programmer or the PIC depending on the current operation. In either case this line swings from GND to Vdd. A bit is transferred on the falling edge of PGC. AUX/PGM Newer PIC controllers use this pin to enable low voltage programming (LVP). By holding PGM high, the micro controller will enter LVP mode. PIC micro controllers are shipped with LVP enabled so if you use a brand new chip you can use it in LVP mode. The only way to change the mode is by using a high voltage programmer. If you program the micro controller with no connection to this pin, the mode is left unchanged.

RJ11 түймешігі

Microchip ICSP бағдарламалаушысымен RJ11 ұяларын пайдаланудың өнеркәсіптік стандарты қолдалады. Суретте көрсетілгендер олардың деректер жадынамаларында келтірілген ақпараттар. Дегенмен, шатасуға орын бар. PIC деректер жадынамаларында ұя кері көрсетілген және қосқыштардың схемалық кескіні берілмеген, сондықтан 1-қосқыш ұяның қай жағында орналасқаны белгісіз. Осы жерде келтірілген сурет сынақтан өтпеген, бірақ телефон индустриясының стандартты қосқыштар схемасын пайдаланады (RJ11 плагині/ұясы бастапқыда сымды үстел телефондары үшін жасалған).