Программирование микроконтроллеров AVR — первый шаг. AVR-программирование. Программирование микроконтроллеров AVR для начинающих Самопрограммирование avr

В этой главе будет рассмотрена такая интересная особенность AVR, как самопрограммирование (имеется у многих моделей ATtiny и во всех моделях ATmega). Суть ее заключается в возможности изменять содержимое FLASH-памяти непосредственно из пользовательской программы. Микроконтроллеры Atmel были одними из первых в мире, в которых появилось это новшество. В разделе приведен пример загрузчика, использующего аппаратный интерфейс USART, и управляющей программы высокого уровня на языке Delphi.

Область применения

Какие же выгоды предоставляет способность самопрограммирования? Сначала может показаться, что такая возможность дает AVR такие же преимущества, какими, например, обладает любой процессор с Принстонской архитектурой. Это, во-первых, способность изменять собственные алгоритмы работы и, во-вторых, возможность вести отладку приложения, не прибегая к дополнительным аппаратным средствам. Но на практике ресурсов 8-разрядного микроконтроллера совершенно недостаточно для построения “самообучающихся” интеллектуальных систем. А что касается отладки, то сама структура FLASH-памяти здесь сводит на нет все достоинства самопрограммирования (возможность размещать коды программ в быстрой памяти SRAM у AVR отсутствует). Кроме того, переписывать на ходу секцию рабочего кода, что раньше делалось только с помощью программаторов, – довольно рискованное дело. Любая неточность здесь сразу приведет к сбою. И даже наличие самого аппаратного узла, отвечающего за смену “прошивки”, потенциально снижает надежность устройства. Если прикладная программа может изменять FLASH-память, то это может случиться и непроизвольно в результате какой-либо ошибки.

Однако, со временем оказалось, что все не так уж и плохо. Самопрограммирование позволяет успешно использовать FLASH-память, как альтернативу EEPROM. Рабочий ресурс FLASH, производимой по современной технологии, составляет ≈10000 циклов стирания/записи. Это показатель хоть и на порядок меньше, чем у EEPROM, но все равно очень высокий. Благодаря этому во FLASH-памяти можно хранить таблицы, списки, поправочные коэффициенты, а также любую другую информацию, требующую периодического не слишком частого обновления.

Но, наверное, самым главным достоинством самопрограммирования, является возможность создания практически любого интерфейса, для обновления программного обеспечения. Наибольшее практическое значение имеют компьютерные COM и USB. Последний из них в упрощенном виде может быть реализован программным способом. Процессом программирования со стороны AVR должна при этом управлять специальная программа-загрузчик boot-loader. Многие современные микроконтроллеры (а также новые модели AVR) поставляются с изначально “зашитым” на заводе загрузчиком, что дает возможность использовать очень простые программаторы, лишь немного потеряв в скорости программирования.

Перейти к следующей части:

Микроконтроллеры являются небольшими, но одновременно очень удобными приспособлениями для тех, кто желает создавать различные удивительные роботизированные или автоматизированные вещи у себя дома. В рамках этой статьи будет рассмотрено программирование AVR для начинающих, различные аспекты и нюансы этого процесса.

Общая информация

Микроконтроллеры можно встретить везде. Они есть в холодильниках, стиральных машинах, телефонах, станках на производстве, умных домах и ещё во множестве различных технических устройств. Их повсеместное применение обусловлено возможностью замены более сложных и масштабных аналоговых схем устройств. Программирование МК AVR позволяет обеспечить автономное управление над электронными устройствами. Эти микроконтроллеры можно представить как простейший компьютер, что может взаимодействовать с внешней техникой. Так, им под силу открывать/закрывать транзисторы, получать данные с датчиков и выводить их на экраны. Также микроконтроллеры могут осуществлять различную обработку входной информации подобно персональному компьютеру. Если освоить программирование AVR с нуля и дойти до уровня профессионала, то откроются практически безграничные возможности для управления различными устройствами с помощью портов ввода/вывода, а также изменения их кода.

Немного о AVR

В рамках статьи будет рассмотрено семейство микроконтроллеров, выпускаемых фирмой Atmel. Они имеют довольно неплохую производительность, что позволяет использовать их во многих любительских устройствах. Широко применяются и в промышленности. Можно встретить в такой технике:

1. Бытовой. Стиральные машины, холодильники, микроволновые печи и прочее.
2. Мобильной. Роботы, средства связи и так далее.
3. Вычислительной. Системы управления периферийными устройствами, материнские платы.
4. Развлекательной. Украшения и детские игрушки.
5. Транспорт. Системы безопасности и управления двигателем автомобиля.
6. Промышленное оборудование. Системы управления станками.

Это, конечно же, не все сферы. Они применяются там, где выгодно использовать не набор управляющих микросхем, а один микроконтроллер. Это возможно благодаря низкому энергопотреблению и Для написания программ используются языки С и Assembler, немного изменённые под семейство микроконтроллеров. Такие изменение необходимы из-за слабых вычислительных возможностей, которые исчисляются, как правило, в десятках килобайт. AVR-программирование без изучения этих языков не представляется возможным.

Как получить свой первый микроконтроллер?

AVR-программирование требует:

1. Наличия необходимой среды разработки.
2. Собственно самих микроконтроллеров.

Второй пункт рассмотрим подробнее. Существует три возможности обзавестись требуемым устройством:

1. Купить непосредственно сам микроконтроллер.
2. Обзавестись устройством в составе конструктора (например - Arduino).
3. Собрать микроконтроллер самостоятельно.

В первом пункте ничего сложного нет, поэтому сразу перейдём ко второму и третьему.

Обзавестись устройством в составе конструктора

В качестве примера будет выбран известный Arduino. Это по совместительству удобная платформа для быстрой и качественной разработки различных электронных устройств. Плата Arduino включает в себя определённый набор компонентов для работы (существуют различные конфигурации). В неё обязательно входит AVR-контроллер. Этот подход позволяет быстро начать разработку устройства, не требует специальных умений и навыков, имеет значительные возможности в плане подключения дополнительных плат, а также в интернете можно найти много информации на интересующие вопросы. Но не обошлось и без минусов. Покупая Arduino, человек лишает себя возможности более глубоко окунуться в AVR-программирование, лучше узнать микроконтроллер, специфику его работы. Также негатива добавляет и относительно узкая линейка моделей, из-за чего часто приходится покупать платы под конкретные задачи. Особенностью также является и то, что программирование на "СИ" здесь отличается довольно сильно от стандартной формы. Несмотря на все свои недостатки, Arduino подходит для изучения новичкам. Но злоупотреблять не стоит.

Самостоятельная сборка

Следует отметить, что микроконтроллеры AVR отличаются достаточной дружелюбностью к новичкам. Собрать их самостоятельно можно с доступных, простых и дешевых комплектующих. Если говорить о плюсах, то такой подход позволяет лучше ознакомиться с устройством, самостоятельно выбирать необходимые комплектующие, подгоняя конечный результат под выдвигаемые требования, использование стандартных языков программирования и дешевизна. Из минусов можно отметить только сложность самостоятельной сборки, когда она осуществляется впервые, и нет нужных знаний и навыков.

Как работать?

Итак, допустим, что вопрос с микроконтроллером решился. Далее будет считаться, что он был приобретён или же куплен самостоятельно. Что ещё нужно, чтобы освоить AVR-программирование? Для этой цели нужна среда разработки (в качестве базиса подойдёт и обычный блокнот, но рекомендую остановиться на Notepad++). Хотя существуют и другие программы для программирования AVR, приведённое обеспечение сможет справиться со всеми требованиями. Также необходим программатор. Его можно приобрести в ближайшем магазине, заказать по интернету или собрать самостоятельно. Не помешает и печатная плата. Она не обязательна, но её использование позволяет сэкономить свои нервы и время. Также покупается/создаётся самостоятельно. И последнее - это источник питания. Для AVR необходимо обеспечить поступление напряжения на 5В.

Где и как учиться?

Создавать шедевры с нуля не получиться. Здесь необходимы знания, опыт и практика. Но где их взять? Существует несколько путей. Первоначально можно самостоятельно выискивать нужную информацию в мировой сети. Можно записать на курсы программирования (дистанционные или очные) для получения базовых навыков работы. Каждый подход имеет свои преимущества. Так, дистанционные курсы программирования будут более дешевыми, а может и бесплатными. Но если что-то не будет получаться, то при очных занятиях опытный разработчик сможет быстрее найти причину проблемы. Также не лишним будет ознакомиться с литературой, что находится в свободном доступе. Конечно, на одних книгах выехать не получится, но получить базовые знания про устройство, программирование на "СИ", "Ассемблере" и о других рабочих моментах можно.

Порты ввода/вывода

Это чрезвычайно важная тема. Без понимания того, как работают порты ввода/вывода, не представляется возможным внутрисхемное программирование AVR вообще. Ведь взаимодействие микроконтроллера с внешними устройствами осуществляется именно при их посредничестве. На первый взгляд новичка может показаться, что порт - это довольно запутанный механизм. Чтобы избежать такого впечатления, не будем детально рассматривать схему его работы, а только получим общее представление об этом. Рассмотрим программную реализацию. В качестве примера устройства был выбран микроконтроллер AtMega8 - один из самых популярных из всего семейства AVR. Порт ввода/вывода представляет собой три регистра, которые отвечают за его работу. На физическом уровне они реализовываются как ножки. Каждой из них соответствует определённый бит в управляющем реестре. Каждая ножка может работать как для ввода информации, так и для её вывода. Например, на неё можно повесить функцию зажигания светодиода или обработку нажатия кнопки. Кстати, три регистра, о которых говорилось, это: PORTx, PINx и DDRx. Каждый из них является восьмиразрядным (не забываем, что мы рассматриваем AtMega8). То есть один бит занимается определённой ножкой.

Работа регистров

Наиболее весомым в плане ориентации является управляющий DDRx. Он также является восьмиразрядным. Значения для него могут быть записаны 0 или 1. Как меняется работа контроллера при использовании нулей и единицы? Если в определённом бите выставить 0, то соответствующая ему ножка будет переключена в режим входа. И с неё можно будет считывать данные, что идут с внешних устройств. Если установить 1, то микроконтроллер сможет управлять чем-то (например, дать приказ транзистору пропустить напряжение и зажечь светодиод). Вторым по важности является PORTx. Он занимается управлением состояния ножки. Давайте рассмотрим пример. Допустим, у нас есть порт вывода. Если мы устанавливаем логическую единицу в PORTx, то посылается сигнал от микроконтроллера управляющему устройству начать работу. Например, зажечь светодиод. При установлении нуля он будет гаситься. То есть работать с управляющим регистром DDRx постоянно, нет надобности. И напоследок давайте о PINx. Этот регистр отвечает за отображение состояния ножки контроллера, когда она настроена на состояние ввода. Следует отметить, что PINx может работать исключительно в режиме чтения. Записать в него ничего не получится. Но вот прочитать текущее состояние ножки - это без проблем.

Работа с аналогами

AVR не являются единственными микроконтроллерами. Этот рынок поделен между несколькими крупными производителями, а также между многочисленными китайскими имитирующими устройствами и самоделками. Во многом они подобны. К примеру, программирование PIC/AVR сильно не отличается. И если есть понимание чего-то одного, то понять всё остальное будет легко. Но начинать путь рекомендуем всё же с AVR благодаря его грамотной структуре, дружелюбности к разработчику и наличию большого количества вспомогательных материалов, из-за чего процесс разработки можно значительно ускорить.

Техника безопасности

Когда будет вестись программирование микроконтроллеров AVR на "СИ" или на "Ассемблере", то необходимо работать очень осторожно. Дело в том, что выставив определённую комбинацию регистров и изменив внутренние настройки, можно спокойно заблокировать микроконтроллер. Особенно это касается фьюзов. Если нет уверенности в правильности своих действий, то лучше отказаться от их использования. Это же относится и к программаторам. Если покупать заводскую аппаратуру, то она будет прошивать микроконтроллеры без проблем. При сборке своими руками может возникнуть печальная ситуация, при которой программатор заблокирует устройство. Это может произойти как из-за ошибки в программном коде, так и через неполадки в нём самом. Кстати, об ещё одном (на этот раз позитивном) моменте, который ранее вскользь упоминался, но так и не был раскрыт полностью. Сейчас практически все современные микроконтроллеры обладают функцией внутрисхемного программирования. Что это значит? Допустим, что устройство было запаяно на плате. И чтобы сменить его прошивку, сейчас не нужно его выпаивать, ведь такое вмешательство может повредить сам микроконтроллер. Достаточно подключиться к соответствующим выводам и перепрограммировать его при их посредстве.

Какую модель выбрать?

В рамках статьи была рассмотрена AtMega8. Это довольно посредственный за своими характеристиками микроконтроллер, которого, тем не менее, хватает для большинства поделок. Если есть желание создать что-то масштабное, то можно брать уже своеобразных монстров вроде Atmega128. Но они рассчитаны на более опытных разработчиков. Поэтому, если нет достаточного количества опыта, то лучше начинать с небольших и простых устройств. К тому же они и значительно дешевле. Согласитесь, одно дело случайно заблокировать микроконтроллер за сто рублей, а совсем иное - за полтысячи. Лучше набить себе руку и разобраться в различных аспектах функционирования, чтобы в последующем не терять значительные суммы. Первоначально можно начать с AtMega8, а потом уже ориентироваться по своим потребностям.

Заключение

Вот и была рассмотрена тема программирования AVR в самых общих чертах. Конечно, ещё о многом можно рассказывать. Так, к примеру, не было рассмотрено маркирование микроконтроллеров. А оно может о многом сказать. Так, в основном микроконтроллеры работают на напряжении в 5В. Тогда как наличие, к примеру, буквы L может сказать о том, что для работы устройства достаточно только 2,7 В. Как видите, порой знания о маркировке могут сыграть очень важную роль в плане корректной и долговечной работы устройств. Время функционирования микроконтроллеров - это тоже интересная тема. Каждое устройство рассчитано на определённый период. Так, некоторые могут отработать тысячу часов. Другие же имеют гарантийный запас в 10 000!

Принципиальная схема программатора на LPT порт показана на рисунке. В качестве шинного формирователя используйте микросхему 74AC 244 или 74HC244 (К1564АП5), 74LS244 (К555АП5) либо 74ALS244 (К1533АП5).

Светодиод VD1 индицирует режим записи микроконтроллера,

светодиод VD2 - чтения,

светодиод VD3 - наличие питания схемы.

Напряжение, необходимое для питания схема берёт с разъёма ISP, т.е. от программируемого устройства. Эта схема является переработанной схемой программатора STK200/300 (добавлены светодиоды для удобства работы), поэтому она совместима со всеми программами программаторов на PC, работающих со схемой STK200/300. Для работы с этим программатором используйтепрограмму CVAVR

Программатор можно выполнить на печатной плате и поместить её в корпус разъёма LPT, как показано на рисунках:

Теперь, когда мы уже ознакомлены с некоторыми возможностями и функциями микроконтроллеров, естественно, возникает логичный вопрос: что нужно для программирования микроконтроллеров? Какие необходимы программы и устройства, где их взять?

Для того чтобы микроконтроллер мог решать задачи и выполнять определенные функции, его нужно запрограммировать, т. е. записать в него программу или же код программы.

Структура и порядок написания программы

Первым делом, прежде чем приступить к написанию любой программы, а точнее кода программы, следует четко представлять, какие функции будет выполнять микроконтроллер. Поэтому сначала нужно определить конечную цель программы. Когда она определена и полностью понятна, тогда составляется алгоритм работы программы. Алгоритм – это последовательность выполнения команд. Применение алгоритмов позволяет более четко структурировать процесс написания кода, а при написании сложных программ часто позволяет сократить время, затрачиваемое на их разработку и отладку.

Следующим этапом после составления алгоритма является непосредственное написание кода программы. Программы для микроконтроллеров пишутся на языке Си или Ассемблере . Только Ассемблер больше относится к набору инструкций, нежели к языку программирования и является языком низкого уровня.

Мы будем писать программы на Си, который относится к языку высокого уровня. Программы на Си пишутся гораздо быстрее по сравнению с аналогичными на Ассемблере. К тому же все сложные программы пишутся преимущественно на Си.

Здесь мы не будем сравнивать преимущества и недостатки написания программ на Ассемблере и Си. Со временем, приобретя некоторый опыт в программировании МК, вы сами для себя сделаете полезные выводы.

Сам код программы можно писать в любом стандартном текстовом редакторе, например в Блокноте. Однако на практике пользуются более удобными редакторами, о которых будет сказано далее.

Компиляция программы

Написанный нами код на Си еще вовсе не понятен микроконтроллеру, поскольку МК понимает команды только в двоичной (или шестнадцатеричной) системе, которая представляет собой набор нулей и единиц. Поэтому Си-шный код нужно преобразовать в нули и единицы. Для этого применяется специальная программа, называемая компилятор , а сам процесс преобразования кода называется компиляция .

Для прошивки МК применяется устройство, называемое программатор . В зависимости от типа программатора вход его подключается к COM или USB порту, а выход к определенным выводам микроконтроллера.

Существует широкий выбор программаторов и отладочных плат, однако нас вполне устроит самый простой программатор , который в Китае стоит не более 3 $.

После того, как микроконтроллер прошит, выполняется отладка и тестирование программы на реальном устройстве или, как еще говорят, на «железе».

Теперь давайте подытожим этапы программирования микроконтроллеров.

При написании простых программ можно обойтись без второго пункта, т. е. без составления алгоритма на бумаге, его достаточно держать в голове.

Следует заметить, что отладку и тестирование программы также выполняют до прошивки МК.

Необходимый набор программ

Существует множество полезных и удобных программ для программирования МК. Они бывают как платные, так и бесплатные. Среди них можно выделить три основных:

1) Atmel Studio

2) CodeVisionAVR

3) WinAVR

Все эти программы относятся к IDE – I ntegrated D evelopment E nvironment – интегрированная среда разработки . В них можно писать код, компилировать и отлаживать его.

Следует обратить внимание на Code Vision AVR. Эта IDE позволяет упростить и ускорить написание кода. Однако программа платная.

На начальном этапе программирования все программы лучше прописывать вручную, без каких-либо упрощений. Это поможет быстро приобрести необходимые навыки, а в дальнейшем хорошо понимать и редактировать под свои нужды коды, написанные кем-то другим. Поэтому я рекомендую использовать программу Atmel Studio. Во-первых, она абсолютно бесплатна и постоянно обновляется, а во-вторых она разработана компанией, изготавливающей микроконтроллеры на которых мы будем учиться программировать.

Прошивка и отладка программы

Прошивать микроконтроллеры мы будем с помощью дополнительной программы .

Если микроконтроллера в наличии нет, то его работу можно эмитировать с помощью программы . Она значительно упрощает процесс отладки программы даже при наличии МК, чтобы его часто не перепрошивать, ведь любой МК имеет конечное число перезаписей, хотя это число и достаточно большое.

При прошивке и отладке МК его удобно располагать на макетной плате, но это вовсе не обязательно. Поэтому для большего удобства пригодится и макетная плата. Существует большой выбор макетных плат, однако я вам рекомендую брать ту, которая имеет по возможности большее число отверстий. Когда мы начнем подключать семисегментные индикаторы, вы оцените преимущества «больших» макетных плат.

Еще один важный элемент, который нам пригодится – это техническая документация на МК, называемая datasheet . В общем, нужно скачать datasheet на микроконтроллер ATmega8 .

Характеристики:

• Код примера применения AVR109 помещается в загрузочном блоке любого AVR микроконтроллера
• Чтение и запись EEPROM и Flash памяти
• Использует протокол AVRProg
• Чтение и запись битов защиты

Введение

В данном примере применения описывается как настроить AVR микроконтроллеры для самопрограммирования при помощи команд сохранения памяти программы (SPM). AVR микроконтроллеры могут связываться через UART с персональными компьютерами, на которых запущена программа программирования AVRprog. Она позволяет программировать микроконтроллеры с Flash и EEPROM памятью без помощи внешнего аппаратного программатора.

Программа загрузчика находится в загрузочной области Flash памяти. Эта программа устанавливает связь с ведущим персональным компьютером и облегчает программирование Flash и EEPROM памяти микроконтроллера. Однажды запрограммированные различные уровни защиты могут быть индивидуально применены для программирования загрузочной памяти и Flash памяти прикладной программы. Таким образом, AVR микроконтроллеры имеют уникальную возможность обеспечения различной степени защиты областей встроенной памяти.

Обсуждение SPM

Ниже приведены различные рассуждения, позволяющие лучше понять способность самопрограммирования AVR микроконтроллеров.

Организация памяти

Flash память AVR микроконтроллеров разделена на две области: секция прикладной программы и секция программы загрузчика. Область прикладной программы содержит код основной прикладной программы, а область загрузчика содержит код программы, позволяющей осуществлять самопрограммирование микроконтроллера. SPM команды могут выполняться только из области загрузчика. (Замечание: тем не менее, область загрузчика может использоваться в качестве обычной памяти прикладной программы).

Flash память разделена на страницы, каждая из которых содержит 32, 64 или 128 слов. Назначение и использование страниц будет объяснено позже. Вся память (и память прикладной программы и память загрузчика) разделена на страницы. Например, микроконтроллер с 8 килобайтами Flash памяти и размером страницы 32 слова (64 байта) будет иметь 128 страниц. Организация памяти показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Организация памяти

Размер области памяти загрузчика может быть установлен при помощи двух специальных конфигурационных бит BOOTSZx. Они позволяют выбрать один из четырех возможных размеров области памяти загрузчика. Установить биты BOOTSZx можно при помощи последовательного или параллельного программатора. Более подробно это рассмотрено в технических описаниях AVR микроконтроллеров.

Если загрузчик реализован, то он может быть вызван путем выполнения команд Call или Jump из прикладной программы или путем установки бита специального конфигурационного бита BOOTRST. Если бит BOOTRST установлен, то после каждого сброса микроконтроллер вместо перехода к выполнению программы, начинающейся с нулевого адреса памяти прикладной программы, выполняет программу загрузки, находящуюся в области загрузчика. Изменен бит BOOTRST может быть при помощи параллельного или последовательного программатора.

Возможность "чтения при записи"

В дополнение к выбираемому делению памяти на прикладную и загрузочную, встроенная Flash память также разделена на два раздела с фиксированными размерами. Первый раздел - "читаемый при записи" (RWW) раздел. Второй - "не читаемый при записи" (NRWW) раздел. Размер NRWW раздела всегда равняется размеру наибольшей возможной области памяти загрузчика. Поэтому раздел загрузчика занимает весь NRWW раздел или только его часть. Деление памяти на RWW и NRWW разделы показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Деление памяти на RWW и NRWW разделы

Отличие между этими разделами состоит в том, что NRWW секция доступна при обновлении RWW секции. К RWW секции невозможно обратиться при обновлении. Когда NRWW секция обновляется (например, обновляя непосредственно код загрузчика), вычислительное ядро останавливается. Другими словами, невозможно осуществлять чтение при записи NRWW секции, но возможно читать при записи RWW секции. Более подробно это рассмотрено в технических описаниях на микроконтроллеры.

Эти функциональные возможности позволяют продолжить выполнение прикладной программы при обновлении RWW секции. Обратите внимание, что код этой программы должен содержаться в NRWW секции (не обязательно в разделе загрузчика). Более подробно это рассмотрено ниже в разделе описания прерываний.

Микроконтроллеры ATmega163 и ATmega323 не имеют NRWW и RWW секций - у них имеются только деление на память загрузчика и память прикладной программы. Любое обновление Flash памяти этих микроконтроллеров приводит к остановке их вычислительного ядра.

Использование SPM команды

Все действия по самопрограммированию выполняются при помощи SPM команды. Выбор режима осуществляется при помощи регистра SPMCR. Структура этого регистра показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Регистр SPMCR

При использовании SPM функции бит SPMEN должен быть установлен не ранее, чем за четыре цикла до выполнения команды SPM. Это необходимо для предотвращения несанкционированного обновления Flash памяти. Прикладная программа должна гарантировать отсутствие вызова подпрограмм обработки прерывания между установкой бита SPMEN и выполнением SPM команды. Другие, выделенные цветом на рисунке, четыре бита осуществляют выбор режима SPM. По окончании режима бит SPMEN автоматически сбрасывается вместе с функциональным битом. SPM функции описаны ниже.

Стирание страницы

Вся Flash память обновляется страницами. Перед записью новых данных страница должна быть стерта.

Для выбора страницы, подлежащей стиранию, используется Z регистр. Он предназначен для указания номера стираемой страницы. Младшие биты, выбирающие слово на странице, игнорируются. Например, в микроконтроллере, имеющем размер страницы 32 слова (64 байта), игнорируются шесть младших бит Z регистра.

Для того чтобы стереть страницу необходимо установить биты PGERS и SPMEN в регистре SPMCR и выполнить команду SPM.

Перед записью новых данных в страницу необходимо сначала стереть буфер страниц. Буфер страниц - это доступный только для записи отдельный буфер, не относящийся к ОЗУ, который содержит одну временную страницу. Страницы в него должны заноситься последовательно. Перезапись буфера страниц во FLash память происходит за одну операцию.

Для выбора слова, которое будет записано в буфер, используется Z регистр. МЗБ Z регистра игнорируются так как запись всех слов происходит за одну операцию. Таким образом невозможно выбрать только один байт. При записи буфера страниц игнорируются старшие биты Z регистра. Структура Z регистра для микроконтроллера с 32 словными (64 байтовыми) страницами показана на рисунке 4. Микроконтроллеры, имеющие большие размеры страницы для выбора слов используют больше бит.

Рисунок 4. Запись в буфер страниц

Чтобы записать слово в буфер страниц необходимо загрузить его в регистры R1:R0. Для записи необходимо только записать правильное слово и установить бит SPMEN в регистре SPMCR. В течение четырех циклов после этого должна быть выполнена SPM команда.

Запись страницы

Данные после того, как они были загружены в буфер страниц, должны быть записаны во Flash память. Для выполнения этого необходимо, как это было описано выше в пункте описания алгоритма стирании страницы, установить Z регистр. Затем устанавливаются биты PGERS и SPMEN в регистре SPMCR, а потом в течение четырех циклов необходимо запустить SPM команду. Содержимое регистров R1:R0 при этом игнорируется. Использование Z регистра для микроконтроллера с 32 словными (64 байтными) страницами показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Запись страницы во Flash память

Для определения готовности микропроцессора к следующему обновлению необходимо опрашивать бит SPMEN. Процедура обновления может быть прервана управляющим прерыванием. Более подробно это рассмотрено ниже в разделе описания прерываний.

RWW секция флагов занятости

При записи и стирании страниц RWW секции аппаратно устанавливается флаг RWWSB, указывая на то, что секция недоступна. Флаг RWWSB должен быть сброшен программно по окончании SPM режима. Это выполняется установкой битов RWWSRE и SPMEN в регистре SPMCR и последующим запуском SPM команды. Также этот флаг может быть сброшен путем запуска загрузки буфера страниц. Флаг RWWSB может использоваться другими частями прикладной программы для контроля доступности RWW секции. Более подробно это рассмотрено в технических описаниях на микроконтроллеры.

Обратите внимание, что содержимое Z регистра и регистров R1:R0 игнорируется при использовании RWWSRE функции.

Также следует заметить, что, если после выполнения операции записи или считывания RWW секция стала доступна без переактивизации, то все адреса в RRW секции считываются как 0xFFFF. Так будет и после считывания Flash памяти при помощи LPM и после выполнения вызова или перехода в RWW секцию. Переход в RWW секцию без предварительной ее переактивизации приведет к тому, что выполнится команда, находящаяся по адресу 0xFFFF, а все предшествующие ей команды, которые должны были быть выполнены, будут пропущены.

Биты блокировки загрузки

Секции прикладной программы и программы-загрузчика могут быть защищены на различных уровнях. Для обоих разделов имеется четыре уровня защиты. Краткое описание этих режимов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Режимы блокировки загрузки

Обратите внимание, что все эти биты могут изменяться только при помощи последовательного или параллельного программатора. Например, для микроконтроллера, прикладная программа которого будет обновляться, необходимо установить режим 1 для секции прикладной программы и режим 4 для секции загрузчика. Это препятствует доступу к программе загрузчика из прикладной программы и обеспечивает загрузчику возможность доступа к секции прикладной программы. После обновления загрузчик установит третий режим для прикладной программы, что заблокирует дальнейший доступ к ней.

Для программирования битов блокировки загрузки необходимо загрузить соответствующие данные в регистр R0, установить биты BLBSET и SPMEN в регистре SPMCR и в течение четырех циклов выполнить команду SPM. Содержимое Z регистра при этом игнорируется.

Использование LPM команды вместо SPM команды позволит считать биты.

Прерывание

При записи RWW секции возможно использование прерывания, но подпрограмма обработки прерывания не должна выбирать другую RWW секцию. Другими словами, подпрограммы обработки прерывания, включая векторы прерываний, которые будут выполняться при обновлении RWW секции, должны размещаться в NRWW секции.

Для выбора двух различных таблиц векторов прерывания прикладная программа должна использовать бит IVSEL регистра GICR. При обновлении RWW секции должна использоваться одна секция прикладной программы и одна секция программы-загрузчика. Это позволяет прикладной программе продолжать критические процессы типа отслеживание политики безопасности при самопрограммировании. Более подробно это рассматривается в технических описаниях на микроконтроллеры в разделе описания прерываний и IVSEL флага.

Если второй вектор прерываний не используется, то при обновлении RWW секции прерывания должны быть отключены.

SPM прерывание

У всех микроконтроллеров, поддерживающих режим самопрограммирования, за исключением микроконтроллеров ATmega163 и ATmega323, при помощи прерываний возможно контролировать процесс обновления Flash памяти. Установка бита SPMIE в регистре SPMCR позволит формировать SPM прерывание. Оно может использоваться для отслеживания окончания режима SPM.

Конфликты EEPROM памяти

Обратите внимание, что все операции записи EEPROM должны быть окончены перед выполнением SPM команды и наоборот. Запись/стирание Flash и EEPROM памяти не может происходить одновременно.

Типовые процедуры обновления

На рисунке 6 показаны две стандартные процедуры обновления. Левая блок - схема на этом рисунке описывает алгоритм "считывания-модификации-записи" небольших частей Flash памяти, например, констант, содержащихся во Flash памяти. Правая блок-схема описывает алгоритм записи страницы, использующийся для записи страницы без предварительного считывания ее содержимого, например, запись данных, поступивших от UART.

Рисунок 6. Блок-схемы стандартных процедур обновления

Пример программы-загрузчика

Пример программы- загрузчика, приведенный в данном примере применения, в качестве пользовательского интерфейса использует программу AVRprog, доступную на сайте www.atmel.com. Эта программа-загрузчик позволяет считывать или обновлять Flash и EEPROM память выбранного микроконтроллера. Также она позволяет считывать и обновлять биты Lock и Fuse.

Протокол

Протокол, использованный в примере программы-загрузчика, предназначен для работы с программатором AVRprog, хотя программа-загрузчик и не поддерживает всего набора команд. Перечень поддерживаемых команд приведен в таблице 2. Все команды начинаются с одной буквы. После выполнения команды программатор возвращает значение 13d (возврат каретки) или требуемые данные. Неизвестным командам возвращается значение «?».

Таблица 2. Команды AVRProg

При выполнении AVRprog.exe отыскивает на любом доступном СОМ порту любой поддерживаемый программатор. Для связи используется 19.2 кбит/с интерфейс формата 8N1 (8 информационных разрядов, нет проверки на четность и один стоповый бит). Поэтому UART приемника также должен быть настроен на работу с этой скоростью и в этом режиме.

При работе с микроконтроллером ATmega161, последовательность действий при определении программатора следующая:

Последовательность команд при программировании:

При заполнении временного буфера:

После того, как все байты переданы, выполняются следующие команды:

Последовательность команд при проверке данных:

AVRprog продолжает посылать «R» до тех пор, пока не будут считаны все данные, после чего посылается «L» для выхода из режима программирования.

Описание программы

Основная программа запускается для контроля выполнения программирования или если должна быть выполнена программа их секции прикладной программы. В данном применении это определяется значением PIND. Если на определенном пользователем выводе порта D при сбросе присутствует низкий логический сигнал, то программа войдет в режим программирования (вывод определяется в исходном тексте main.c). Если на этом выводе был высокий уровень, то программа начнет выполняться с адреса 0000$ (как при обычном сбросе).

В режиме программирования управляющая программа получает команды от AVRprog через UART. Каждая команда активизирует выполнение соответствующей задачи. Эта программа не использует команды управления работой светодиода, но они реализованы для того, чтобы избежать потери синхронизации программатором AVRprog. Любая команда, которая не распознается программой, приводит к возврату программатору AVRprog символа "?".

Программа main.c устанавливает связь с ведущим персональным компьютером и выполняет полученные команды. На рисунке 7 наказана блок-схема алгоритма работы этой программы.

Рисунок 7. Блок-схема алгоритма работы основной программы

Обратите внимание, что выход из этой программы возможен только через сброс микроконтроллера.

Программа UART (serial.c) всего-навсего осуществляет опрос подпрограммы UART. Как было сказано ранее, причина необходимости периодического опроса этой подпрограммы состоит в том, что при некоторых настройках битов блокировки загрузки в программе загрузчика прерывания не разрешены.

Все подпрограммы, использующие SPM, написаны на ассемблере. Это сделано для того, чтобы избежать конфликтов в коде. SPM команды требуют помещать данные в Z регистр (r31:r30) и в пару регистров r1:r0. Это можно реализовать и на С, но на ассемблере проще реализовать контроль, а также позволяет снизить перегруженность С кода.

Вызов процедуры Assembly

В зависимости от того, какие параметры переданы при вызове процедуры Assembly, она выполняет одну из двух функций:

В этой подпрограмме первый параметр - это адрес страницы, которую необходимо считать. Второй параметр указывает функцию, которая будет выполнена. Если передать значение функции 0x00, то подпрограмма вернет данные, находящиеся по указанному адресу. Если в качестве второго параметра передать значение 0x09, а в качестве адреса 0x0000, 0x0001 или 0x0003, то подпрограмма вернет значения битов Fuse, Lock Bit или Fuse High. В этом случае, основная программа игнорирует 8 старших значащих битов возвращенного целого числа.

Ниже приведен листинг подпрограммы Assemly.

Специальные замечания

1. В микроконтроллерах ATmega161 и ATmega163 секция программы-загрузчика располагается в памяти начиная с адреса $3C00 по адрес $3FFF, поэтому файл компоновщика должен изменить программу таким образом, чтобы она расположилась в этой области. Для этого необходимо заменить значение строки "Program address space" на следующее значение:
   // Program address space (internal Flash memory) -Z(CODE)INTVEC,RCODE,CDATA0,CDATA1,CCSTR,SWITCH, FLASH,CODE=3C00-3FFF В результате этого код будет расположен в загрузочном блоке. Кроме того, для задания адреса вектора сброса $1E00 Fuse бит BOOTRST должен быть установлен.
2. Подпрограмма загрузчика должна иметь возможность определения режима, в котором должен работать микроконтроллер после сброса (режим программирования или режим выполнения прикладной программы).
   Это реализуется путем проверки состояния определенного вывода при сбросе. Если все выводы находятся в высоком состоянии, то программа-загрузчик осуществляет переход к выполнению основной программы. Реализовано это может быть на С при помощи следующей последовательности команд: пусто (*funcptr) (пусто) = 0x0000; // установка указателя функции funcptr (); // переход по указанному адресу
3. Если на определенном пользователем выводе при сбросе присутствует низкий уровень, то осуществляется вход в режим программирования. Из режима программирования выйти невозможно. Чтобы вернуться в нормальный режим на этом выводе должен быть установлен высокий уровень и осуществлен сброс микроконтроллера.
4. При определенном состоянии битов защиты загрузки при выполнении команд из Flash памяти загрузочной секции могут быть недоступны прерывания. По этой причине, программа UART, реализованная в описанной демонстрационной программе, использует периодический опрос вместо подпрограммы обслуживания прерываний.
5. Для указания адреса страницы/адреса временного буфера при выполнении SPM команды используется Z регистр. Также этот регистр используется как указатель данных С компилятором IAR. Это вызывает конфликты. Поэтому все подпрограммы, имеющие дело с SPM, написаны на ассемблере.
6. Для увеличения непосредственного контроля требуется усложнять процедуры, написанные на С. Это еще одна причина написания подпрограмм, выполняющих SPM, на ассемблере.
7. Размер программы равняется 504 байтам, поэтому она может быть расположена только в микроконтроллерах, имеющих размер загрузочного сектора 512 байт или больше.

Чтобы уменьшить размер кода, необходимо произвести оптимизацию в соответствии с приведенными ниже рекомендациями:

• Использовать конструкцию if, then, else вместо команды case.
• Использовать конструкцию For (;;) {} вместо while (1) {}.
• В файле CSTARTUP.S90 все неиспользованные ссылки были удалены. Это относится к ссылкам " __ low_level_init", команде "#if #endif" и модулю C _EXIT .
• Все переменные должны иметь наименьший возможный размер.
• По возможности использовать беззнаковые переменные.

Более подробно ознакомиться с повышением эффективности кода, написанного на С можно в примере применения "AVR035: Efficient C Coding for AVR".