Программирование PIC через ICSP

Выводы ICSP

Номера выводов PIC16F18446 — для корпусов PDIP, SOIC и SSOP (у 20-выводного uQFN: MCLR 1, ICSPCLK 15, ICSPDAT 16, VDD 18, VSS 17). У 28-выводных PIC16F18455/56 той же спецификации MCLR — на RE3, а данные и такты — на RB7 и RB6. Ток по MCLR в режиме программирования почти не течёт: по спецификации PIC16F184XX — не больше 600 мкА. Тактовый генератор на плате для программирования не нужен, питание — нужно.

Два способа войти в программирование

Высоковольтный вход (HVP)

PIC16F877A. RB6 и RB7 держат в низком уровне и поднимают MCLR от VIL до VIHH. На первой странице спецификации VIHH указано как 13 В ± 0,5 В, в таблице 6-1 — от VDD + 3,5 до 13,5 В. В этом режиме состояние RB3 значения не имеет.

PIC16F18446. VIHH здесь ниже — 7,9–9,0 В, и высоковольтный режим требует двух управляемых источников: для VDD и для MCLR/VPP. Спецификация описывает два порядка включения:

Microchip настоятельно рекомендует VPP-first. Если в конфигурации сброс по MCLR выключен (MCLRE = 0), таймер включения отключён, выбран внутренний генератор, а программа сама управляет выводами ICSPDAT и ICSPCLK, при VDD-first она успеет начать работу и может помешать входу в режим или изменить EEPROM. Выходят из режима в обратном порядке: после VPP-first — VPP-last, после VDD-first — VDD-last. В MPLAB IPE это переключатель Apply Vpp before Vdd / Apply Vdd before Vpp.

Низковольтный вход (LVP)

В режиме LVP высокое напряжение не нужно: программатор работает от одного источника VDD, а MCLR остаётся на обычном уровне. Режим включает бит LVP конфигурации, и с завода он равен 1 — это стёртое состояние бита.

PIC16F877A отдаёт под вход в LVP вывод RB3/PGM: сначала RB3 поднимают до VDD, затем подают VDD на MCLR. Пока LVP = 1, RB3 не может работать обычным выводом порта. Даташит DS39582C (разд. 14.19) предупреждает: если RB3 висит в воздухе и на нём появится высокий уровень, кристалл войдёт в режим программирования, поэтому вывод подтягивают к земле — резистором, а не перемычкой, чтобы программатор мог поднять RB3 при низковольтной прошивке. Номинал даташит не указывает, говоря лишь о внешнем подтягивающем к земле элементе. Для самого входа в LVP вывод RB3/PGM соединяют с линией PGM программатора: у PICkit 3 это контакт 6 разъёма ICSP (DS52116A, рис. 1-2, стр. 15; в FAQ на стр. 49 он назван выводом LVP). Если RB3 к программатору не подключён, PIC16F877A прошивают высоковольтным входом. При включённых подтяжках PORTB нужно очистить бит 3 регистра TRISB, иначе подтяжка RB3 помешает нормальной работе. Полное стирание при низковольтном программировании, в том числе снятие защиты кода, требует питания 4,5–5,5 В.

PIC16F18446 отдельного вывода PGM не имеет. Вход в LVP:

1. MCLR опускается до VIL.
2. По ICSPDAT передаётся 32-битный ключ 0x4D434850 — в ASCII это «MCHP». Старший бит старшего полубайта идёт первым; спецификация отдельно предупреждает, что у некоторых других семейств ключ передаётся в обратном порядке. Младший бит ключа не проверяется, но 32-й такт нужен, чтобы режим включился.
3. MCLR держат в низком уровне весь сеанс; выход — подъём MCLR до VIH.

Пока LVP = 1, вывод MCLR у PIC16F18446 всегда работает как вход сброса, а бит MCLRE игнорируется.

Выключение LVP. У обоих семейств бит LVP можно записать в 0 только после высоковольтного входа. Высоковольтный режим доступен всегда, независимо от LVP, а после записи LVP = 0 кристалл программируется только высоким напряжением. Отсюда практическое правило: если на плате нет программатора с высоким напряжением, LVP не выключают.

Протокол: команды и времена

Две спецификации описывают разные поколения протокола:

Таблица 2-3 спецификации PIC16F184XX задаёт остальные времена: такты ICSPCLK не короче 100 нс в высоком и низком уровне, установка и удержание данных — по 100 нс, задержка после входа в режим TENTH — не меньше 250 мкс, MCLR должен дойти от VIL до VIHH не дольше чем за 1 мкс. Стирание строки и запись с внутренней синхронизацией занимают до 2,8 мс, запись Configuration Words — до 5,6 мс. Внешне синхронизированная запись (команды C0h и 82h) длится 1,0–2,1 мс и для конфигурационных битов не поддерживается. Ток потребления при программировании — до 5 мА.

Основные команды PIC16F184XX: 80h — Load PC Address, 18h — Bulk Erase Program Memory, F0h — Row Erase, 00h/02h — Load Data for NVM (без и с автоинкрементом адреса), FEh/FCh — Read Data from NVM, F8h — Increment Address, E0h — Begin Internally Timed Programming.

У PIC16F87XA есть два алгоритма записи: от 2,0 до 5,5 В — с внутренней синхронизацией, около 4 мс на операцию, и от 4,5 до 5,5 В — с внешней, около 1 мс. Поэтому при питании 3,3 В программирование работает, а полное стирание — нет.

Конфигурационные слова и защита кода

Конфигурационные слова задают тактовый генератор, сброс, сторожевой таймер, защиту кода и сам режим LVP ещё до запуска программы. Спецификации требуют от программатора брать их и идентификаторы из HEX-файла, а при сохранении HEX — записывать туда.

В HEX-файле (формат INHX32) на каждое слово приходятся два байта, поэтому адреса удваиваются: CONFIG1 PIC16F18446 со словным адресом 8007h лежит в HEX по адресам 1000Eh–1000Fh, Device ID — по 1000Ch–1000Dh. Программатор, увидевший Device ID в HEX-файле, должен сверить его с кристаллом и предупредить о несовпадении.

Защита кода. У PIC16F18446 при CP = 0 вся память программ 0000h–7FFFh читается нулями и не перезаписывается до полного стирания (Bulk Erase); снять защиту можно только им. Конфигурационные слова, User ID и Device ID читаются при любой защите. У PIC16F877A единственная команда, которая стирает защищённый кристалл, — Chip Erase: она уничтожает память программ, EEPROM, конфигурацию и ID, поэтому код не утекает. Ядро PIC16 разобрано в статье «Система команд PIC16», обзор семейства — на странице «Микроконтроллеры PIC»; значения битов конфигурации — в даташите кристалла и в его спецификации программирования.

Схема на плате

Руководства PICkit 5, MPLAB Snap и MPLAB ICD 5 дают одинаковые правила для линий ICSP:

• MCLR/VPP подтягивают к VDD резистором 10–50 кОм — тогда программатор может прижать линию к земле и сбросить кристалл. В схемах внутреннего устройства PICkit 5 и ICD 5 подтяжка показана номиналом 10 кОм.
• Не ставить конденсатор на MCLR: он затягивает фронт VPP, а спецификация PIC16F184XX требует подъёма до VIHH не дольше 1 мкс. Для сброса, по словам Microchip, обычно хватает одного резистора.
• Не ставить подтяжки на PGC и PGD — они искажают уровни сигналов.
• Не ставить конденсаторы на PGC и PGD — они замедляют фронты и программирование.
• Не ставить диоды на PGC и PGD — линия данных двунаправленная, диод не даст микроконтроллеру ответить.

Если выводы ICSPDAT и ICSPCLK заняты в схеме (кнопки, светодиоды, шины), нагрузку на них выбирают так, чтобы она не мешала программатору, — руководства Microchip конкретных номиналов развязки не приводят. Микроконтроллер на время программирования переводит все выводы в высокоимпедансное состояние, но остальная схема на этих линиях продолжает работать.

Разъёмы и напряжения программаторов

PICkit 5 и MPLAB Snap подключаются 8-контактным однорядным разъёмом с шагом 2,54 мм (SIL), MPLAB ICD 5 — модульным гнездом RJ-45 (8 контактов), к которому подходит и 6-контактный кабель RJ-11. В таблице — нумерация на стороне целевой платы для однорядного разъёма и для 6-контактного модульного разъёма RJ-11; у 8-контактного модульного разъёма RJ-45 на плате нумерация сдвинута на единицу: MCLR — контакт 2, VDD — 3, GND — 4, PGD — 5, PGC — 6, AUX — 7 (DS50003529C, табл. 3-2, стр. 18):

Контакты 7 и 8 разъёма PICkit 5 нужны для JTAG, SWD и ISP у AVR и ARM; с 6-контактным разъёмом они теряются, но для ICSP это не важно. У ICD 5 при подключении 6-контактного кабеля RJ-11 в гнездо RJ-45 теряются контакты 1 и 8 программатора — тоже не используемые в ICSP. Переходник RJ-11 — однорядный разъём ICSP называется AC164110. В таблице распиновки PICkit 5 (табл. 3-1) контакт 6 для ICSP не подписан, но среди сообщений самопроверки PICkit 5 есть тест линии управления LVP («Test interface LVP control line», стр. 68); какой контакт её выводит, руководство в таблице не уточняет. Распиновку для AVR, ARM и сравнение с другими программаторами смотрите в статье «Программаторы и отладчики».

Несколько правил из руководств:

• Напряжение на контакте VDD обязательно. Программатор по нему согласует уровни сигналов; PICkit 5, не обнаружив напряжения на контакте 2, работать не будет.
• Питание от программатора включается в свойствах проекта MPLAB X (флажок Power target from PICkit 5) или в разделе Power программы IPE. Ток ограничен 150 мА, и выбранное напряжение не должно превышать допустимое для кристалла.
• Snap и высокое напряжение. Snap не умеет высоковольтный вход, поэтому кристаллы, которым он нужен, Microchip из списка поддержки Snap исключила (колонки SNAPP и SNAPD в Device Support List). С PIC, у которого LVP = 0, Snap тоже не справится.
• PICkit 4 умеет высоковольтный вход, только если VDD кристалла не ниже 2,8 В; в аппаратной ревизии 10-10094-R6 это исправлено.
• Гальванической развязки нет. PICkit 5 не изолирован: плату с плавающей землёй или под сетевым напряжением к нему подключать нельзя.

Прошивка в MPLAB IPE

MPLAB IPE (Integrated Programming Environment) — программа для прошивки без среды разработки. Она ставится вместе с MPLAB X IDE (саму IDE ставить не обязательно) и работает в Windows 10 и новее, Linux и macOS. Microchip рекомендует для серийного программирования MPLAB ICD 5, PICkit 5 и PICkit Basic; на странице IPE среди совместимых названы также MPLAB ICE 4 и программатор MPLAB PM3.

1. В списке Family выбрать семейство, в Device — кристалл (или сразу Device), нажать Apply.
2. Подключить программатор к компьютеру и к плате, подать питание на плату.
3. В списке Tool выбрать программатор (если их несколько — по серийному номеру) и нажать Connect. Сообщения программатора появятся в окне Output.
4. В Hex File указать файл прошивки.
5. Нажать Program. Рядом — Erase, Read, Verify и Blank Check; в поле Checksum показывается контрольная сумма.

Тонкие настройки задаются в Advanced Mode (Settings → Advanced Mode, вход по паролю; пароль по умолчанию — microchip, его стоит сменить кнопкой Change Password):

Сохранение областей (Preserve) работает так: программатор читает нужный участок, стирает кристалл целиком, записывает новую прошивку и возвращает сохранённое. Поэтому сохраняемая область не должна быть защищена от чтения. Для сценариев и сборочных линий есть консольная версия IPECMD.

В MPLAB X IDE прошивка запускается из проекта, а программатор и режим питания выбираются в свойствах проекта. Сравнение сред разработки — в разделе «Программы»; для AVR и SAM существует ещё Microchip Studio, но с PIC она не работает.

Частые ошибки

• Конденсатор на MCLR из типовой RC-цепочки сброса: фронт VPP затягивается, кристалл не входит в режим программирования. Достаточно подтяжки 10–50 кОм.
• Нет питания на плате. Программатор не питает цель по умолчанию, а Snap не умеет вовсе; без напряжения на контакте VDD PICkit 5 не работает.
• Висящий RB3 у PIC16F877A при LVP = 1: случайный высокий уровень переводит кристалл в программирование. Подтянуть RB3 к земле или выключить LVP высоковольтным программатором.
• Стирание при 3,3 В у PIC16F87XA: Bulk Erase и Chip Erase требуют 4,5–5,5 В.
• LVP = 0 и только Snap под рукой: такой кристалл прошивается только высоким напряжением, нужен PICkit 5 или ICD 5.
• Программа занимает ICSPDAT и ICSPCLK при выключенном MCLR: используйте вход VPP-first, чтобы код не успел стартовать.
• Нагрузка на PGC/PGD: подтяжки, конденсаторы и диоды на этих линиях мешают и программированию, и отладке.