1.1.3 Особенности параллельной и последовательной схемы включения программатора
В МК семейства AVR предусмотрены два режима загрузки информации во внутреннюю память (программирования): параллельный и последовательный. Для первого характерны расширенные возможности и повышенная скорость загрузки. Во втором выполняются лишь самые необходимые операции, скорость загрузки меньше, но обычно называемое программатором устройство, соединяющее МК с портом компьютера, отличается предельной простотой. В большинстве случаев МК семейства AVR программируют именно через последовательный интерфейс, но бывает, что без параллельного программатора не обойтись.
Причиной, заставляющей применить параллельный программатор, может стать как отсутствие в выбранном МК последовательного интерфейса, так и необходимость изменить состояние некоторых конфигурационных разрядов, недоступных при последовательном программировании. Случается, например, что при предыдущем программировании вход установки МК в исходное состояние был сконфигурирован как вход—выход общего назначения. Если такой МК придется перепрограммировать, сделать это в последовательном режиме не удастся, МК просто не перейдет в режим программирования. А параллельный программатор легко выполнит поставленную задачу.
AVR-микроконтроллеры предоставляют пользователю несколько различных интерфейсов для программирования. Это последовательное программирование при высоком напряжении, последовательное программирование при низком напряжении через SPI, параллельное программирование при высоком напряжении и программирование по интерфейсу JTAG.
Программирование при высоком напряжении (параллельное и последовательное) требует значительного числа выводов микроконтроллера и дополнительного источника напряжения 12 В. По этой причине конструкция программаторов достаточно сложна. При высоковольтном программировании достигается наибольшая скорость записи и предоставляется максимальный доступ к ресурсам AVR. Чаще всего этот вид программирования применяется при крупносерийном заводском производстве.
Интерфейс JTAG очень удобно использовать в тех случаях, когда необходимо вести программирование и отладку в одном цикле разработки. К сожалению JTAG имеется далеко не во всех моделях AVR, а фирменные программаторы стоят значительных денег.
Низковольтное последовательное программирование через SPI, наиболее распространено. Это способ стоит признать основным при программировании AVR-микроконтроллеров.
Для взаимодействия программатора с микроконтроллером при последовательном низковольтном программировании используется аппаратный модуль SPI. Это очень практичное решение, позволяющее использовать минимальное число выводов и изменять алгоритмы работы устройства предварительно запаянного на плату. В виду последней причины программирование через SPI называют также еще внутрисхемным программированием или ISP (In System Programming).
Внутрисхемное программирование потребует задействовать у микроконтроллера в общей сложности 5 выводов. Это 3 линии модуля SPI (MISO, MOSI, SCK), вывод RESET и общий провод GND. В случае если программатор и микроконтроллер получают питание от одного источника, то дополнительно понадобится также вывод VCC, соединяющий шины питания. Перевод микроконтроллера в режим программирования осуществляется подачей низкого логического уровня на линию RESET. Длина шлейфа, соединяющего программатор с устройством, не должна превышать 15…20 см.
Рисунок 3 - схема подключения программатора
На рисунке 3 показана схема соединения программатора с AVR-микроконтроллером, при программировании через ISP. Для более надежной работы последовательно линиям MISO, MOSI, SCK рекомендуется включать сопротивления небольшого номинала. Напряжение питания программатора и устройства не должно иметь больших различий. Внутрисхемное программирование двух и более микроконтроллеров также возможно. В этом случае необходимо помнить об одном важном условии: в момент программирования на шине должен находиться только один активный микроконтроллер. Поэтому при проектировании платы заранее нужно предусмотреть переключатели, с помощью которых можно выборочно подавать напряжение на каждый программируемый микроконтроллер. После программирования модуль SPI или линии ввода-вывода, совпадающие с MISO, MOSI и SCK, могут быть использованы по своему прямому назначению.
При внутрисхемном программировании для чтения и записи доступны FLASH–память программ, EEPROM-память данных, биты защиты и управляющие FUSE–биты. Кроме этого могут быть считаны калибровочные ячейки и ячейки идентификатора. Изменения некоторых FUSE–битов необходимо производить с большой осторожностью. Особенно, если демонтировать микроконтроллер уже не представляется возможным. Главным образом это касается битов RSTDISBL и DWEN (если таковые имеется). Сброс любого из них в дальнейшем сделает невозможным использование линии RESET микроконтроллера. При RSTDISBL=0 вывод RESET настраивается как линия порта ввода-вывода, а при DWEN=0 – вход RESET служит однопроводным отладочным интерфейсом dW. Естественно, что в обоих случаях работа программатора с микроконтроллером будет заблокирована. Кроме того во время внутрисхемного программирования микроконтроллеры AVR должны работать от собственного источника тактовой частоты, выбор которого осуществляется битами CKSEL3:CKSEL0. Если их настройка произведена некорректно (например, вместо внутреннего RC-генератора, выбран внешний кварцевый резонатор), то устройство может вообще отказаться работать. Еще один FUSE–бит, о котором следует помнить, - это SPIEN. SPIEN не доступен во время последовательного низковольтного программирования. Однако его установка при программировании в каком-либо другом режиме запретит работу модуля SPI. Напомним, что активизированным FUSE–битам соответствует состояние лог.0.