Программаторы и отладчики для микроконтроллеров

Сравнительная таблица

Прочерк — производитель в использованных документах этот параметр для модели не приводит. Скорость J-Link — пиковая скорость загрузки в ОЗУ по данным SEGGER; реальная зависит от интерфейса, его частоты и ядра.

USBasp

USBasp — открытый ISP-программатор для AVR Томаса Фишля. Схема — микроконтроллер ATmega8 или ATmega88 и несколько пассивных компонентов; USB реализован программно (библиотека V-USB), поэтому отдельная микросхема USB не нужна. Последний выпуск прошивки на fischl.de — usbasp.2011-05-28 (версия 1.4): в нём добавлены TPI для ATtiny4/5/6/10 и поддержка микроконтроллеров с флеш-памятью больше 128 КБ. Лицензия — GNU GPL 2. Помимо авторской схемы, на сайте собраны печатные платы, разведённые другими людьми, в том числе с преобразователями уровней и переключателем 3,3/5 В.

Что важно знать о USBasp по авторскому Readme:

• Только 5 В. Схема из пакета рассчитана на программирование целевых плат с питанием 5 В; для других напряжений нужен преобразователь уровней.
• Перемычка J1 питает цель напряжением 5 В от USB. Защиты от короткого замыкания нет.
• Перемычка J2 нужна для перепрошивки самого USBasp: обновить себя по USB он не умеет, его прошивают другим программатором.
• Перемычка J3 снижает частоту SCK с 375 кГц примерно до 8 кГц — для микроконтроллеров, работающих от тактовой частоты ниже 1,5 МГц. С версии 2009 года частоту можно задавать и программно: прошивка знает значения от 500 Гц до 1,5 МГц, и avrdude выбирает их ключом -B.
• Скорость записи — до 5 КБ/с.
• Драйверы: в Linux и macOS драйвер ядра не нужен (в Linux для работы без root нужно правило udev), в Windows автор рекомендует установить драйвер программой Zadig.

AVRDUDE поддерживает USBasp с версии 5.2, команда записи: avrdude -c usbasp -p atmega8 -U flash:w:main.hex. Ключи, фьюзы и разбор ошибок — в статье об avrdude, разъём ISP — на странице распиновки AVR ISP, сами способы прошивки AVR — в статье о программировании AVR.

ST-LINK/V2 и STLINK-V3

ST-LINK — фирменные программаторы-отладчики ST для STM32 и STM8. Кроме отдельных устройств, тот же ST-LINK встроен в платы Nucleo, Discovery и оценочные платы — им можно прошивать и внешние платы.

ST-LINK/V2

Построен на STM32F103C8, питается от USB (USB 2.0 Full Speed, разъём Mini-B). Два разъёма: 20-контактный JTAG/SWD/SWV для STM32 и SWIM для STM8. Характеристики по UM1075 Rev 10:

На цели ST-LINK/V2 выдаёт сигналы с уровнем 3,3 В даже для более низковольтной платы; сами STM32 это переносят, а для чувствительных схем ST советует ST-LINK/V2-ISOL, STLINK-V3MINIE или STLINK-V3SET с адаптером B-STLINK-VOLT. Вариант ST-LINK/V2-ISOL имеет гальваническую развязку на 1000 В (RMS).

Контакт 1 разъёма (VAPP) нужно соединить с питанием VDD микроконтроллера: по нему программатор согласует уровни сигналов. Контакт 15 — NRST, без него не работает подключение под сбросом. Контакт 19 (VDD 3,3 В) к цели не подключается, поэтому питать плату ST-LINK/V2 не может. Полная распиновка — на странице JTAG и SWD.

STLINK-V3

Третье поколение ST-LINK работает по USB 2.0 High Speed. По UM2448 Rev 9 и TN1235 Rev 7:

• STLINK-V3SET — модульный: основной модуль только для STM32 (3–3,6 В), SWD до 24 МГц, SWO до 16 МГц, JTAG до 21 МГц, виртуальный COM-порт от 732 бит/с до 16 Мбит/с. Плата-адаптер MB1440 добавляет SWIM для STM8 (1,65–5,5 В) и мост USB — SPI, I2C, CAN, UART, GPIO, через который STM32CubeProgrammer прошивает микроконтроллер встроенным загрузчиком. Модуль B-STLINK-VOLT расширяет диапазон до 1,65 В, B-STLINK-ISOL ещё и развязывает (2,5 кВ RMS). Цепочки из нескольких устройств JTAG (daisy chain) STLINK-V3SET не поддерживает, питание на цель не подаёт.
• STLINK-V3MINIE — компактный (15 × 42 мм), USB Type-C, SWD и SWV до 24 МГц, JTAG до 21 МГц, VCP до 15 Мбит/с, цель 1,65–3,6 В, разъём STDC14 с шагом 1,27 мм.

У ST-LINK/V2-1 и STLINK-V3 есть ещё и интерфейс накопителя: STM32 можно прошить, перетащив .bin на появившийся диск. Для STLINK-V3SET руководство UM2448 уточняет условия: цель должна быть подключена до того, как программатор вставлен в USB, а файл записывается в начало флеш-памяти, только если вектор сброса указывает во флеш-память, а указатель стека — в ОЗУ.

Программы и драйверы

STM32CubeProgrammer задаёт частоту SWD из фиксированного ряда: у ST-LINK/V2 — от 5 до 4000 кГц, у STLINK-V3 — от 5 до 24 000 кГц; введённое значение округляется до ближайшего большего. ST-LINK работает с STM32CubeIDE (ST-LINK GDB server или OpenOCD), STM32CubeProgrammer, IAR EWARM и Keil MDK, STM8 — с ST Visual Develop и ST Visual Programmer. Драйвер OpenOCD st-link поддерживает ST-LINK/V2 с прошивки V2J24 и STLINK-V3, в pyOCD есть модуль stlink.

• Windows: драйвер STSW-LINK009 обязателен для ST-LINK/V2 и V2-1; среды разработки ST ставят его сами.
• Linux: правила udev из пакета STSW-LINK007 и библиотека libusb-1.0.
• macOS: драйвер не нужен.
• Прошивка программатора обновляется по USB программой STLinkUpgrade (пакет STSW-LINK007) — она сама определяет модель. Прерывать обновление нельзя: ST предупреждает, что программатор может стать неработоспособным.

SEGGER J-Link

J-Link — коммерческие отладчики SEGGER, рассчитанные на ядра Arm (от Cortex-M до 64-разрядных Cortex-A), RISC-V и ядра Microchip, Renesas, Silicon Labs и Cadence; список поддерживаемых микросхем насчитывает десятки тысяч позиций. Встроенные загрузчики флеш-памяти и технология RTT (Real Time Transfer — обмен данными с работающей программой через отладочный интерфейс) — главные отличия от простых адаптеров. Неограниченное число точек останова во флеш-памяти, отладчик Ozone и J-Flash по таблице сравнения SEGGER есть у PLUS, WiFi, Ultra и Pro, но не у младшей модели BASE. В комплекте ПО (Windows, Linux, macOS) есть J-Link GDB Server, через который J-Link подключается к любой среде на GDB, в том числе STM32CubeIDE.

J-Link EDU Mini разрешено использовать только в некоммерческих учебных целях: в компании, в коммерческой среде и для разработки коммерческих изделий — нельзя. В macOS и Linux для него доступны только J-Link Commander, GDB-сервер и библиотека.

J-Link можно использовать и с OpenOCD (драйвер jlink, JTAG и SWD), но SEGGER предупреждает: в этом случае не работают фирменные загрузчики флеш-памяти, неограниченные точки останова и высокая скорость, а поддержку оказывает сообщество OpenOCD. STM32CubeProgrammer через J-Link умеет только записывать флеш-память и option bytes, по SWD на частоте 4000 кГц. В pyOCD есть модуль jlink.

Microchip PICkit 5 и MPLAB Snap

Оба отладчика работают с PIC, dsPIC, AVR и 32-разрядными SAM и CEC на Arm в средах MPLAB X IDE и MPLAB IPE, подключаются к цели 8-контактным однорядным разъёмом с шагом 2,54 мм. На одних и тех же контактах в зависимости от семейства — разные интерфейсы:

Таблица — по руководству PICkit 5 (табл. 3-1); там же JTAG, PDI, TPI и MIPS EJTAG. При 6-контактном разъёме теряются контакты 7 и 8, а с ними JTAG, SWD и ISP. Подробнее о PIC — в разделе микроконтроллеров PIC.

PICkit 5 (PG164150, DS50003525C):

• интерфейсы ICSP, двух- и четырёхпроводной JTAG, SWD, UPDI, PDI, ISP, TPI, debugWIRE, MIPS EJTAG;
• напряжение цели для низковольтного входа в программирование 1,2–5,0 В, для высоковольтного — 1,8–5,0 В по разд. 2.1 и 2,8–5,0 В по табл. 9-4 того же руководства; надёжнее рассчитывать на 2,8 В;
• может питать цель током до 150 мА, сам питается от USB Type-C или от цели;
• режим Programmer-To-Go: образ прошивки на карте microSD, прошивка без компьютера, управление со смартфона по Bluetooth;
• виртуальный COM-порт для обмена с целью по UART.

MPLAB Snap (PG164100, DS50002787G) — недорогой отладчик для проектов без высоковольтного программирования:

• те же интерфейсы (четырёхпроводной JTAG, SWD, UPDI, PDI, SPI, debugWIRE, TPI, ICSP), напряжение цели 1,2–5,0 В ±10 %;
• не питает цель — у платы должно быть своё питание;
• нет высоковольтного режима: микроконтроллеры, которым он нужен, Snap не поддерживает; у маловыводных AVR с UPDI он не может вернуть вывод UPDI, если тот переназначен фьюзом RSTPINCFG в GPIO или RESET;
• не предназначен для серийной прошивки.

С AVR оба работают и в avrdude — по JTAG, TPI, ISP, PDI и UPDI, а также по debugWIRE (программаторы pickit5_dw и snap_dw в avrdude.conf). Snap и PICkit 4 avrdude использует только в режиме AVR (ключ -x mode=avr), а PICkit 5 может по команде -x vtarg=3.3 подать на цель напряжение и восстановить вывод UPDI высоковольтным импульсом (-x hvupdi). avrdude принимает для vtarg значения 1,8–5,5 В, но по руководству Microchip PICkit 5 рассчитан на цели до 5,0 В — выше этого выходить не стоит.

CMSIS-DAP

CMSIS-DAP — открытая спецификация протокола и эталонная прошивка Arm (лицензия Apache 2.0) для отладочных адаптеров. Адаптер соединяется с компьютером по USB, а с микроконтроллером — по пятипроводному JTAG или двухпроводному SWD; дополнительно может передавать данные SWO и работать как переходник USB — UART. Протокол даёт доступ к отладочным регистрам CoreSight процессоров Cortex-A, R и M, в том числе многоядерных.

Версия 1.x (USB HID) устарела; версия 2.x использует USB bulk, передаёт SWO с высокой скоростью и не требует драйвера в Windows, Linux и macOS. По данным Arm, CMSIS-DAP понимают Keil MDK, IAR Embedded Workbench, SEGGER Embedded Studio, PlatformIO, pyOCD и OpenOCD (драйвер cmsis-dap для v1 и v2), а многие встроенные отладчики оценочных плат реализуют именно этот протокол. Напряжение цели и частоту интерфейса определяет конкретный адаптер, а не протокол.

WCH-LinkE

WCH-LinkE — отладчик WCH для её микроконтроллеров на RISC-V (CH32V, CH32X035, CH32L103, CH569, CH573, CH583, CH59x, CH641, CH643) и для ARM-микроконтроллеров с SWD или JTAG (CH32F и другие). Режим RISC-V или ARM переключается в MounRiver Studio, программой WCH-LinkUtility или кнопкой ModeS при подаче питания. По руководству WCH-Link V1.9:

• CH32V003 и CH641 подключаются одним проводом SWDIO, остальные — двумя (SWDIO и SWCLK). CH32V003 поддерживают только WCH-LinkE и WCH-LinkW, но не базовый WCH-Link;
• в режиме ARM WCH-LinkE виден в Keil (с версии 5.25) как CMSIS-DAP Debugger; JTAG — с аппаратной версии WCH-LinkE-R0-1v3;
• выход питания цели 3,3 или 5 В включается и выключается из WCH-LinkUtility;
• последовательный порт — до 921 600 бит/с;
• длина кабеля до цели — не более 30 см; при нестабильной записи снижают скорость.

Подробнее о CH32V003 — на странице CH32V003.

Как выбрать

1. По семейству микроконтроллера. AVR — USBasp (5 В, только ISP) или PICkit 5 и Snap (все интерфейсы AVR, отладка). PIC и dsPIC — PICkit 5 или Snap. STM32 — ST-LINK (встроенный в Nucleo или STLINK-V3MINIE). CH32V — WCH-LinkE. Смесь ARM-микроконтроллеров разных производителей — J-Link или адаптер CMSIS-DAP.
2. По напряжению цели. Для плат на 1,8–3,3 В годятся STLINK-V3MINIE (1,65–3,6 В), STLINK-V3SET с адаптером B-STLINK-VOLT, J-Link и PICkit 5 (от 1,2 В). ST-LINK/V2 формально работает от 1,65 В, но выдаёт сигналы уровня 3,3 В — для чувствительных низковольтных схем ST советует другие модели. STLINK-V3SET без адаптера — от 3 В. USBasp без доработок — только для 5 В.
3. Нужна ли отладка. USBasp только прошивает. ST-LINK, J-Link, PICkit 5, Snap, CMSIS-DAP и WCH-LinkE останавливают ядро, ставят точки останова и читают переменные.
4. Нужно ли питать плату от программатора. Питают PICkit 5 (до 150 мА), WCH-LinkE (3,3 или 5 В) и USBasp (5 В); J-Link может подавать питание на контакт 19 своего 20-контактного разъёма (в OpenOCD — команда jlink config targetpower on), у EDU Mini этой возможности нет. ST-LINK и Snap цель не питают.
5. Высокое напряжение программирования. Микроконтроллерам, которые программируются только высоким напряжением, и AVR с переназначенным выводом UPDI нужен PICkit 5; Snap здесь не подойдёт.
6. Лицензия. J-Link EDU Mini — только для учёбы без коммерческой выгоды.

Микроконтроллеры с загрузчиком в ПЗУ часто прошивают вообще без программатора: STM32 — через UART или USB DFU (см. статью о загрузчике STM32), ESP32 и ESP8266 — через esptool по UART.

Частые ошибки

• Две схемы питания. Включённая перемычка J1 на USBasp при собственном блоке питания платы — два источника на одной шине. PICkit 5 и avrdude проверяют, подано ли на VTG внешнее напряжение, но и с ними лучше питать плату от одного источника.
• 5-вольтовый USBasp на 3,3-вольтовой плате. Авторская схема выдаёт 5-вольтовые уровни; нужен преобразователь уровней или программатор с широким диапазоном напряжений.
• Не подключён VAPP (VTG). ST-LINK и отладчики Microchip измеряют напряжение цели на этом контакте и по нему согласуют уровни; без него программатор не видит питания платы.
• Не подключён NRST. Подключение под сбросом (режим по умолчанию в STM32CubeIDE) без этого провода не работает, а программа, которая перенастроила выводы SWD, не даёт подключиться иначе.
• Слишком высокая частота SCK для медленного AVR. Микроконтроллер с тактовой частотой ниже 1,5 МГц USBasp прошивает только с перемычкой J3 или с уменьшенной частотой -B в avrdude.
• Snap в режиме MPLAB для avrdude. Сначала переключить его командой avrdude -c snap_updi -x mode=avr (или с другим вариантом: snap_isp, snap_pdi, snap_tpi, snap_dw), затем работать.
• Длинные провода. У WCH-LinkE предел 30 см; для ST-LINK и J-Link при длинных проводах снижают частоту SWD.