Программирование встроенных систем: методы и преимущества

Введение

Программирование встроенных систем (ISP), также известное как внутрисхемное последовательное программирование (ICSP), – это возможность некоторых программируемых логических устройств, микроконтроллеров, чипсетов и других встраиваемых устройств быть запрограммированными непосредственно в установленной в полноценной системе, а не требовать предварительного программирования чипа до его установки в систему. Это также позволяет осуществлять обновление прошивки во встроенной памяти микроконтроллеров и связанных с ними процессоров без использования специализированных схем программирования на печатной плате, что упрощает процесс проектирования.

Обзор

Не существует единого стандарта для протоколов внутрисистемного программирования микроконтроллеров. Почти все производители микроконтроллеров поддерживают эту функцию, однако каждый разработал собственные протоколы, которые часто различаются даже для разных устройств одного и того же производителя. Как правило, современные протоколы стремятся минимизировать количество используемых контактов, обычно до двух. Некоторые интерфейсы ISP достигают этого, используя всего один контакт, в то время как другие используют до четырех для реализации интерфейса JTAG. Основное преимущество внутрисистемного программирования заключается в том, что оно позволяет производителям электронных устройств объединить программирование и тестирование в единый производственный этап, что позволяет экономить средства, избегая необходимости отдельного этапа программирования перед сборкой системы. Это дает возможность производителям программировать микросхемы на собственной производственной линии, а не приобретать предварительно запрограммированные микросхемы у производителей или дистрибьюторов, что позволяет вносить изменения в код или конструкцию в процессе производства. Другим преимуществом является возможность всегда использовать самую актуальную прошивку, а новые функции и исправления ошибок могут быть внедрены и запущены в производство без задержек, связанных с использованием предварительно запрограммированных микроконтроллеров. Микроконтроллеры обычно припаиваются непосредственно к печатной плате и, как правило, не имеют схем или места для подключения громоздкого внешнего программирующего кабеля к другому компьютеру. Обычно микросхемы, поддерживающие ISP, имеют встроенные схемы для генерации необходимого напряжения программирования из стандартного напряжения питания системы и обмениваются данными с программатором по последовательному протоколу. Большинство программируемых логических устройств используют вариант протокола JTAG для ISP, чтобы упростить интеграцию с автоматизированными процедурами тестирования. Другие устройства обычно используют проприетарные протоколы или протоколы, определенные более ранними стандартами. В достаточно сложных системах, требующих значительной дискретной логики, разработчики могут реализовать подсистему программирования с управлением JTAG для устройств, не поддерживающих JTAG, таких как флэш-память и микроконтроллеры, что позволяет выполнять всю процедуру программирования и тестирования под управлением единого протокола.

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.

История

Начиная с начала 1990-х годов наблюдалась важная технологическая эволюция в архитектуре микроконтроллеров. Первоначально они реализовывались в двух вариантах: с OTP (однократно программируемой памятью) или с памятью EPROM. В этих технологиях для стирания памяти требовалось воздействие ультрафиолетового света через специальное окно в корпусе микросхемы. В 1993 году Microchip Technology представила первый микроконтроллер с памятью EEPROM – PIC16C84. Память EEPROM может быть стерта электрически. Эта особенность позволила снизить стоимость производства за счет исключения окна для стирания в корпусе и внедрения технологии внутрисхемного программирования. С помощью ISP прошивка может быть выполнена непосредственно на плате в конце производственного процесса. Это дало возможность объединить этапы программирования и функционального тестирования в производственной среде, а также начать предварительное производство плат даже до завершения разработки прошивки. Таким образом, стало возможным исправлять ошибки или вносить изменения на более поздних этапах. В том же году Atmel разработала первый микроконтроллер с флэш-памятью, которую было проще и быстрее программировать, а срок службы был значительно дольше, чем у EEPROM. Микроконтроллеры, поддерживающие ISP, обычно оснащаются выводами, используемыми периферийным устройством последовательной связи для взаимодействия с программатором, флэш-/EEPROM-памятью и схемой, обеспечивающей необходимое напряжение для программирования микроконтроллера. Периферийное устройство связи, в свою очередь, подключается к периферийному устройству программирования, которое передает команды для работы с флэш- или EEPROM-памятью. При проектировании электронных плат для ISP-программирования необходимо учитывать определенные рекомендации для обеспечения максимальной надежности процесса программирования. Некоторые микроконтроллеры с небольшим количеством выводов используют одни и те же линии для программирования и ввода-вывода. Это может стать проблемой, если при проектировании платы не будут приняты необходимые меры предосторожности; устройство может быть повреждено компонентами ввода-вывода во время программирования. Кроме того, важно подключать линии ISP к схемам с высоким импедансом, чтобы избежать повреждения компонентов программатором и потому, что микроконтроллер часто не может обеспечить достаточный ток для управления линией. Для перехода в режим программирования многим микроконтроллерам требуется выделенная линия RESET. Необходимо следить за током, подаваемым на линию управления, и проверять наличие сторожевых таймеров, подключенных к линии RESET, которые могут вызвать нежелательный сброс и, следовательно, привести к сбою программирования. Кроме того, некоторым микроконтроллерам требуется более высокое напряжение для перехода в режим программирования, поэтому необходимо убедиться, что это значение не ослабляется и что это напряжение не передается на другие компоненты на плате.

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.

Промышленное применение

В процессе системного программирования происходит на заключительном этапе производства продукта, и его можно выполнять двумя различными способами, в зависимости от объемов производства. В первом методе коннектор подключается к программатору вручную. Это решение требует участия человека в процессе программирования, которому необходимо подключить программатор к электронной плате с помощью кабеля. Следовательно, это решение предназначено для небольших объемов производства. Второй метод использует тестовые точки на плате. Это специальные области, размещенные на печатной плате (PCB), которые электрически соединены с некоторыми электронными компонентами на плате. Тестовые точки используются для проведения функциональных тестов компонентов, установленных на плате, и, поскольку они подключены непосредственно к выводам микроконтроллера, они очень эффективны для ISP. Для средних и больших объемов производства использование тестовых точек является оптимальным решением, поскольку позволяет интегрировать этап программирования в сборочную линию. На сборочных линиях платы размещаются на контактном основании, называемом фикстурой. Фикстуры, в зависимости от объемов производства, интегрируются в полуавтоматические или автоматические системы тестирования, называемые ATE (автоматическое тестовое оборудование). Фикстуры разрабатываются специально для каждой платы или, в максимальном случае, для нескольких моделей, схожих с платой, для которой они предназначены – поэтому они взаимозаменяемы в системной среде, в которой они интегрированы. Тестовая система, после установки платы и фикстуры в нужное положение, имеет механизм для контакта игл фикстуры с тестовыми точками на плате для проведения тестирования. К системе подключен или непосредственно интегрирован ISP-программатор. Он предназначен для программирования устройства или устройств, установленных на плате, например, микроконтроллера и/или последовательной памяти.

Микрочип ICSP

Для большинства микроконтроллеров Microchip программирование ICSP выполняется с использованием двух контактов: тактового (PGC) и данных (PGD), при этом высокое напряжение (12 В) подается на контакт Vpp/MCLR. Программирование при низком напряжении (5 В или 3,3 В) не требует высокого напряжения, но резервирует исключительное использование одного из выводов ввода-вывода. Однако для новых микроконтроллеров, в частности семейств PIC18F6XJXX/8XJXX от Microchip Technology, процедура входа в режимы ICSP несколько иная. Для входа в режим ICSP Program/Verify необходимо выполнить следующие три шага:
Кратковременно подается напряжение на вывод MCLR (master clear). На вывод PGD передается 32-битная ключевая последовательность. На вывод MCLR вновь подается напряжение. Для подключения к порту ввода-вывода ПК с одной стороны и к PIC с другой требуется отдельное устройство – программатор. Ниже приведен список основных характеристик каждого типа программирования:

Параллельный порт – большой и громоздкий кабель, большинство компьютеров имеют только один такой порт, и может быть неудобно переключать кабель программирования с подключенным принтером. Большинство ноутбуков, выпущенных после 2010 года, не поддерживают этот порт. Программирование через параллельный порт очень быстрое. Последовательный порт (COM-порт) – когда-то наиболее популярный метод. Последовательные порты обычно не обеспечивают достаточного напряжения питания для программирования схемы. Большинство компьютеров и ноутбуков, выпущенных после 2010 года, не поддерживают этот порт. Сокет (для программирования в схеме или вне ее) – процессор необходимо либо извлечь из платы, либо прикрепить зажим к микросхеме, что затрудняет доступ. USB-кабель – небольшой и легкий, поддерживает источник питания, и большинство компьютеров имеют свободные порты. Расстояние между программируемой схемой и компьютером ограничено длиной USB-кабеля – обычно оно должно быть менее 180 см. Это может создать проблемы при программировании устройств, расположенных глубоко внутри оборудования или шкафов. Программаторы ICSP обладают множеством преимуществ, основными из которых являются размер, доступность компьютерных портов и источник питания. Из-за различий в схемах подключения и целевых схемах, окружающих микроконтроллер, не существует универсального программатора, работающего со всеми возможными целевыми схемами и подключениями. Microchip Technology предоставляет подробное руководство по программированию ICSP. Многие сайты предлагают примеры программирования и схемы. Микроконтроллеры PIC программируются с использованием пяти сигналов (шестой вывод 'aux' предусмотрен, но не используется). Данные передаются по двухпроводной синхронной последовательной схеме, а еще три провода обеспечивают питание и управление программированием. Сигнал тактирования всегда контролируется программатором.

Сигналы и отключение

Vpp Напряжение режима программирования. Оно должно быть подключено к выводу MCLR или выводу Vpp дополнительного порта ICSP, доступного на некоторых микроконтроллерах PIC с большим количеством выводов. Для перевода PIC в режим программирования эта линия должна находиться в определенном диапазоне, который варьируется для разных PIC. Для PIC с питанием 5 В это всегда некоторое значение выше Vdd и может достигать 13,5 В. PIC, работающие только от 3,3 В, такие как серии 18FJ, 24H и 33F, используют специальную сигнатуру для входа в режим программирования, а Vpp является цифровым сигналом, который находится либо на уровне земли (GND), либо на уровне Vdd. Не существует единого напряжения Vpp, которое бы соответствовало допустимому диапазону Vpp для всех PIC. Фактически, минимальный требуемый уровень Vpp для некоторых PIC может повредить другие PIC. Vdd Положительное входное напряжение питания PIC. Некоторые программисты требуют, чтобы это напряжение обеспечивалось схемой (схема должна быть хотя бы частично включена), другие ожидают, что они сами будут управлять этой линией и потребуют отключения схемы, в то время как третьи могут быть настроены как угодно (например, Microchip ICD2). Программисты Embed Inc ожидают управления линией Vdd самостоятельно и требуют отключения целевой схемы во время программирования. Vss Отрицательное входное напряжение питания PIC и опорный ноль для остальных сигналов. Напряжения других сигналов подразумеваются относительно Vss. ICSPCLK Тактовая линия последовательного интерфейса данных. Эта линия переключается между GND и Vdd и всегда управляется программистом. Данные передаются по спадающему фронту. ICSPDAT Линия последовательной передачи данных. Последовательный интерфейс двунаправленный, поэтому этой линией может управлять либо программист, либо PIC в зависимости от текущей операции. В любом случае эта линия переключается между GND и Vdd. Бит передается по спадающему фронту PGC. AUX/PGM Новые контроллеры PIC используют этот вывод для включения программирования с низким напряжением (LVP). Поддерживая высокий уровень сигнала PGM, микроконтроллер переходит в режим LVP. Микроконтроллеры PIC поставляются с включенным LVP, поэтому, если вы используете новый чип, вы можете использовать его в режиме LVP. Единственный способ изменить режим – использовать высоковольтный программист. Если вы программируете микроконтроллер без подключения к этому выводу, режим остается неизменным.

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.

Вывод RJ11

Промышленный стандарт использования разъемов RJ11 с ICSP-программитором поддерживается компанией Microchip. Иллюстрация отражает информацию, представленную в их документации. Однако это может ввести в заблуждение. В документации PIC показан инвертированный разъем и отсутствует схематичное изображение расположения выводов, поэтому неясно, с какой стороны разъема находится контакт 1. Приведенная здесь иллюстрация не тестировалась, но использует стандартную распиновку, принятую в телефонной индустрии (разъем RJ11 изначально был разработан для проводных настольных телефонов).