Как прошить AVR: ISP, высоковольтный режим, UPDI и загрузчики

Интерфейсы программирования AVR

Поддержка программаторов указана по документации avrdude 8.3, кристаллов — по их даташитам и описаниям в avrdude.conf. Разъёмы ISP на 6 и 10 контактов, UPDI и TPI с назначением выводов показаны на странице «Распиновка AVR ISP».

ISP: последовательное программирование по SPI

Пока на RESET низкий уровень, Flash, EEPROM, фьюзы и биты защиты доступны через SPI: данные в кристалл передаются по MOSI и защёлкиваются по фронту SCK, из кристалла читаются по MISO по спаду (DS40002061B, раздел 28.8). Последовательность такая:

1. Подать питание при RESET = 0 и SCK = 0; если программатор не может удержать SCK в нуле при включении, дать на RESET положительный импульс длиной не меньше двух тактов.
2. Подождать не меньше 20 мс и послать команду Programming Enable — AC 53 00 00. Если связь синхронна, второй байт (53) возвращается эхом при передаче третьего. Нет эха — импульс на RESET и повтор.
3. Стереть кристалл (Chip Erase), загрузить страницу Flash по словам — младший байт раньше старшего — и записать её командой Write Program Memory Page; следующую страницу посылать после окончания записи.
4. Проверить записанное командами чтения и отпустить RESET.

Без опроса RDY/BSY после каждой операции нужно выждать: запись страницы Flash — 4,5 мс, байта EEPROM — 3,6 мс, стирание — 9,0 мс, запись фьюзов — 4,5 мс (таблица 28-18). Адреса Flash в командах — в словах, а не в байтах. Запись EEPROM по ISP сама стирает ячейку перед записью.

Частота SCK и фьюзы

Низкий и высокий уровни SCK должны длиться больше 2 тактов процессора при частоте ниже 12 МГц и больше 3 тактов при 12 МГц и выше, поэтому SCK — меньше четверти частоты кристалла. ATmega328P поставляется с внутренним генератором 8 МГц и запрограммированным фьюзом CKDIV8, то есть работает на 1 МГц — и SCK для нового кристалла должна быть меньше 250 кГц. В avrdude её задаёт опция -B: период в микросекундах или частота с суффиксом kHz.

ISP требует работающего тактового генератора: если фьюзами выбран внешний кварц, которого на плате нет, кристалл не отвечает, пока на XTAL1 не подать внешний тактовый сигнал. Если запрограммирован фьюз RSTDISBL, вывод RESET становится обычным выводом PC6, и войти в ISP уже нельзя. Фьюз SPIEN, наоборот, через ISP случайно не выключить — в последовательном режиме он недоступен. В обоих случаях выручает высоковольтное программирование, а заранее ошибок помогает избежать калькулятор фьюзов AVR.

Высоковольтное программирование

В параллельном режиме на RESET подают 11,5–12,5 В, а команды и данные передают по восьмибитной шине и нескольким управляющим выводам (DS40002061B, раздел 28.7). Этот режим работает независимо от фьюзов RSTDISBL и SPIEN и тактового генератора — тактирует программатор через XTAL1, — поэтому им восстанавливают кристаллы, у которых ISP отключён. У ATtiny с малым числом выводов, например ATtiny25/45/85, вместо параллельного есть высоковольтный последовательный режим (HVSP). Оба режима поддерживают STK500 со второй версией прошивки (типы stk500pp и stk500hvsp в avrdude), STK600 и AVR Dragon.

debugWIRE и JTAG

debugWIRE — однопроводной интерфейс отладки: при запрограммированном фьюзе DWEN вывод RESET превращается в двунаправленную линию с открытым стоком и подтяжкой, через которую отладчик останавливает программу, читает регистры и программирует память (DS40002061B, глава 25). Ограничения: подтяжка на RESET не меньше 10 кОм, конденсаторы и внешние источники сброса нужно отключить, RESET нельзя подключать прямо к питанию. Точки останова реализуются записью команды BREAK во Flash, поэтому каждая их смена перезаписывает страницу и расходует ресурс Flash. Пока DWEN запрограммирован, генератор работает и во сне, увеличивая ток, — фьюз выключают, когда отладка закончена.

У многовыводных ATmega — ATmega128, ATmega2560, ATmega32U4 — и у части XMEGA есть JTAG с четырьмя линиями TCK, TMS, TDI и TDO. Через него можно и программировать, и отлаживать. У ATmega32U4 встроенную отладку выключают фьюзом OCDEN или JTAGEN либо записью единицы в бит JTD регистра MCUCR — включённая отладка, как и debugWIRE, держит генератор работающим во сне.

PDI, TPI и UPDI

• PDI — двухпроводный интерфейс XMEGA: данные по PDI_DATA, такт по выводу RESET (подробнее — в статье о XMEGA).
• TPI — интерфейс ATtiny4/5/9/10 из трёх выводов: RESET разрешает программирование, TPICLK — такт, TPIDATA — данные в обе стороны. Память этих кристаллов программируется только при напряжении 5 В.
• UPDI — интерфейс tinyAVR 0/1/2, megaAVR 0 и AVR Dx/Ex: однопроводный полудуплексный UART со скоростью до 0,9 Мбит/с, через который доступны и программирование, и отладка. У ATmega4809 под UPDI отведён отдельный вывод, не занимающий ни одной линии ввода-вывода (DS40002173C, глава 30). Простейший программатор SerialUPDI — переходник USB–UART, диод и пара резисторов; avrdude поддерживает его как тип serialupdi, а также программатор jtag2updi на плате с AVR.

Загрузчики

AVR могут записывать собственную Flash командой SPM. У ATmega328P для загрузчика отводится секция в конце Flash, размер которой задают фьюзы BOOTSZ, а фьюз BOOTRST переносит вектор сброса в её начало (DS40002061B, таблица 27-13):

Загрузчик после сброса некоторое время слушает UART и, если пришла новая программа, записывает её во Flash, а иначе передаёт управление основной программе. Optiboot на Arduino Uno понимает урезанный протокол STK500 версии 1 — в avrdude это тип arduino, на Uno он работает на 115 200 бод. Загрузчик Arduino Mega 2560 использует протокол STK500 версии 2 — тип wiring, тоже 115 200 бод. Перевод платы в режим загрузки делает импульс на линиях DTR и RTS переходника USB–UART, сбрасывающий кристалл: avrdude переключает их при открытии порта, если не указан параметр noautoreset. Более компактные загрузчики urboot совместимы с протоколом STK500 v1 и обслуживаются типом urclock. Как устроена загрузка у плат Arduino, рассказано на странице «Arduino на AVR».

avrdude: типичные команды

Запись программы в ATmega328P программатором USBasp с пониженной частотой SCK для нового кристалла:

avrdude -c usbasp -p m328p -B 8 -U flash:w:main.hex:i

Загрузка в Arduino Uno через загрузчик:

avrdude -c arduino -p m328p -P COM3 -b 115200 -U flash:w:main.hex:i

Прошивка ATmega4809 через SerialUPDI:

avrdude -c serialupdi -p m4809 -P COM5 -U flash:w:main.hex:i

Опция -c выбирает тип программатора, -p — кристалл (m328p, m4809, t85 и так далее по avrdude.conf), -P — порт, -b — скорость UART, а -U память:операция:файл:формат описывает операцию: flash:w:main.hex:i — записать во Flash файл в формате Intel HEX, lfuse:r:lfuse.txt:h — прочитать младший фьюз в текстовый файл в шестнадцатеричном виде. Остальные опции и режимы программы описаны на странице avrdude.