Программаторы AVR. USB-S EJTAG Tiny Tools - оживляем бытовую электронику Заказ новой флэшки на Aliexpress

Любой более-менее интересующийся электроникой человек сегодня знает, что такое «прошивка». Многие из этой категории встречались с ситуацией «прошивка слетела». Самым неприятным подвидом ситуации является состояние «кирпич». Под катом немного теории и практики «раскирпичивания» с использованием устройства-героя обзора.

Я не занимаюсь профессионально ремонтом электроники и не пытаюсь заработать на этом денег. Но исследовательский зуд вкупе с минимальными познаниями в области электроники и информатики иногда толкает меня на залезание в потроха какому-нибудь очередному дивайсу (и как следствие, незапланированные покупки).

Предыстория.

Как-то в гостях у знакомого я наткнулся взглядом на валяющийся в куче хлама спутниковый тюнер, еще вполне себе современный.

Выяснилось, что аппарат неисправен со следующими симптомами: когда-то грузился со второго раза, потом стал грузиться с третьего, потом с пятого, потом с десятого, потом перестал совсем. В сервисе за ремонт заломили неадекватную сумму, в результате просто был куплен новый тюнер, а этот брошен в кучу хлама. На предложение купить его за символическую сумму владелец с радостью согласился, в результате я стал обладателем неисправного тюнера Skyway Light с практически полным комплектом - нашелся пульт, блок питания и даже выносной ИК-приемник.

Первое включение.

Как ни странно, но включился он у меня не с двадцатого раза, а всего лишь с третьего. Отсканировал каналы и начал показывать. Но при попытке запустить приложение Youtube повис. Десять следующих перезагрузок методом перетыкания питания ни к чему не привели. Прошлый владелец не обманул.

Подозрение первое. Питание.

В интернете полно отчетов по оживлению тюнеров методом восстановления питающих напряжений. Обычно хватает замены вспухших электролитических конденсаторов в «холодной» части блока питания. Но это явно обещало быть не моим случаем. Во-первых, блок питания выносной, замена его на однотипный от исправного тюнера не помогла. Во-вторых, никаких крупных электролитических конденсаторов на плате не нашлось, в основном мелкие сигнальные в аналоговых цепях.

Подозрение второе. Прошивка.

Обновить прошивку не удалось ни с флэш-драйва методом зажатой кнопки «вниз», ни через COM-порт с помощью программы Porter Express. В первом случае индикатор чтения на флэшке мигал несколько секунд, после чего наступала тишина. Во втором программы выдавала сообщение «ошибка записи» без какого-либо объяснения, что ее не устраивает. Так я подобрался к третьему подозрению.

Подозрение третье. Чип флэш-памяти.

Натолкнули на эту мысль сразу несколько фактов. Во-первых, в консоли загрузки, которая стала доступна после подключения по COM-порту, при старте вываливалось сообщение «CRC error». Во-вторых, при попытке снять конфигурацию тюнера при помощи Porter Express слитый файл получался каждый раз другим, не совпадающим в предыдущим при побайтовом сравнении.

Беглое изучение Aliexpress показало, что такую микросхему можно купить за небольшие деньги. Но вот тут обнаружилась главная проблема: просто купить флэшку мало. Ее нужно прошить. Либо на программаторе, либо прямо на плате. В моем случае это чип Spansion S29GL256P90TFCR2 - параллельная флэш-память в корпусе TSOP-56. Поиск такого программатора ни среди друзей-электронщиков, ни в веб-магазинах по адекватной цене не увенчались успехом. Остается единственный вариант - прошить флэшку прямо на плате после запаивания. И тут впервые мысленно была произнесена фраза, которая обычно на форумах электроники звучит как приговор: «поможет только JTAG».

Немного про JTAG.

Практически в каждой современной системе-на-чипе есть возможность отладки и тестирования. Чаще всего она реализована в виде последовательного интерфейса с сигналами ввода, вывода, тактирования, выбора и сброса, который и называют JTAG. Обычно эти выводы разведены на плате в виде пинов или контактных площадок. Проблема в том, что стандартизирован только электрический интерфейс. Команды для управления конкретным чипом индивидуальны, мало того, большинство производителей их не разглашают и выяснять их приходится методом реверсивного инжиниринга. Именно поэтому в паблике практически нет инструментов для работы с современными популярными чипсетами.

Заказ адаптера.

Гугление коммерческих продуктов, которые умеют работать с моим чипсетом ST40, привело меня на ресурс ejtag.ru, где обитает комьюнити по ремонту и находится небольшой интернет-магазин. Присмотрев для себя самый дешевый адаптер и убедившись, что он умеет работать с ST40, начал переговоры с жабой приступил к процессу покупки. Процесс отличается от того, к чему мы привыкли в популярных интернет-магазинах. Никаких пэйпэлов и диспутов. Регистрируемся, кладем товар в корзину, оформляем заказ. Через некоторое время приходит сообщение с номером WM-кошелька и суммой для оплаты. Оплачиваем, приходит подтверждение оплаты, через несколько дней - уведомление об отправке. Остается только ждать. Гарантия сделки - доброе имя продавца.

Получение, распаковка, регистрация.

Пластиковый пакет почты России, внутри обернутый пупыркой и положенный в антистатический пакет адаптер, кабель USB A male - Mini USB, шлейф с десятипиновой колодкой (будет виден на других фото, на момент съемки был подцеплен к тюнеру), переходник для прошивки последовательных флэшек самых популярных серий - 25-й, 93-й и в теории 24-й.

Для оценки размеров

Фото внутренностей

Внутри микроконтроллер с системой команд 8051 и микросхема буферов.

На скриншоте виден весь процесс покупки, включая запрос регистрационного кода после получения:

Заказ новой флэшки на Aliexpress.

Развернуто описывать не буду. Заказывал , шло почти два месяца, пришло в пластиковом блистере, который лежал в стандартном пакете.

Заказывал 2 штуки, на случай если одну убью при перепайке.

Перепайка флэшки.

Пайка мелких чипов многократно описана на Youtube. Залогом успеха здесь являются наличие паяльной станции с феном, хороший флюс, прямые руки. Вкратце: сдуваем старый чип, лудим площадки легкоплавким припоем, наносим флюс, дуем феном (с правильным потоком и температурой воздуха) до посадки чипа на место, проходим сверху обычным паяльником для надежности.

На фото видно, что получилось не очень. Ножки чуть сдвинулись, да и от вида неотмытого флюса некоторые ремонтники могут прижать руку к лицу. Но для личного пользования сойдет.

Прошивка.

Распиновка JTAG для моего тюнера есть на форуме магазина. Подпаиваемся к контактным площадкам на плате.

Все готово к прошивке.

Запускаем программу.

Выбираем тип процессора в списке. Нажимаем кнопку «Соединиться».

В списке пробегает куча служебной информации, кнопки «Считать» и «Записать» и «Стереть» становятся активными. Обычно рекомендуют прошить только загрузчик, а потом уже через него прошиться обычным образом с USB-флэшки. Но я залил полный дамп, 32 мегабайта - лень было возиться с распаковкой отдельного загрузчика. Прошивка заняла около получаса, результат на фото:

Резюме.

Не знаю как вы, но я считаю программатор расходником при разработке устройств. За 1.5 года в общий сложности у нас сгорело 3 программатора. К великому удивлению JTAG отладчики для AVR стоят дорого. Причем не совсем понятно за что производитель хочет почти 100 баксов. В итоге сделал несколько самодельных отладчиков, заказал их на промышленное изготовление и теперь пользуюсь ими.

Схему разводил сам по шаблонам из сети, коих множество. Но схема не уместилась в один слой, поэтому имеет смысл развести еще раз, если вы будете делать ее ЛУТом в один слой, то понадобится 4 проводка.

Теперь о вопросе прошивки, AVR Studio имеет в своем составе возможность прошивки через бутлодер. Фирменные программаторы имеют на борту бутлодер для возможности обновления прошивки. Но мы прошьем контроллер сразу прошивкой без использования бутлодера, поэтому сначала вам понадобится внутрисхемный программатор или другой отладчик. Микроконтроллер требуется при этом прошивать на другой плате, так как на этой нет ISP разъема, но в данном случае, это не особо накладно. Файл прошивки miniIce.hex внутри проекта.

Принципиальная схема:

Самодельная и доступная альтернатива продаваемому программатору от STMicroelectronics. Является выдержкой и компиляцией нескольких статей и схем найденных в интернете. Реализация в минимально возможном форм-факторе.

У любого разработчика встраиваемого софта должен быть программатор для устройств которые он использует. В моём случае микроконтроллеры фирмы STMicroelectronics, а так же Milandr (российские процессоры на ядре ARM).

Покупка данного девайса весьма затратна, особенно если сравнивать с себестоимостью компонентов - печатной платы и радиодеталей.

Решено было сделать программатор самостоятельно. За основу легли схемы отладочных плат для различных МК, в итоге получился полнофункциональный отладочный модуль и не только для stm32, но и для stm8 и даже миландровских чипов (проверено пока только на К1986ВЕ92, но думаю и другие тоже будут шиться и отлаживаться).

Основные функции:

• программирование и отладка STM32;
• программирование и отладка STM8;
• программирование и отладка ARM Миландр.

Интерфейсы программирования:

• SWD - до 4 МГц;
• JTAG;
• SWIM.

Сам программатор можно рассмотреть на фото выше. Провода растянутые по плате это лишь последующие доработки связанные с отсутствием необходимого светодиода (слева) и с необходимостью программировать платы без подачи на них питания (справа).

Схема устройства максимально проста и понятна:

Ядром является контроллер stm32f103, который и используется во всех отладочных платах. На его входах и выходах устройства, я имею ввиду разъем для подключения программируемого микроконтроллера, установлены диоды для защиты от статики, диоды выбраны достаточно маленькие, но легко доступные и без особых сложностей впаиваемыми, даже людьми с ослабленным зрением, сам я впрочем и не жалуюсь со своими единичками на обоих глазах.

В качестве разъема для подключения к компьютеру используется microUSB, выбор пал только лишь из-за его современности по сравнению с его мини братом. У меня же самого на плате стоит именно мини, когда собирал заложенного микро не было в наличии.
Плата выглядит следующим образом:

После сборки и проверки на короткое замыкание подключаем устройство к компьютеру и видим что ничего не происходит, разве что программатор определяется как неизвестное устройство, причина в отсутствии прошивки.

Для обеспечения работы необходимо зашить по в микроконтроллер, для этого нам понадобиться usb-uart переходник, бутлоадер и утилита для прошивки .

Если с утилитой и переходником проблем на возникает, то с загрузчиком все несколько иначе - так как сама прошивка в контроллерах на отладочных платах заблокирована от считывания и вытащить у меня не получилось. Благо живем в современном мире, где есть интернет.

Решение было найдено на одном из многочисленных форумов - бинарник прошивки. Правда была проблема, после прошивки контроллера программатор определялся, но работать не хотел, зато спокойно прошивался через st-link utility, было решено подчистить файл прошивки, удалив все лишнее, оставив только сам загрузчик.

Как можно догадаться все удалось и теперь загрузчик можно взять .

Для заливки используем разъем P1, выводы 3 и 4 которого замыкаем вместе, переводя микроконтроллер в режим загрузки по usart1. Подключаем uart переходники подаем питание на плату программатора, можно через usb разъем.

В утилите выбираем используемый последовательный порт и следуем остальным инструкциям. Этот процесс в картинках описывать нет смысла - все довольно тривиально.

После окончания прошивки отключаем все вспомогательные устройства и подключаем программатор к компьютеру, он должен нормально определиться. Теперь осталось обновить прошивку программатора с помощью

Одним из самых мощных отладочных инструментов в микроконтроллерной среде является JTAG — внутрисхемный отладчик .

Суть тут в чем — через JTAG адаптер микроконтроллер подключается напрямую к среде программирвания и отладки, например к AVR Studio . После чего микроконтроллер полностью подчиняется студии и дальше шагу не может ступить без ее разрешения. Доступна становится пошаговое выполнение кода, просмотр/изменение всех регистров, работа со всей периферией и все это в реальном микроконтроллере, а не в программной эмуляции. Можно ставить точки останова (breakpoints) на разные события — для ICE1 три штуки. В общем, сказка, а не инструмент.

К сожалению в AVR микроконтроллерах JTAG доступен далеко не везде, как правило контроллеры с числом ног меньше 40 и обьемом памяти меньше 16КБ такого удовольствия лишены (там, правда, часто бывает debugWire, но на коленке сделать его адаптер еще никому не удалось, а фирменный JTAG ICEII или AVRDragon стоят довольно больших денег). А поскольку у меня в ходу в основном Tiny2313, Mega8, Mega8535 и прочая мелочевка, то мне JTAG что собаке пятая нога — не поддерживается он в этих МК.

Тем не менее, поддашвись многочисленным просьбам, я сварганил этот агрегат и сейчас покажу вам как им пользоваться.
Велосипед изобретать я не стал и взял широко известный проект от scienceprog.com

Однако я не обломался развести плату и под FT232RL суть та же.

Теперь надо прошить контроллер. Вообще, по науке, сначала прошивается bootloader , потом из AVR Studio делается обновление прошивки JTAG ICE до последней версии. Но я нашел путь проще, на сайте pol-sem.narod.ru был обнаружен уже готовый HEX файл который просто надо залить в МК и все.

Поэтому цепляем к нашему адаптеру программатор, благо все штыри нужные (MISO, MOSI, GND, RST, SCK, Vcc ) есть. А то что они не в нужном порядке стандартного AVR ISP разьема, так это не беда — я временно распотрошил колодку своего программатора и одел отдельные пины как надо. Однократная же процедура, чего мучаться разводить еще и ISP разъем.

Заливаем прошивку.
Выставляем Fuse биты.

Тут надо быть внимательными, так как существует несколько нотаций FUSE — прямая (по даташиту, где 0 = ON, 1=OFF) и инверсная (1 = ON, 0 = OFF). В прямой нотации работает UNIPROF, в инверсной нотации работает PonyProg и USBASP _AVRDUDE_PROG.
Определить в какой нотации работает твой программатор очень просто. Дjстаточно подключиться к своему МК и нажать кнопку чтения Fuse битов и посмотреть на бит SPIEN если галка стоит — нотация инверсная . Потому как по дефолту SPIEN включен всегда (без него невозможно прошить МК через ISP внутрисхемно).

Прошиваются Fuse следующим образом:

Если прошивать голый бутлоадер, то надо включить бит BOOTRST и подключившись через студию сделать обновление прошивки JTAG, залив через AVRProg файл upgrade.ebn (лежит он где то в каталоге AVR Studio). А после прошивки выключить BOOTRST.

Все, девайс готов к работе. Теперь осталось его только испытать в деле.

Работа с JTAG AVR ICE
Особо заморачиваться я не буду, так что покажу на простом примере мигания светодиодов.
Запускаем студию, создаем новый проект.
Выбираем язык программирования, пусть это будет Assembler.
Задаем имя проекта.

Include "m16def.inc" ; Используем ATMega16 LDI R16,0xFF ; Порт А на выход. OUT DDRA,R16 Main: SEI ; Разрешаем прерывания. SBI PORTA,0 ; Зажгли диод 0 SBI PORTA,1 ; Зажгли диод 1 SBI PORTA,2 ; Зажгли диод 2 NOP CBI PORTA,0 ; Погасили диод 0 CBI PORTA,1 ; Погасили диод 1 CBI PORTA,2 ; Погасили диод 2 NOP RJMP Main ; Зациклились

Вот так вот просто. Если ее скомпилить, прошить и запустить, то диоды будут моргать с бешеной частотой, так как никаких задержек не предусмотрено. А что же будет из под JTAG ?

Беру свою новоиспеченную отладочную плату на Mega16 , подключаю к порту А три светодиода.
Подключаю к плате JTAG адаптер — четыре провода интерфейса (TDO,TDI,TMS,TCK ) и два силовых Vcc на плюс и GND на землю — JTAG адптер запитан от целевой платы и все готово к работе.

Можно трассировать! Тыкаю по F11 — прога исполняется по одной команде, показывая стрелочкой где я нахожусь в данный момент. После каждого выполнения команды SBI — у меня на плате зажигается соответствующий светодиод. Круто, блин! Как в каком-нибудь только без глюков и все вживую! Пробежался дальше по тексту — после CBI диоды погасли, как и положено. Вот как это выглядит вживую:

ЫЫЫ!!! ШИМ!!! Ставлю прогу на паузу, меняю биты в OCR2 запускаю снова — коэффициент заполнения изменился. Хы. Ручное управление:)

Так что с JTAGом если хочешь получить по быстрому какую нибудь фиговину вроде генератора даже не надо прогу писать — взял и включил вручную что тебе нужно. Богат AVR периферией:)

Прошивка микроконтроллера через JTAG
JTAG ICE можно также использовать для прошивки микроконтроллера и установки FUSE битов. Для этого надо запустить AVR PROG (Tools — Program AVR — Connect…) и выбрать там JTAG ICE ну и COM порт, хотя обычно канает Auto.

Наигрался, зафотографировал для статьи, упаковал в красивый корпус. Даже не поленился и обложечку сфигачил. Очень уж мне игрушка понравилась.

Файлы к статье:

Вот так и развращаютя эмбеддеры. Сначала к JTAG пристрастятся, потом ради одного лишь JTAG прееходят на более мощный кристалл там, где хватит и Tiny, а дальше Си, Си++, потом.NET какой нибудь на виртуальной машине… И вот уже операционная система весом в несколько гигабайт и требующая гигазы ОЗУ ни у кого не вызывает шока и ужаса. А ведь это страшно, господа! Прогресс, мать его. Не развращайтесь благами цивилизации, будте аскетичны и разумны. И не забывайте об оптимизации как программной, так и аппаратной.

Микроконтроллеры ATmega можно условно разделить на две категории: те, что программируются только через ISP (шина из проводов MISO, MOSI, SCK + управление сбросом) и те, что имеют в дополнении к этому интерфейс JTAG .

Из набора "горячо любимых" Arduino-контроллеров к первой категории относятся ATmega8 , ATmega168 , ATmega328P . Но и во второй категории тоже присутствует один экземпляр: ATmega2560 , используемый в Arduino/Freeduino MEGA 2560 .

JTAG - это механизм, позволяющий автоматически контролировать качество монтажа печатных плат: не закоротилось ли чего или, наоборот, плохо припаялось. Очень полезная вещь в промышленном масштабе, особенно когда на одной плате "счастливо" уживаются микросхемы разных фирм (стандарт IEEE 1149.1, на котором базируется JTAG - открытый). Тем более логично, что многие производители микросхем добавили возможность программирования и отладки своих чипов через все тот же JTAG.

Для чего может потребоваться JTAG в повседневной жизни?

Фирменное устройство от ATMEL стоит немало (а я и так уже прикупил , денег после этого осталось ноль отрицательное количество):

Что же делать? Я уже говорил, что стандарт - открытый, а процесс программирования через JTAG хорошо документирован - достаточно открыть любой даташит на микроконтроллер ATMEL с JTAG-интерфейсом.

Кстати, когда-то, на заре появления микроконтроллеров фирмы ATMEL , фирма-конкурент Microchip дразнила ATMEL показательно разобрала какой-то инструментальный девайс для разработчика программ микроконтроллеров ATMEL и демонстрировала, что он собран на микроконтроллерах её производства - то бишь, на PIC-ах. Впрочем, было это невероятно давно, мир теперь уже совсем другой (c).

В интернете есть масса вариантов самодельных копий фирменного AVR JTAG ICE . Одну из таких упрощенных до полного безобразия можно найти, например, . Что самое забавное - работает , хотя состоит практически из одного МК: ATmega16. Оригинальный программатор использует чип, полностью совместимый с ATmega16, что делает возможным заливание в самопальный программатор прошивок от фирменного (правда, новые навряд ли будут появляться, поскольку AVR JTAG ICE дано снят с производства).

Для начала надо достать основной компонент - микроконтроллер ATmega16-16PU и кварц 7.3728 МГц, после чего собрать на макетке минимальную схему для программирования:

Схема - классическая , необходима для запуска ATmega. Напомню, что обычно делают в таком случае:

• подключают питание - все GND и VCC (обычно выводов GND не менее двух);
• ставят между GND и VCC поближе к ножкам ATmega фильтрующий помехи конденсатор 100 нФ (или 0.1 мкФ - кому как больше нравится);
• подключают между XTAL1 и XTAL2 кварц и соединяют их через два одинаковых конденсатора на землю (разброс номинала указан в документации, не обязательно использовать 22 пФ , можно, например, и 33 пФ );
• притягивают линию сброса к VCC через резистор 10К и вешают конденсатор 100 нФ на землю, чтобы обеспечить небольшую задержку линии сброса после подачи питания.

Соединяем схему через вилку ISP с программатором и запитываем от него же, затем зашиваем прошивку и выставляем фьюз-биты:

avrdude -C avrdude.conf -c usbasp -p m16 -U hfuse:w:0x1f:m -U lfuse:w:0xcf:m

avrdude -C avrdude.conf -c usbasp -p m16 -U flash:w:miniICE.hex

Если операция прошла успешно, полдела сделано. Можно аккуратно удалить ISP-разъем и преобразовать схему к следующему виду:

На макетке это выглядит так:

Наверное, вы обратили внимание, что в схеме я использовал USB-чип последовательного порта - FT232RL . Это гораздо удобнее, чем COM-порт, по многим причинам. Но в макетку SSOP не воткнешь, поэтому я использую самостоятельно изготовленный переходник :

В классическом варианте линий JTAG чуть больше, чем на схеме:

Обязательные сигналы - TCK, TDO, TDI и TMS (тактовая, выход данных, вход данных и управление режимом теста).

NSRST и NTRST - это управление сбросом на шине JTAG. В нашем случае не обязательны, поскольку сброс МК можно инициировать командной последовательностью на линиях обязательных сигналов.

Теперь разберемся с питанием. Желательно, чтобы внутрисхемный программатор питался от программируемой схемы. Этим сразу решается проблема стыковки уровней программируемой схемы и программатора. С другой стороны, если в программаторе есть конвертер уровней сигналов, различие VCC программатора и target уже не является проблемой (не считая усложнение схемы программатора).

С обязательной линии VTref должно подаваться напряжение питания устройства. По идее, он нужен вышеуказанному чипу конвертера уровней, внутри программатора. Но если JTAG ICE планирует питаться от target-а, то используется линия Vsupply . Для простоты, их можно объединить, но это не обязательно.

В зависимости от положения джампера SV2 на схеме ATmega16 будет питаться либо от USB, либо от target-а. Я на макетку ставить переключающий джампер поленился, ибо предполагалось питание только от target. Зато перед включением три раза проверил, что питание с USB не подается . Для надежности, на плате USB-TTL разомкнул джампер подачи питания. Далее контакт M8RX соединяется с ножкой МК RX, M8TX - с TX.

Подключаемся к программатору через AVR Studio, и если все правильно соединено, то можно будет прочитать сигнатуру и прошивку.

(устройство справа я обязательно рассмотрю позже, пока что могу только повторить, что внутри у него ATmega128)

Единственный минус клона AVR JTAG ICE - сравнительно небольшой список поддерживаемых МК:

• ATmega128
• ATmega128A
• ATmega16
• ATmega162
• ATmega165
• ATmega169
• ATmega16A
• ATmega32
• ATmega323
• ATmega32A
• ATmega64
• ATmega64A