Замечательный Bootloader от Microchip для PIC16 / PIC18

Вы перепрошивали когда-нибудь BIOS ? Если нет, то Вам скорее всего, повезло... Вобщем представьте себе BIOS, который не умеет прошивать сам себя и если что-то не работает или работает плохо (его разрабатывают люди, точно такие же как и мы с Вами), нужно выключить компьютер, открутить пару шурупов, снять крышку, вытянуть микросхему BIOS, найти совместимый программатор, ПРОШИТЬ, после чего сделать всё то же самое в обратном порядке. Пару раз сделать можно, но хотелось бы что-нибудь поудобнее, особенно если предполагается этот процесс часто повторять в процессе разработки.

После того, как микроконтроллеры Microchip научились программно считывать/записывать ячейки своей Flash-памяти (появились соответствующие инструкции ассемблера), появление Bootloader'ов - это был лишь вопрос времени. Очень хорошо, когда этим вопросом занимается непосредственно производитель микроконтроллеров - кто как не он лучше осведомлён о возможностях своей продукции. На одном из таких Bootloader'ов под названием AN1310, ориентированном на линейку PIC16 / PIC18 и использующим для коммуникации последовательный интерфейс UART давайте остановимся поподробнее. Скачать всё необходимое для работы ПО можно с сайта производителя.

  • start
  • settings
  • break
  • bootloader_connected
  • erase
  • write
  • verify
  • read_main
  • read_eeprom
  • read_config
  • run
  • validate_balance
  • reboot
  • reboot_1
  • reboot_2

Особенности AN1310:

  • Использует маленький объём Flash памяти микроконтроллера - в большинстве случаев менее 450 слов

  • Автоматическое согласование скорости передачи данных UART между ПК (host) и микроконтроллером

  • Широкий диапазон для выбора скорости передачи 1,200 Кбит/с - 3 Mбит/с

  • Протокол обмена данными использует 16-бит CRC

  • Имеется возможность записывать Flash только по тем адресам, которые изменились (Incremental Bootloading) - это значительно ускоряет процесс разработки

  • Mинимум соединительных элементов - можно обойтись всего тремя проводниками

  • ПО на стороне ПК кроссплатформенное - код написан на С / С++ Qt SDK, есть исходники

Шаг первый - схемотехника

В документации предлагаются две схемы. Для согласования уровней используется микросхема MAX3232:

Скриншот

Если напряжение питания микроконтроллера отличается от напряжения питания MAX3232, то предлагается ввести дополнительный MOSFET транзистор:

Скриншот

Однако представленные схемы можно значительно упростить / удешевить, если использовать переходник USB-to-serial (например на PL2303 или FT232BM). Уровень логической единицы у PL2303 - 3.3V и если напряжение питания микроконтроллера находится в пределах 3 ... 3.3V, MAX3232 не понадобится. В таком случае необходим только подтягивающий резистор с Vdd на RX, чтобы избежать случайной загрузки Bootloader'а при отключённом переходнике USB-to-serial. Что касается сигнала RTS (см. схемы), то он используется для сброса микроконтроллера (RESET), а поскольку такого же эффекта можно достичь просто отключив/включив питание, то его использование опционально. В случаее с USB-to-serial как правило имеется только RX, TX и GND, поэтому удобней сбрасывать микроконтроллер вручную.

Шаг второй - прошивка микроконтроллера

СкриншотИсходники AN1310 упакованы в исполняемый *.exe файл, так что поначалу необходима ОС Windows (как вариант можно ещё попробовать установить Wine и запустить инсталляцию там, но Ваш покорный слуга этот способ на практике не проверял). Неприятная ситуация с Windows также повторяется и в процессе сборки Bootloader'а - для работы с MPasm / MPLAB, чтобы сгенерировать хекс. После того, как Bootloader будет уже в прошит кристалле, об ОС Windows можно спокойно забыть.

Cкачанный с сайта Microchip инсталлятор Serial Bootloader AN1310 v1.05r.exe по умолчанию в процессе установки на ПК распаковывает исходные коды для создания прошивки микроконтроллера сюда:

C:\Microchip Solutions\Serial Bootloader AN1310 vX.XX\PICxx Bootloader\

  1. Код написан на ассемблере - MPasm, для его редактирования и сборки удобно использовать MPLAB IDE

  2. В меню Configure -> Select Device… выбрать модель микроконтроллера (например PIC18F46K22)

  3. В меню Configure -> Configuration Bits….

    Watchdog Timer “Disabled”, однако его можно задействовать программно
    Extended Instruction Set Enable bit “Disabled”
    Oscillator Selection bits Чем больше тактовая частота, тем выше предельная скорость UART
    Fail-Safe Clock Monitor Enable bit “Enabled”, если имеется
    Low-Voltage Program (LVP) “Disabled”, если имеется
    Table Read-Protect “Disabled”, если имеется

  4. Собрать проект и прошить микроконтроллер программатором )))

Скриншот

В случае необходимости можно отредактировать код bootconfig.inc. Например, PIC18F46K22 имеет на борту два USART модуля, а Bootloader по умолчанию использует первый. В этом же файле можно выбрать один из двух режимов работы Bootloader'а:

  • По умолчанию, хекс Bootloader'а располагается в конце Flash-памяти, в этом случае основная программа микроконтроллера может сама обслуживать прерывания, т.е. фактически её работа ничем не отличается от работы без Bootloader'а. Единственное, что необходимо знать компилятору основной программы - участок занятой Flash-памяти, при использовании HI-TECH С для этой цели можно указать в командной строке что-то вроде --ROM=default,-F800-FBFF. Однако подобная реализация Bootloader'а имеет один существенный недостаток - в случае аппаратного сбоя (например отключили питание) в процессе записи его прошивка может повредиться - в этом случае снова понадобится программатор. Даже если с помощью битов конфигурации аппаратно защитить конец Flash-памяти, остаётся как минимум одна инструкция (GOTO), расположенная по адресу 0000h, защитить которую не коснувшись обработки прерываний (0008h, 0018h) мы не можем - аппаратно защищать Flash-память от записи можно только блоками.

  • В этой связи целесообразно задействовать второй вариант Bootloader'а, в документации он обозначен как REMAPPED. Он располагается в начале Flash-памяти и сам обслуживает прерывания, фактически пробрасывает их по другим адресам, например: 0008h => 0808h, 0018h => 0818h. Такой подход добавляет теоретическую(инструкция GOTO) задержку в процесс обработки прерываний, однако имеет два очевидных преимущества. Во-первых, практически у всех микроконтроллеров Flash имеет boot-блок, объём которого меньше других - он как раз ориентирован на Bootloader'ы. Это позволяет более рационально и экономно распределить ресурсы Flash-памяти между микроконтроллером и Bootloader'ом. Во-вторых, весь код, который необходим для работы Bootloader'а можно аппаратно защитить от записи, ничто не cможет его повредить. Чтобы задействовать REMAPPED Bootloader, необходимо в bootconfig.inc указать #define BOOTLOADER_ADDRESS 0. Также, исходя из размера boot-блока, необходимо указать, куда Bootloader должен пробрасывать прерывания, обозначив: AppVector 0x800, AppHighIntVector 0x808 и AppLowIntVector 0x818. Обо всём этом необходимо сообщить компилятору основной программы. Для HI-TECH С это будет выглядеть вот так: --RUNTIME=default,+download --CODEOFFSET=800 --ROM=default,-0-7FF

bootconfig.inc

; Copyright (c) 2002-2011,  Microchip Technology Inc.
;
; Microchip licenses this software to you solely for use with Microchip
; products.  The software is owned by Microchip and its licensors, and
; is protected under applicable copyright laws.  All rights reserved.
;
; SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS."  MICROCHIP EXPRESSLY DISCLAIMS ANY
; WARRANTY OF ANY KIND, WHETHER EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT
; NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS
; FOR A PARTICULAR PURPOSE, OR NON-INFRINGEMENT.  IN NO EVENT SHALL
; MICROCHIP BE LIABLE FOR ANY INCIDENTAL, SPECIAL, INDIRECT OR
; CONSEQUENTIAL DAMAGES, LOST PROFITS OR LOST DATA, HARM TO YOUR
; EQUIPMENT, COST OF PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS, TECHNOLOGY
; OR SERVICES, ANY CLAIMS BY THIRD PARTIES (INCLUDING BUT NOT LIMITED
; TO ANY DEFENSE THEREOF), ANY CLAIMS FOR INDEMNITY OR CONTRIBUTION,
; OR OTHER SIMILAR COSTS.
;
; To the fullest extent allowed by law, Microchip and its licensors
; liability shall not exceed the amount of fees, if any, that you
; have paid directly to Microchip to use this software.
;
; MICROCHIP PROVIDES THIS SOFTWARE CONDITIONALLY UPON YOUR ACCEPTANCE
; OF THESE TERMS.

; Enable this to work around timing bug found in some PIC18Fxx20's
;#define TBLWT_BUG

; If you don't have an RS232 transceiver, you might want this option
;#define INVERT_UART

; Sets OSCCON<IRCF2:IRCF0> for maximum INTOSC frequency (8MHz)
#define USE_MAX_INTOSC

; Sets OSCTUNE.PLLEN bit at start up for frequency multiplication.
#define USE_PLL

; RB0 = 1 required to enable MAX3221 TX output on PICDEM LCD 2 demo board
;#define PICDEM_LCD2

; enable software boot block write protection
#define USE_SOFTBOOTWP

; enable software config words write protection
;#define USE_SOFTCONFIGWP

; Autobaud will be used by default. 
; To save code space or to force a specific baud rate to be used, 
; you can optionally define a BAUDRG value instead. 
; Most PIC18's support BRG16 mode and use the 
; following equation:
;       BAUDRG = Fosc / (4 * Baud Rate) - 1
;
; Old PIC18's without BRG16 mode need this equation instead:
;       BAUDRG = Fosc / (16 * Baud Rate) - 1
;
; Examples:
;#define BAUDRG .51  ; 19.2Kbps from 4MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .103 ; 115.2Kbps from 48MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .85  ; 115.2Kbps from 40MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .68  ; 115.2Kbps from 32MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .16  ; 115.2Kbps from 8MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .11  ; 1Mbps from 48MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .9   ; 1Mbps from 40MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .4   ; 2Mbps from 40MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .3   ; 3Mbps from 48MHz (BRG16 = 1, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .12  ; 19.2Kbps from 4MHz (BRG16 = 0, BRGH = 1)
;#define BAUDRG .10  ; 115.2Kbps from 19.6608MHz (BRG16 = 0, BRGH = 1)

; Bootloader must start at the beginning of a FLASH Erase Block. 
; If unspecified, bootloader will automatically be located at the 
; end of program memory address space.

; bootloader at beginning, application start/ISR vectors
; require remapping
#define BOOTLOADER_ADDRESS   0

; useful for running under debugger 
; (debug executive wants to reside at the end of memory space too)
;#define BOOTLOADER_ADDRESS   END_FLASH - (ERASE_FLASH_BLOCKSIZE * 20)

; use on J parts to locate inside flash config erase block
;#define BOOTLOADER_ADDRESS  (END_FLASH - ERASE_FLASH_BLOCKSIZE)

#ifdef BOOTLOADER_ADDRESS
  #if BOOTLOADER_ADDRESS == 0
    ; For Bootloader located at program memory address 0, 
    ; the application firmware must provide remapped reset
    ; and interrupt vectors outside of the Boot Block. The following 
    ; #defines tell the bootloader firmware where application 
    ; entry points are to be expected:

    ; application start up code should be located here.
    #define AppVector           0x800

    ; application high priority interrupt should be located here
    #define AppHighIntVector    0x808

    ; application low priority interrupt should be located here
    #define AppLowIntVector     0x818
  #endif
#endif

; Define UART pins and registers. 
; Modify the following lines if you want to use a different UART module.
;
; Note: If your UART's RX pin happens to be multiplexed with analog 
;       ANx input functionality, you may need to edit the 
;      "preprocess.inc" DigitalInput macro. Code there needs to 
;       enable the digital input buffer (refer to ADC chapter 
;       of your device's datasheet).
;
#define UARTNUM 2
#if UARTNUM == 1
    #define UxSPBRG         SPBRG
    #define UxSPBRGH        SPBRGH
    #define UxRCSTA         RCSTA
    #define UxTXSTA         TXSTA
    #define UxRCREG         RCREG
    #define UxTXREG         TXREG
    #define UxPIR           PIR1
    #define UxRCIF          RCIF
    #define UxTXIF          TXIF
    #define UxBAUDCON       BAUDCON

; RX on RC7 is used by default for most PIC18's.
;    #define RXPORT         PORTC
;    #define RXPIN          .7

;    #define RXPORT          PORTB   ; PIC18F14K50: RX on RB5/AN11
;    #define RXPIN           .5

; RX/AN11 multiplexed -- must enable digital input buffer
;    #define RXANSEL         ANSELH
; ANSELH<3> controls AN11 digital input buffer
;    #define RXAN            .3
#endif

#if UARTNUM == 2
    #define UxSPBRG         SPBRG2
    #define UxSPBRGH        SPBRGH2
    #define UxRCSTA         RCSTA2
    #define UxTXSTA         TXSTA2
    #define UxRCREG         RCREG2
    #define UxTXREG         TXREG2
    #define UxPIR           PIR3
    #define UxRCIF          RC2IF
    #define UxTXIF          TX2IF
    #define UxBAUDCON       BAUDCON2

; RG2 is default RX2 pin for some high pin count PIC18's.
;    #define RXPORT          PORTG
;    #define RXPIN           .2

; RX2 pin PPS'ed to RD4/RP21 on PIC18F46J11 for example.
    #define RXPORT          PORTD
    #define RXPIN           .7

; On PICs where RX is multiplexed with ANx analog inputs,
    #define RXANSEL         ANSELD
; the digital input buffer needs to be enabled via ANSELx SFRs
    #define RXAN            .7

; devices that use PPS to remap UART2 pins will need these 
; lines defined:

; PPS code for TX2/CK2 output function
;    #define PPS_UTX         .5
;    #define PPS_UTX_PIN     RPOR23  ; UART TX assigned to RP23 pin
;    #define PPS_URX_PIN     .21     ; UART RX assigned to RP21 pin
; PPS register for RX2/CK2 input function
;    #define PPS_URX         RPINR16
#endif

; If you get linker errors complaining 
; "can not fit the absolute section," you might want to 
; increase BOOTLOADERSIZE below or set the 
; BOOTLOADER_ADDRESS above to a smaller address number.

; Because we need to know the total size of the 
; bootloader before the assembler has finished compiling
; the source code, we have to estimate the final bootloader 
; size and provide it here as BOOTLOADERSIZE. This number 
; is in bytes (twice the instruction word count). 
;
; If you see the bootloader is reserving more FLASH memory 
; than it really needs (you'll see a bunch of FFFF/NOP 
; instructions at the end of the bootloader memory region),
; you can try reducing BOOTLOADERSIZE.
#define BOOTLOADERSIZE  .708

#define MAJOR_VERSION   .1  ; Bootloader Firmware Version
#define MINOR_VERSION   .5

Шаг третий - запуск и работа с Bootloader'ом

Итак, может быть два режима работы микроконтроллера: режим выполнения основной программы и режим Bootloader'а. После подачи питания на микроконтроллер, либо после Reset, загрузчик Bootloader'а по некоторым признакам принимает решение, какой из них необходимо запустить. О необходимости запуска Bootloader'а говорят следующие признаки:

  1. Oсновной программы нет, например первый запуск

  2. Если на входе RX логический ноль (в терминах RS-232 состояние “Break")

Таким образом, при необходимости запустить Bootloader, можно использавать следующую последовательность действий: физически подключить микроконтроллер к ПК, установить логический ноль на RX, это можно сделать посредством кнопочки Кнопка Пауза, после чего ввести микроконтроллер в состояние RESET (в простейшем случае - включить/выключить питание). С этого момента к нему можно подключаться со стороны ПК Кнопка Пауза

ПО для ПК поставляеncя в исходниках, при необходимости его можно подкорректировать в QTCreator, а для Windows уже есть готовый исполняемый .exe файл. Если при работе в Linux подозрительно работает переходник на PL2303, попробуйте сделать следующее:

~$ sudo modprobe -r pl2303
~$ sudo modprobe pl2303

Если в Linux оболочка для работы с Bootloader'ом вообще не видит USB-to-serial переходника (например /dev/ttyUSB0), скорее всего текущий пользователь просто не обладает соответствующими правами. Поскольку постоянно запускать программу их-под root'a неудобно, ниже описан конкретный случай лечения OpenSUSE 12.1 - полными правами на USB-to-serial обладает группа dialout, поэтому в неё нужно добавить текущего пользователя системы, после чего, чтобы изменения вступили в силу, ОБЯЗАТЕЛЬНО перелогиниться:

oleg@linux-ubuc:~> ls -l /dev/ttyUSB?
crw-rw---- 1 root dialout 188, 0 марта  1 10:13 /dev/ttyUSB0
oleg@linux-ubuc:~> sudo /usr/sbin/groupmod -A $USER dialout

В Ubuntu 12.04 добавить пользователя можно так: sudo adduser $USER dialout

На этом всё, надёжных девайсов Вам !

На всякий пожарный исходники тут.

links

social