Программатор что это такое
Программатор для начинающих
Программатор это программно аппаратное устройство, предназначенное для записи информации в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Помимо записи, подобное устройство должно обеспечивать возможность считывания информации из ПЗУ микросхемы. Наряду с основными режимами записи и чтения, многие микросхемы имеют ряд дополнительных режимов: стирание, защита от чтения, защита от программирования и т.п. Для начинающих пользователей программатора, в материале «программирование микроконтроллеров для начинающих», представлена классификация устройств со встроенным ПЗУ. Принято считать, что устройство поддерживает микросхему, если оно:
Для выполнения своих функций, нормальный программатор, как минимум должен содержать:
— колодку, в которую можно вставить выбранную микросхему. Колодка должна обеспечивать электрический контакт с выводами микросхемы;
— интерфейс, позволяющий осуществлять ввод/вывод записываемой и считываемой информации;
— программно аппаратные драйвера, способные формировать и считывать логические уровни и сложные тактовые сигналы.
Классификация программаторов.
По типу поддерживаемых микросхем
Очевидно, чем более широк спектр поддерживаемых микросхем, тем более сложная программно аппаратная реализация такого устройства.
Аппаратная часть наиболее простых программаторов, позволяющих запрограммировать микросхемы одной серии, как правило, представляет собой кабель и несколько резисторов, которые подключаются к одному из портов PC.
Универсальный программатор строится на базе универсальных аппаратных драйверов. Аппаратные драйвера подключаются к выводам колодки, и должны обеспечивать:
— подачу и считывание логических уровней;
— подачу сложных тактовых последовательностей в широком диапазоне частот;
— подачу напряжения в широком диапазоне и с высокой точностью.
По способу программирования микросхем
Параллельный программатор. Для того, что бы произвести необходимые действия с микросхемой, ее надо вставить в колодку программатора. Затем, в программном интерфейсе выбрать соответствующий тип поддерживаемой микросхемы, после этого, запустить на исполнение необходимый режим (программирование, чтение, стирание, защита и т.п.).
Для программирования микросхем с корпусами, отличными от DIP, необходимо использовать специальные переходные адаптеры для программирования.
Внутрисхемный программатор. Внутрисхемное программирование возможно только тех микросхем, которые рассчитаны на данный режим. Как правило, подобные микросхемы имеют встроенные схемы, которые:
— из внешнего напряжения питания генерируют напряжения необходимые для программирования;
— обеспечивают коммуникацию с внутрисхемным прoгрaммaтором по последовательному интерфейсу (вариации протокола JTAG, SPI, UART).
Для реализации режима внутрисхемного программирования, устройство пользователя должно обеспечивать:
— необходимую коммутацию с выводами микросхемы;
— необходимые режимы по нагрузке и питанию на соответствующих выводах микросхемы в режиме программирования.
Главным преимуществом внутрисхемного программирования является возможность объединения процесса программирования и тестирования, исключив отдельную фазу программирования микросхем перед окончательной сборкой устройства.
Отличительной особенностью моделей серии ChipProg-xx является то обстоятельство, что помимо поддержания параллельного режима программирования (программирования в колодке), они поддерживают и режим внутрисхемного программирования.
По подключению к компьютеру
Как правило, для подключения современного программатора к PC используется порт USB. Раньше для этих целей использовались LPT и/или COM порты. Некоторые модели могут работать и в автономном режиме, без подключения к PC. Например, ChipProg-ISP2 помимо обычного управления от PC допускает управление:
— кнопкой на корпусе;
— через Ethernet (с гальванической развязкой);
— от внешних программно аппаратных комплексов.
При этом, программируемая информация, все режимы и опции программирования хранятся на встроенной SD карте (до 256 проектов).
По количеству одновременно программируемых микросхем
Как правило, универсальный программатор может работать одновременно не более чем с одной микросхемой. Обычно, для целей разработки, ремонта или обслуживания различных электронных устройств и блоков, этого вполне достаточно. Для тиражирования микросхем выпускаются специализированные промышленные копировщики. Так например, наш ChipProg-G41 снабжен четырьмя ZIF сокетками, что позволяет в асинхронном режиме программировать до 4 микросхем одновременно, а нутрисхемный промышленный ISP CPI2-Gxxxx позволяет в асинхронном режиме программировать до 14 микросхем одновременно. Другая возможность существенно увеличить скорость тиражирования партий микросхем – воспользоваться функциональными возможностями некоторых устройств. В частности, модели ChipProg-XX с USB интерфейсом предоставляют возможность мультипрограммирования. Что позволяет обеспечить программирование практически любого количества микросхем одновременно.
По дополнительным функциональным и сервисным возможностям
Различные устройства, подчас существенно отличаются друг от друга по своим функциональным и сервисным возможностям.
Программатор для начинающих.
Профессиональный, хорошо сделанный программатор обладает следующими опциями, полезными в том числе и начинающему пользователю:
— развернутая документация, включая контекстные подсказки;
— демо режим;
— поддержка разработчика;
— встроенные механизмы защиты от неправильных действий пользователя;
— режим самодиагностики.
Программатор Громова
Что такое программатор
Первый вопрос, который вы хотите задать в лоб — что же вообще такое «программатор»? Слово «программатор» образуется как ни странно, от слова «программа». А что такое программа? Если вспомнить, что такое телепрограмма и зачем она была нужна (кстати, сейчас до сих пор продается в киосках), то стает понятно, что программа телепередач — это расписание по времени этих самых телепередач. Значит программой можно назвать какие-то действия или события, которые будут выполняться одно за другим во времени, когда мы этого захотим или не захотим. Следовательно, программатор — это всего-навсего какое-то устройство, которые позволяет нам записывать либо читать программу. Изменить программу уже может только сам программист 😉
СМ Начинающим радиолюбителям переход от сборки простейших аналоговых устройств, типа мультивибраторов, к сборке устройств с применением МК бывает затруднен тем, что здесь мало просто развести и спаять устройство на печатной плате, нужно еще и залить прошивку в память микроконтроллера с помощью программатора. Как уже было написано в предыдущих статьях, микроконтроллер, до тех пор, пока мы не «залили» в него прошивку, является просто бесполезным куском кремния. И тогда начинающий радиолюбитель ищет информацию в интернете о сборке простого, но эффективного программатора, который помог бы ему взять быстрый старт в этом нелегком деле.
Программатор Громова
Итак, давайте разберем, что же такое вообще прошивание микроконтроллера (МК) с помощью программатора, и как оно осуществляется? Для того, чтобы прошить МК, нам потребуется связка из самого программатора, устройства, спаянного на печатной плате, и программа, называемая оболочкой, работающая с этим устройством.
Под каждый тип программатора чаще всего требуется своя программная оболочка. Для сборки программатора Громова не требуется программировать микроконтроллер. В данном программаторе он отсутствует. Этот программатор работает с двумя широко распространенными оболочками для прошивания: PonyProg и Uniprof. У нас будут посвящены отдельные обзоры на эти программки. Данный программатор подключается к СОМ порту. Единственным препятствием для его сборки может стать физическое отсутствие данного разъема на материнской плате вашего системного блока.
Почему именно системного блока? Потому что ноутбуки, а также современные модели материнских плат 2010 — 2011 года выпуска и выше часто имеют на контактах СОМ порта пониженное напряжение питания. Что это означает? Это означает, что вы можете собрать данный программатор, а он у вас не заработает. Но с компьютерами 2007 — 2008 года выпуска и старше, за исключением ноутбуков, данный программатор должен гарантированно работать. Подключение через переходники USB – COM не спасают в этом случае, так как при этом наблюдается в лучшем случае, сильное снижение скорости, в худшем, программатор вообще отказывается работать.
Схема программатора Громова
Давайте рассмотрим принципиальную схему программатора:
Давайте разберем, как выглядят данные радиодетали.
На фото ниже представлен разъем DB9:
Как мы видим, пины (выводы) этого разъема обозначены цифрами на нем. Если будут какие-то затруднения с определением какой штырек соответствует какому отверстию разъема, рекомендую вставить проволочку в отверстие пина разъема, перевести мультиметр в режим звуковой прозвонки и прикоснувшись одновременно щупами мультиметра к проволочке по очереди к каждому из штырьков на разъеме, вызвонить соответствие штырьков отверстиям. Это может потребоваться в случае, если вы подключаете разъем проводками к плате. Если разъем будет впаян непосредственно в плату, то эти действия не требуются.
У кого на панели разъемов материнской платы, находящейся в задней части компьютера, нет COM разъема, можно купить планки с таким разъемом. Но нужно убедиться что производители распаяли контроллер СОМ порта на материнской плате, и предусмотрели подключение шлейфа данной планки, непосредственно к плате. Иначе такой вариант вам не поможет. В качестве альтернативного варианта, могу предложить приобрести контроллер СОМ порта, размещенный на специальной плате расширения, которую устанавливают в PCI слот ПК
Также при желании, если вы захотите, чтобы кабель, подключаемый к СОМ порту, у вас отключался от программатора, можно открутив винты крепления, снять разъем с планки, и закрепить его в корпусе программатора. Но будьте внимательны, и после покупки прозвоните все жилы, на соответствие номерам, с обоих концов кабеля, потому что часто в продаже встречаются похожие внешне кабеля, имеющие перекрещенные жилы. Кабель для подключения к данному разъему, должен быть обязательно полной распайки, DB9F – DB9F, прямой, не перекрещенный, с другими кабелями разъем работать не будет.
Если же возникают проблемы с приобретением данного кабеля, можно взять и перекрещенный кабель или удлинитель 9M-9F, но в таком случае может потребоваться обрезать разъем с другого конца, и вызвонив жилки по пинам разъема подпаяться непосредственно к плате программатора. У меня, кстати, был как раз такой кабель — удлинитель, и мне пришлось обрезать разъем со второго конца. Не покупайте кабеля для прошивки телефонов через СОМ порт, они не годятся для наших целей, так как там неполная распайка жил.
Сборка программатора
Диоды берем КД522, КД510 или 1N4148. Вот так выглядит диод КД522
Будьте внимательны, диод имеет полярность включения. Другими словами, его не безразлично как впаивать, можно впаять и задом наперед, тогда программатор работать не будет. Как известно, диод имеет катод и анод. Катод промаркирован, в данном случае, черным колечком.
Ну с резисторами, я думаю, проблем не возникнет. Идете в радиомагазин и говорите продавцу: «Мне нужны резисторы 1 кОм 0.25 Ватт». Желательно взять импортные резисторы, так как у отечественных МЛТ идет большее отклонение от номинала.
Если вы владеете методом ЛУТ, то для вас не составит труда собрать программатор, по этой печатной плате. Ниже приведен скрин платы из программы Sprint Layout:
Если же вы до сих пор не освоили метод ЛУТ, тогда вам больше подойдет следующая плата, рисунок которой можно легко нарисовать маркером для печатных плат прямо на текстолите. Оба варианта печатных плат, вы сможете скачать в общем архиве, в конце статьи. Не забудьте зачистить и обезжирить плату перед нанесением рисунка. Выводы деталей на ней расположены не близко, и проблем при пайке не возникнет даже у новичков
Отличие платы от оригинальной схемы, в наличии светодиода индикации и токоограничительного резистора в цепи светодиода. Все выводы подписаны на плате. Слева номера выводов кабеля СОМ порта, которые нужно подпаять к плате, не подписанные номера жил можно заизолировать и не подпаивать. Справа идут пины для подключения к программируемому микроконтроллеру.
У меня был собран пять лет назад данный программатор на плате, сделанной от маркера. Так выглядела его печатная плата после лужения на этапе сборки в корпусе:
Извините за синюю изоленту)), тогда еще, 5 лет назад, термоусадочные трубки были в диковинку.
Разъем кабеля программатора с другого конца был обрезан, и проводки кабеля были впаяны непосредственно в плату. Сам кабель был закреплен металлическим хомутом. На фото видно, что кабель толстый, и если бы был не закреплен, при изгибании мог нарушиться контакт проводков, на плате программатора
Для подключения к микроконтроллеру устанавливаемому для прошивания на беспаечную макетную плату, я использовал цветные гибкие проводки. Соединенные с проводками такого же цвета, взятыми из жилок витой пары. Это сделано для того, чтобы с одной стороны жилки не переломились при эксплуатации, а с другой было обеспечено легкое подключение к макетной плате. Длина данных проводков должна быть максимум 20 — 25 См, во избежание ошибок от наводок, при программировании. Не используйте обычные неэкранированные провода, вместо СОМ кабеля! Замучаетесь с ошибками при прошивке.
Программируемый микроконтроллер нуждается во внешнем питании +5 Вольт, подаваемом на программатор. Для этой цели можно собрать стабилизатор на микросхеме 7805, с питанием от внешнего блока питания, либо поступить проще и воспользоваться кабелем и зарядным устройством с выходом USB, подпаяв жилки кабеля USB прямо к печатной плате.
Для справки: питание и земля, в разъеме USB идут по краям. Вот распиновка разъема USB:
При запитывании от USB порта компьютера, в случае замыкания жилок программатора +5 вольт (VCC) и земли (GND), вы рискуете сжечь южный мост материнской платы компьютера, ремонт такой материнской платы будет нецелесообразен. Я пользовался обоими вариантами для подачи питания, и через стабилизатор, и через кабель от зарядного USB. Еще один нюанс, после программирования микроконтроллера, чтобы микроконтроллер запустился, необходимо разорвать цепь RESET.
Это можно сделать просто выткнув проводок соединенный с пином RESET программатора. И тогда программа, зашитая в микроконтроллер начнет выполняться. Я решил сделать более удобное решение и поставил малогабаритный клавишный выключатель на разрыв цепи RESET.
Другими словами при его отключении, ток в этой цепи больше не течет и микроконтроллер начинает работу. Заместо клавишного выключателя можно воспользоваться любой малогабаритной кнопкой с фиксацией, либо поставить тумблер. Кому что подскажет фантазия 😉
Наверняка вы уже обратили внимание, что на схеме программатора Громова, есть какие-то незнакомые слова, а в частности VCC, GND, MISO, MOSI, SCK и RESET. Разберем, что же значат эти обозначения на примере микроконтроллера Attiny 2313.
В данном случае изображена очень распространенная и недорогая микросхема: микроконтроллер AVR Tiny (он же Аttiny) 2313. Ножки микросхемы, как мы видим, имеют свой номер. Нумерация идет против часовой стрелки, от ключа в виде точки, расположенной в левом верхнем углу корпуса микроконтроллера. Ниже на рисунке пример того, как идет нумерация на микросхемах в корпусе DIP:
В первую очередь нас интересуют перечисленные выше шесть ножек. Назначения всех остальных мы вкратце коснемся в конце статьи.
VCC. На эту ногу мы подаем напряжение питания микросхемы. Стандартом является 5 Вольт. Допустимо отклонение в большую сторону, до 5.5 Вольт. Напряжение свыше 6 Вольт, может привести к порче микросхемы. Отклонение в меньшую сторону более допустимо. Есть версии микроконтроллеров Tiny 2313V, которые могут работать даже от двух пальчиковых батареек или аккумуляторов, или от напряжения в 2.4 Вольта.
GND. Ну это всем знакомая и известная “земля”, она же ”масса”, и она же минус питания. Данный контакт является общим для всех устройств, которые имеют подключение друг к другу. Если вы соединяете, какие-либо блоки устройства между собой, их земли следует объединить. В данном случае, земля микроконтроллера, объединяется с землей программатора.
MISO. Сокращение от Master – In – Slave – Out. По этой линии передаются данные от микроконтроллера к программатору.
MOSI. Сокращение от Master – Out – Slave – In. По этой линии тоже передаются данные от программатора к микроконтроллеру.
SCK. На этой линии формируется тактовый сигнал.
RESET. Данный вывод используется для сброса микроконтроллера после стирания одиночным импульсом. Если RESET будет отключен, путем ошибочного выставления определенного фьюза, (о выставлении этого, и других фьюзов мы поговорим в следующих статьях) мы не сможем стереть и перепрошить микроконтроллер, через интерфейс SPI.
Достаточно подсоединить эти перечисленные 6 пинов программатора, к 6 ножкам микроконтроллера, и мы сможем прошить МК.
Рассмотрим остальные ножки МК:
У микроконтроллера Tiny2313 3 порта: А (А0-А2, 3 ножки), B (В0-В7, 8 ножек) D (D0-D6, 7 ножек), всего насчитывается 18 используемых в качестве ножек портов ввода — вывода. Каждую из этих ножек можно сконфигурировать отдельно на ввод и на вывод. Не являются ножками портов, только земля (GND) и питание (VCC).
Ниже рассмотрено дополнительное назначение некоторых ножек МК:
OC1A И OC1B. Ножки для формирования ШИМ (Широтно – импульсная модуляция) сигнала, таймер 1.
OC0A и OC0B. Ножки для формирования ШИМ сигнала, таймер 0.
AIN0 и AIN1. Ножки для подачи аналогового сигнала на микроконтроллер.
XTAL1 и XTAL2. Ножки для подключения кварцевого резонатора, для тактирования от него.
RXD и TXD. Линии подключения МК по интерфейсу UART.
Я надеюсь, данная статья будет полезна начинающим любителям микроконтроллеров, и позволит собрать программатор, который будет долгое время радовать вас своей работой.
Электроника для всех
Блог о электронике
AVR. Учебный курс. Трактат о программаторах
Программа для микроконтроллера пишется на любом удобном языке программирования, компилируется в бинарный файл (или файл формата intel HEX) и заливается в микроконтроллер посредством программатора.
Итак, первым шагом в освоении микроконтроллера обычно становится программатор. Ведь без программатора невозможно загнать программу в микроконтроллер и он так и останется безжизненным куском кремния.
Что же представляет из себя это устройство?
В простейшем случае программатор это девайс который связывает микроконтроллер и компьютер, позволяя с компа залить файл прошивки в память контроллера. Также нужна прошивающая программа, которая по специальному протоколу загонит данные в микроконтроллер.
Программаторы бывают разные под разные семейства контроллеров существуют свои программаторы. Впрочем, бывают и универсальные. Более того, даже ту же простейшую AVR’ку можно прошить несколькими способами:
Внутрисхемное программирование (ISP)
Самый популярный способ прошивать современные контроллеры. Внутрисхемным данный метод называется потому, что микроконтроллер в этот момент находится в схеме целевого устройства — он может быть даже наглухо туда впаян. Для нужд программатора в этом случае выделяется несколько выводов контроллера (обычно 3..5 в зависимости от контроллера).
 |
К этим выводам подключается прошивающий шнур программатора и происходит заливка прошивки. После чего шнур отключается и контроллер начинает работу.
У AVR прошивка заливается по интерфейсу SPI и для работы программатора нужно четыре линии и питание (достаточно только земли, чтобы уравнять потенциалы земель программатора и устройства):
Сам же разъем внутрисхемного программирования представляет собой всего лишь несколько штырьков. Лишь бы на него было удобно надеть разъем. Конфигурация его может быть любой, как тебе удобней.
Однако все же есть один популярный стандарт:
 |
Для внутрисхемной прошивки контроллеров AVR существует не один десяток разнообразных программаторов. Отличаются они в первую очередь по скорости работы и типу подключения к компьютеру (COM/LPT/USB). А также бывают безмозглыми или со своим управляющим контроллером.
Безмозглые программаторы, как правило, дешевые, очень простые в изготовлении и наладке. Но при этом обычно работают исключительно через архаичные COM или LPT порты. Которые найти в современном компьютере целая проблема. А еще требуют прямого доступа к портам, что уже в Windows XP может быть проблемой. Плюс бывает зависимость от тактовой частоты процессора компьютера.
Так что твой 3ГГЦ-овый десятиядерный монстр может пролететь, как фанера над Парижем.
Идеальный компьютер для работы с такими программаторами это какой-нибудь PIII-800Mhz с Windows98…XP.
Вот очень краткая подборка проверенных лично безмозглых программаторов:
 |
Программаторы с управляющим контроллером лишены многих проблем безмозглых. Они без особых проблем работают через USB. А если собраны на COM порт, то без извращенских методик работы с данными — как честный COM порт. Так что адаптеры COM-USB работают на ура. И детали подобрать можно покрупней, чтобы легче было паять. Но у этих программаторов есть другая проблема — для того чтобы сделать такой программатор нужен другой программатор, чтобы прошить ему управляющий контроллер. Проблема курицы и яйца. Широко получили распространение такие программаторы как:
Внутрисхемное программирование, несмотря на все его удобства, имеет ряд ограничений.
Микроконтроллер должен быть запущен, иначе он не сможет ответить на сигнал программатора. Поэтому если неправильно выставить биты конфигурации (FUSE), например, переключить на внешний кварцевый резонатор, а сам кварц не поставить. То контроллер не сможет запуститься и прошить его внутрисхемно будет уже нельзя. По крайней мере до тех пор пока МК не будет запущен.
Также в битах конфигурации можно отключить режим внутрисхемной прошивки или преваратить вывод RESET в обычный порт ввода-вывода (это справедливо для малых МК, у которых RESET совмещен с портом). Такое действо тоже обрубает программирование по ISP.
Параллельное высоковольтное программирование
Обычно применяется на поточном производстве при массовой (сотни штук) прошивке чипов в программаторе перед запайкой их в устройство.
Параллельное программирование во много раз быстрей последовательного (ISP), но требует подачи на RESET напряжения в 12 вольт. А также для параллельной зашивки требуется уже не 3 линии данных, а восемь + линии управления. Для программирования в этом режиме микроконтроллер вставляется в панельку программатора, а после прошивки переставляется в целевое устройство.
Для радиолюбительской практики он особо не нужен, т.к. ISP программатор решает 99% насущных задач, но тем не менее параллельный программатор может пригодиться. Например, если в результате ошибочных действий были неправильно выставлены FUSE биты и был отрублен режим ISP. Параллельному программатору на настройку FUSE плевать с высокой колокольни. Плюс некоторые старые модели микроконтроллеров могут прошиваться только высоковольтным программатором.
Из параллельных программаторов для AVR на ум приходит только:
А также есть универсальные вроде TurboProg 6, BeeProg, ChipProg++, Fiton которые могут прошивать огромное количество разных микроконтроллеров, но и стоят неслабо. Тысяч по 10-15. Нужны в основном только ремонтникам, т.к. когда не знаешь что тебе завтра притащат на ремонт надо быть готовым ко всему.
Прошивка через JTAG
Вообще JTAG это отладочный интерфейс. Он позволяет пошагово выполнять твою программу прям в кристалле. Но с его помощью можно и программу прошить, или FUSE биты вставить. К сожалению JTAG доступен далеко не во всех микроконтроллерах, только в старших моделях в 40ногих микроконтроллерах. Начиная с Atmega16.
Компания AVR продает фирменный комплект JTAG ICEII для работы с микроконтроллерами по JTAG, но стоит он (как и любой профессиональный инструмент) недешево. Около 10-15тыр. Также есть первая модель JTAG ICE. Ее можно легко изготовить самому, а еще она встроена в мою демоплату Pinboard.
 |
Прошивка через Bootloader
Многие микроконтроллеры AVR имеют режим самопрошивки. Т.е. в микроконтроллер изначально, любым указанным выше способом, зашивается спец программка — bootloader. Дальше для перешивки программатор не нужен. Достаточно выполнить сброс микроконтроллера и подать ему специальный сигнал. После чего он входит в режим программирования и через обычный последовательный интерфейс в него заливается прошивка. Подробней описано в статье посвященной бутлоадеру.
Достоинство этого метода еще и в том, что работая через бутлоадер очень сложно закосячить микроконтроллер настолько, что он не будет отвечать вообще. Т.к. настройки FUSE для бутлоадера недоступны.
Бутлоадер также прошит по умолчанию в главный контроллер демоплаты Pinboard чтобы облегчить и обезопасить первые шаги на пути освоения микроконтроллеров.
Pinboard II
Прошивка AVR с помощью демоплаты Pinboard II (для Pinboard 1.1 все похоже)
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.
89 thoughts on “AVR. Учебный курс. Трактат о программаторах”
А что это делает в учебном курсе? чего не на главной странице?
Здарова, Артем, вот я и зашел, чего то не мог зайти долго…
Я постепенно правлю и переписываю старые статьи, чтобы привести их в более стройный и завершенный вид.