Распиновка AVR ISP, UPDI и TPI

Разъёмы ISP на 6 и 10 контактов

Нумерация у обоих разъёмов одна: нечётные контакты в одном ряду, чётные — в другом, контакты 1 и 2 — с краю. На плате контакт 1 отмечают треугольником, цифрой или квадратной контактной площадкой, на шлейфе — цветной полосой: у AVRISP mkII красная сторона кабеля и есть контакт 1. Схемы выше нарисованы со стороны штырей; при разводке платы со стороны пайки ряды меняются местами. На Arduino Uno разъём с такой же разводкой подписан ICSP, а рядом стоит второй, ICSP1, — для ATmega16U2, который на плате работает мостом USB–UART.

В документации названия немного различаются: VCC в AN2519 называется VTG (target voltage), RESET — RST или /RESET, а в руководстве Atmel-ICE MISO и MOSI подписаны как PDO/MISO и PDI/MOSI — PDO и PDI называются выводы программирования у ATmega128. Сигналы при этом те же. Переходник с 10 на 6 контактов — это шесть проводов по названиям: 1 на 4, 2 на 2, 5 на 5, 7 на 3, 9 на 1 и любой из 4, 6, 8, 10 на 6. Atmel-ICE работает и с уменьшенными разъёмами с шагом 1,27 мм — через плату-переходник, которая есть не во всех комплектах.

Вывод VCC: питание платы или опорное напряжение

Контакт 2 у разных программаторов работает по-разному, и от этого зависит, как подключать плату:

• AVRISP mkII не подаёт питание на VCC, а только измеряет по нему напряжение платы, поэтому плату питают от своего источника. От этого же напряжения работают преобразователи уровней программатора: без провода VCC сигналы на линиях ISP неправильные. Поддерживается 1,8–5,5 В.
• Atmel-ICE тоже только измеряет напряжение платы и питает им свои преобразователи уровней, потребляя меньше 1 мА. Диапазон — 1,62–5,5 В.
• STK600 может сам питать плату через VTG. AN2519 предупреждает: в этом случае собственный источник платы должен быть выключен.
• USBasp по схеме автора работает с уровнями 5 В, а перемычка JP1 подаёт на VCC напряжение USB, 5 В, без защиты от короткого замыкания (подробнее — в разделе об USBasp ниже).

Отсюда правило: VCC подключают всегда, а если программатор питает плату, сначала убедитесь, что все микросхемы на ней выдерживают его напряжение.

Подключение к ATmega328P

У ATmega328P выводы последовательного программирования совпадают с аппаратным SPI порта B (табл. 28-17 даташита): MOSI — PB3, MISO — PB4, SCK — PB5, а сброс — вывод PC6/RESET.

Те же выводы ISP у ATmega48, ATmega88, ATmega168 и у предшественника ATmega8 в том же корпусе. Чтобы кристалл ответил программатору:

• AVCC подключён к питанию, даже если АЦП не нужен: даташит требует, чтобы AVCC отличалось от VCC не больше чем на 0,3 В.
• Есть тактовый сигнал того источника, который выбран фьюзами CKSEL. С завода это внутренний RC-генератор, но после записи фьюзов «под кварц» без кварца кристалл молчит. Как вернуть такой кристалл, рассказано в статье об ATmega328P.
• SCK не слишком быстрый. Высокий и низкий уровни SCK должны длиться дольше двух тактов процессора (при тактовой частоте от 12 МГц — трёх), то есть частота SCK — ниже четверти тактовой. Новый кристалл работает на 1 МГц: внутренние 8 МГц с делителем на 8, значит, SCK — меньше 250 кГц.
• RESET подтянут, но не сильно. По руководству AVRISP mkII подтяжка RESET к питанию не должна быть сильнее 4,7 кОм — иначе, когда программатор опустит RESET в ноль, сработает его защита от короткого замыкания, — а конденсатор на RESET не должен превышать 10 мкФ. AN2519 рекомендует подтяжку 4,7 кОм и больше, а для debugWIRE — не меньше 10 кОм.
• Другие микросхемы на линиях SPI развязаны. Если к MOSI, MISO или SCK подключены, например, флеш-память или дисплей, AN2519 советует отделить их последовательными резисторами около 330 Ом, чтобы они не мешали программатору.

Распиновка обоих корпусов, фьюзы и команды avrdude для ATmega328P — в статье о кристалле, сравнение семейств и программаторов — в разделе об AVR.

ATmega128: ISP не на выводах MOSI и MISO

Не каждый AVR программируется через выводы своего SPI. У ATmega128 данные ISP идут через PE0 (PDI, вывод 2) и PE1 (PDO, вывод 3), а не через PB2 и PB3; SCK — как обычно, PB1 (вывод 11). MOSI программатора подключают к PDI, MISO — к PDO. Так же устроены 64-выводные ATmega1281 и ATmega2561, а у 100-выводных ATmega1280 и ATmega2560 программирование идёт через PB2 и PB3 (табл. 30-15 их общего даташита). Дополнительная сложность в том, что PE0 и PE1 — это ещё и RXD0 и TXD0 USART0: выход преобразователя UART на линии RXD0 мешает программатору. Схема подключения и рецепты — в статье об ATmega128.

USBasp: распиновка разъёма и перемычки

USBasp — открытый программатор Томаса Фишля на ATmega8 или ATmega88 с программной реализацией USB. Его 10-контактный разъём совпадает со стандартным ISP по сигналам MOSI, VCC, RESET, SCK и MISO, но по схеме автора контакты 4 и 6 соединены не с общим проводом, а с линиями TXD и RXD микроконтроллера программатора — это задел под последовательный канал, который прошивка 2011 года не поддерживает. Общий провод у USBasp — только контакты 8 и 10. С обычной платой, где 4 и 6 соединены с землёй, это совместимо: линия TXD идёт через резистор 1 кОм, а RXD — вход.

С версии прошивки 2009-02-28 частоту SCK задаёт программа на компьютере — в avrdude ключом -B. Без JP3 и без этого ключа USBasp работает на 375 кГц, а всего в прошивке есть ступени от 500 Гц до 1,5 МГц. Если avrdude сообщает, что не может установить период SCK, и советует обновить прошивку USBasp, в программаторе старая прошивка — тогда остаётся перемычка медленного режима.

Нумерация перемычек менялась даже у автора: на старой схеме с сайта JP1 — медленный SCK, а JP3 — питание цели. На клонах подписи и разводка могут отличаться ещё сильнее, поэтому проверяйте надписи на своей плате. И главное ограничение исходной схемы: она рассчитана только на платы с питанием 5 В, для других напряжений, как сказано в её описании, нужен преобразователь уровней.

Прошивка 2011-05-28 умеет программировать по TPI кристаллы ATtiny4–10. По её исходникам TPIDATA подключается к контакту MOSI, TPICLK — к SCK, сброс — к RESET.

UPDI: однопроводной интерфейс новых AVR

UPDI (Unified Program and Debug Interface) — однопроводной полудуплексный интерфейс на основе UART для программирования и отладки. Им прошивают tinyAVR 0, 1 и 2, megaAVR 0 и серии AVR Dx и Ex; какие кристаллы к ним относятся, показано в разделе об AVR. Рекомендованный Microchip разъём — тот же шестиконтактный корпус: 1 — UPDI, 2 — VCC, 6 — GND, контакты 3–5 не подключены.

У tinyAVR вывод UPDI совмещён с RESET и линией порта PA0, а его роль задаёт фьюз RSTPINCFG; с завода выбран UPDI. Если перевести вывод в режим RESET или GPIO, включить UPDI снова можно только импульсом 12 В, а Atmel-ICE, например, такого напряжения не выдаёт. У AVR DA и ATmega4809 вывод UPDI отдельный и других функций не имеет. ISP-программатор UPDI-кристалл не прошьёт: это другой протокол.

У XMEGA свой двухпроводной интерфейс PDI на том же шестиконтактном разъёме: 1 — DATA, 2 — VCC, 5 — CLK (это вывод RESET), 6 — GND.

TPI: ATtiny4, ATtiny5, ATtiny9 и ATtiny10

TPI (Tiny Programming Interface) — трёхпроводной интерфейс самых маленьких ATtiny, только для программирования: отладки у этих кристаллов нет.

Энергонезависимую память этих кристаллов можно программировать только при питании 5 В. Детали на плате, не рассчитанные на 5 В, даташит советует защитить, например последовательными резисторами. На линии TPIDATA не должно быть подтяжки к земле — интерфейс работает с внутренней подтяжкой к питанию. Если фьюзом RSTDISBL превратить RESET в линию порта, для TPI понадобится 12 В на этом выводе, а такое напряжение дают немногие программаторы.

Типичные ошибки

• Разъём повёрнут на 180°. Контакт 1 встаёт на место 6, 2 — на место 5, 3 — на место 4: MISO программатора попадает на общий провод платы, а его RESET — на питание. AVRISP mkII в таком случае мигает оранжевым — так он сообщает о перевёрнутом кабеле или неправильной подтяжке RESET. Ищите метку контакта 1 на плате и цветную полосу на шлейфе.
• Нет общего провода. Плата питается от своего блока, а GND программатора к ней не подключён — уровни сигналов не с чем сравнивать. Руководство Atmel-ICE требует подключать все контакты GND разъёма.
• VCC не подключён. AVRISP mkII и Atmel-ICE без него не знают напряжения платы: mkII горит красным, что означает «нет питания цели».
• 5 В от программатора на 3,3-вольтовую плату. Перемычка JP1 у USBasp подаёт 5 В: сам ATmega328P выдерживает 5,5 В, а радиомодули, датчики и карты памяти на 3,3 В — нет. Даже без перемычки сигналы исходного USBasp имеют уровень 5 В, а на любом выводе ATmega328P, кроме RESET, допускается не больше VCC + 0,5 В.
• Слишком быстрый SCK. Программатор видит кристалл через раз или не входит в режим программирования — руководство AVRISP mkII в этом случае первым делом советует снизить частоту ISP. Это частая проблема с новыми кристаллами на 1 МГц.
• Длинные провода. ISP — это SPI, и на длинных проводах фронты SCK искажаются. Делайте шлейф коротким, а если без длинных проводов не обойтись, снижайте частоту SCK. Почему так происходит, объяснено в статье об SPI.
• Включён debugWIRE. Запрограммированный фьюз DWEN отключает программирование по SPI, даже если SPIEN тоже запрограммирован. Вернуть ISP можно командой отключения debugWIRE из отладочного сеанса, например в Atmel-ICE.
• Перепутаны разъёмы ISP и JTAG на 10 контактов. Корпус тот же, а разводка другая: у разъёма AVR JTAG на контакте 1 — TCK, на 4 — VTref (AN2519, рис. 4-3). Таблица JTAG для ATmega128 — в статье о нём.

Как устроен сам SPI — режимы, частоты, несколько ведомых на шине — в статье об SPI. Отладочные разъёмы ARM разобраны отдельно: распиновка JTAG и SWD.