Прошиваем и отлаживаем ARM"ы. Чем является JTAG-программатор

Существует довольно много конфигураций различных программаторов, которые позволяют переписать программные наработки в микроконтроллер. Они могут быть различными, рассчитанными на профессионалов или, наоборот, иметь упрощенный интерфейс. К последним программаторам относится и герой этой статьи. Вы узнаете не только, что он представляет собой, но и как сделать программатор JTAG своими руками. Вы найдёте схемы и фотографии, как должен выглядеть результат.

Чем является JTAG-программатор?

Он представляет собой упрощенный вариант профессионального AVR JTAG ICE, который, как можно догадаться по его названию, предназначен для программирования микроконтроллеров семейства AVR. Его главное отличие в том, что собрать его может даже непрофессионал, и конечная стоимость будет многократно ниже, чем при покупке заводского. По сути, представленный в статье механизм - китайская реплика, поэтому этот программатор AVR ещё и можно купить. Поэтому не кривя душой можно сказать, что существует ещё и вариант покупки. Но сборка своими руками позволит избежать возможных негативных последствий вследствие дешевизны и низкого качества покупаемых деталей при производстве.

Почему выбирают именно программатор JTAG?

Главное - его низкая стоимость и лёгкость в сборке. JTAG-программатор может программировать все устройства, имеющие интерфейс JTAG. Для работы через компьютер необходима среда разработки AVR Studio 4-й или больше версии. С ними этот программатор AVR сможет работать.

Недостатки программатора

Самые последние версии семейств микроконтроллеров, без дополнительной работы, не программируются. Также существуют значительные проблемы с теми представителями, у которых меньше 40 ног и 16 Кб памяти. Как можно заметить, круг потенциальных клиентов довольно ограничен. Но несколько популярных моделей как раз подпадают под него, так что он пригодится.

Схема

Схема программатора простая, для работы необходима ATMega16 и немного дополнительной электроники. В качестве интерфейса может быть использовано MAX232 (для работы с COM) и FT232RL (для работы с USB). Стоит оговориться, что при использовании второго варианта подключать питание через USB не рекомендуют. В таких случаях из-за ошибки или недосмотра могут получить напряжение защитные диоды, и на выводах FT232RL будет Это чревато выходом из строя или программатора, или объекта программирования. Решается этот нюанс подачей питания через плату.

Для большей простоты тем, кто не имеет достаточной квалификации, программатор рассчитан на MAX232, но для другого варианта требуется только установить другой разъем.

Настройка

Учитывая, что есть необходимые схемы, следует только вытравить плату. Далее всё аккуратно подсоединяется, припаивается на места, и проверяется работа программатора путём прошивки загрузчика. Затем следует с AVR Studio обновить прошивку для JTAG-программатора до последней версии или до тех пор, пока надо. К адаптеру подключается программатор. Если он работает - значит можно переходить к следующему разделу, в котором обрисованы нюансы работы и программирования. Следует учесть, что все необходимые провода есть, они только нестандартно расположены.

В качестве подготовки к работе следует выставить Fuse биты. Они зависят от нотации, в которой производится работа. Для лучшего понимания представляем вот такую таблицу:

	Прямая нотация (Даташит, UniProf)	Инверсная нотация (AVR DUDE GUI, PonyProg)

А как понять, какую выбрать? Ответ на вопрос прост: следует подключиться к микроконтроллеру и начать читать эти самые биты. Обратите внимание на SPIEN - если есть галочка напротив него, то это значит, что нотация инверсная. Если её нет - значит, она прямая. Если всё было сделано правильно, то программатор готов, чтобы прошивать микроконтроллеры. Но если он в последующем не сможет сделать прошивку - перечитайте и проверьте всё ещё раз.

Работа с программатором

Для большей понятливости будет приведён пример программирования мигания светодиодов. Первоначально следует запустить студию и создать новый проект. Затем выбрать язык программирования (в данном случае ассемблер) и задать имя проекта. Программа сама сможет определить, что вы используете JTAG-программатор. В качестве платформы следует выбрать его, а в окошечке рядом - программируемый им микроконтроллер. Далее всё довольно обычно - следует только вбить текст для программы. Чтобы читатели могли проверить работоспособность, предлагаем опробовать JTAG-программатор указанным в статье кодом. Можно увидеть, что диоды начали мигать очень быстро, что неудивительно, ведь здесь не предусмотрена задержка. Итак, программатор, инструкция его создания и использования есть. Вам остаётся только воплотить полёт своей фантазии.

Немного о практике. Для проверки подключите к порту А 3 светодиода. Затем к плате подключается: четыре провода интерфейса (TCK, TDI, TMS, TDO) и 2 силовых Vcc идут на плюс, а GND подключается к земле. Всё, питание есть, можно идти дальше. В студии необходимо провести компиляцию кода и его запуск. Проект быстро скомпилируется, тут же будет прошит и начнёт работать. Чтобы следить за процессом исполнения, можно нажать F11, и тогда можно наблюдать, на каком ряду кода сейчас программа. Для этого достаточно поднести курсор к ряду, который включает светодиод, и он загорится. Существует ещё много экспериментов. Помните, что для того чтобы что-то сделать, необходимо работать. Пускай продвижение будет медленным, но со временем вы сможете получить именно то, что хотите, главное - не опускать руки и продолжать экспериментирование с упором на теоретическую базу (без неё никак).

15 декабря 2013 в 22:48

FT232H и почти универсальный USB<->JTAG-адаптер за 15 евро

Схемотехника

Пара слов про FT232H

Если вы не знакомы микросхемой FTDI FT232H, прочтите и возвращайтесь. Если читать другие статьи не входит в ваши планы, то позволю себе немного повториться:
FT232H и его более старые, но отличающиеся большим количеством каналов братья: двухканальный FT2232D, его USB 2.0 версия FT2232H и четырехканальный FT4232H - это контролеры USB<->USART c дополнительным режимом работы, обеспечивающим аппаратную поддержку протоколов SPI (сборка SPI-программатора была описана в предыдущей статье), JTAG (работа с которым будет описана в этой) и I2C (который я пока не буду рассматривать).
Сам чип достаточно дешевый, и в мелких партиях стоит приблизительно 200 рублей , но выпускается он в не очень удобных для DIY корпусах LQFP и QFN, поэтому проще всего купить не сам чип, а уже готовую breakout-плату вроде такой (те самые 15 евро за двухканальный FT2232H из заголовка статьи), или такой (600 рублей без доставки), или такой (тоже 600 рублей, но в другом месте), или любой другой - чип популярный, поэтому различных плат на нем очень много. Старайтесь выбирать такую, на которой уже распаяна микросхема EEPROM для хранения настроек - намного проще будет притворяться другими устройствами, что может не раз понадобиться в дальнейшем.

Пара слов про JTAG

Если вы не знакомы с интерфейсом JTAG, прочтите и снова возвращайтесь. Вообще говоря, JTAG Test Access Port - это, в первую очередь, интерфейс для отладки аппаратной части устройства, а не его программы, но, «чтобы два раза не бегать», прошивку и отладку кода через него поддерживают подавляющее большинство программируемых микросхем с этим интерфейсом. С другой стороны, зачастую даже 4 свободных выводов (а для JTAG требуется не менее 4) на МК нет, да и большинство производителей страдает (а зачастую даже наслаждается) синдромом NIH, поэтому вместо JTAG встречаются разного рода проприентарные интерфейсы, такие как SWD от ARM (протокол тот же, только по 2 вывода вместо 4), BDM от Freescale и Motorola (протокол другой, достаточно одного двунаправленного вывода), Spy-Bi-Wire от Texas Instruments (еще один вариант JTAG с 2 выводами), DebugWIRE от AVR (упрощенный отладочный протокол, которому достаточно 1 вывода) и другие. Некоторые из них, при желании, можно реализовать на базе FT232H программно, используя чип как USB<->GPIO-адаптер, а SWD и SWV - при помощи грамотной коммутации, как это сделано в отладчике KT-Link и его эмуляторе на базе открытого отладчика BusBlaster . На «голом» FT232H из вышеупомянутых вариантов отладочных интерфейсов поддерживается только JTAG, имейте это в виду.

Прошиваем и отлаживаем ARM"ы

В силу того, что на FT232H основано много распространенных отладчиков, самым простым способом добавления поддержки нашей платы в IDE и другие утилиты является эмуляция этих самых отладчиков. Некоторые фичи, возможно, не будут работать, но и от написания своих драйверов этот трюк избавляет. Проще всего притвориться открытым отладчиком CoLink (без суффикса Ex), схема которого отличается от большинства схем breakout-плат только наличием буфера. Более того, CooCox IDE напрямую поддерживает использование любых устройств на базе FT232H в качестве отладчика после предварительной конфигурации , а для Keil uVision и IAR Workbench имеются плагины, причем ни Vendor ID, ни Product ID менять не понадобится, т.к. CoLink использует как стандартные для FT232H VID и PID, так и стандартные драйверы FTDI D2XX.
Если ваша ОС отличается от Windows и вас не интересуют ни Keil, ни IAR, ни CooCox IDE - обратите внимание на проекты UrJTAG и , которые имеют полную поддержку отладчиков на базе FT232H. Я работаю в Keil uVision4, и этот выбор был сделан не мной, поэтому подробнее об использовании FT232H в Linux и OS X рассказать пока не могу.
В Keil же достаточно установить плагин , выбрать правильный Target и CoLink в качестве отладчика в свойствах проекта, после чего как прошивка, так и отладка будет проходить из IDE без привлечения какого-либо стороннего софта.
К сожалению, я не могу найти полного списка совместимых с CoLink чипов (официальный есть по ссылке выше, но он далеко не полон), поэтому придется либо пробовать, либо пользоваться списком совместимости с OpenOCD. В общем, лучше всего просто попробовать, есть большая вероятность, что заработает сразу.

Прошиваем и отлаживаем XE166

Пара слов про FT232H

Если вы не знакомы микросхемой FTDI FT232H, прочтите , и возвращайтесь. Если читать другие статьи не входит в ваши планы, то позволю себе немного повториться:
FT232H и его более старые, но отличающиеся большим количеством каналов братья: двухканальный FT2232D, его USB 2.0 версия FT2232H и четырехканальный FT4232H - это контролеры USB<->USART c дополнительным режимом работы, обеспечивающим аппаратную поддержку протоколов SPI (сборка SPI-программатора была описана в предыдущей статье), JTAG (работа с которым будет описана в этой) и I2C (который я пока не буду рассматривать).
Сам чип достаточно дешевый, и в мелких партиях стоит приблизительно 200 рублей , но выпускается он в не очень удобных для DIY корпусах LQFP и QFN, поэтому проще всего купить не сам чип, а уже готовую breakout-плату вроде такой (те самые 15 евро за двухканальный FT2232H из заголовка статьи), или такой (600 рублей без доставки), или такой (тоже 600 рублей, но в другом месте), или любой другой - чип популярный, поэтому различных плат на нем очень много. Старайтесь выбирать такую, на которой уже распаяна микросхема EEPROM для хранения настроек - намного проще будет притворяться другими устройствами, что может не раз понадобиться в дальнейшем.

Пара слов про JTAG

Прошиваем и отлаживаем ARM"ы

В силу того, что на FT232H основано много распространенных отладчиков, самым простым способом добавления поддержки нашей платы в IDE и другие утилиты является эмуляция этих самых отладчиков. Некоторые фичи, возможно, не будут работать, но и от написания своих драйверов этот трюк избавляет. Проще всего притвориться открытым отладчиком CoLink (без суффикса Ex), схема которого отличается от большинства схем breakout-плат только наличием буфера. Более того, CooCox IDE напрямую поддерживает использование любых устройств на базе FT232H в качестве отладчика после предварительной конфигурации , а для Keil uVision и IAR Workbench имеются плагины для CoLink, причем ни Vendor ID, ни Product ID менять не понадобится, т.к. CoLink использует как стандартные для FT232H VID и PID, так и стандартные драйверы FTDI D2XX.
Если ваша ОС отличается от Windows и вас не интересуют ни Keil, ни IAR, ни CooCox IDE - обратите внимание на проекты UrJTAG и , которые имеют полную поддержку отладчиков на базе FT232H. Я работаю в uVision, и этот выбор был сделан не мной, поэтому подробнее об использовании FT232H в Linux и OS X рассказать пока не могу.
В Keil же достаточно установить плагин , выбрать правильный Target и CoLink в качестве отладчика в свойства проекта, после чего как прошивка, так и отладка будет проходить из IDE без привлечения какого-либо стороннего софта.
К сожалению, я не могу найти полного списка совместимых с CoLink чипов (официальный есть по ссылке выше, но он далеко не полон), поэтому придется либо пробовать, либо пользоваться списком совместимости с OpenOCD. В общем, лучше всего просто попробовать, есть большая вероятность, что заработает сразу.

Прошиваем и отлаживаем XE166

Уверен, что даже многие «матерые волки» впервые слышат о данной 16-битной RISC-архитектуре, не очень популярной за пределами ее родины - Германии. Архитектура эта уже достаточно старая, ее начальная модификация была разработана в 1993 году концерном Siemens в сотрудничестве с ST для использования в промышленной автоматике, и называлась она тогда C166. Позднее, в 2007 году, уже вышедшая из состава Siemens компания Infineon немного доработала эту архитектуру, увеличив количество стадий конвеера с 4 до 5 и добавив 32-битный блок сложения-умножения. Чипы на получившейся в итоге архитектуре XE166 выпускаются до сих пор , широко применяются в немецкой автоматике и устаревать пока не собираются. Работу с ними преподают студентам технических ВУЗов соответствующих ИТ-специальностей, поэтому и мне пришлось столкнуться с этой архитектурой и чипами на ней.
Мое мнение - нормальные чипы для своих задач, очень много периферии (по 6 каналов CAN с поддержкой MultiCAN, к примеру), до 100 Мгц с производительностью 1 MIPS на Мгц, но не без недостатков - легко могут жрать по 120 мА на 100 Мгц без особой вычислительной нагрузки и практически полностью отключенной от тактования периферии, да и в программировании посложнее AVR, но на уровне с типичными ARM"ами того же сегмента. Ну и vendor lock-in, куда без него.
Вследствие редкости и малой распространенности на некорпоративном рынке отладчики для этой архитектуры либо невозможно купить совсем, либо на их стоимость можно приобрести сотню нормальных отладчиков для других более популярных архитектур. Но пристальное изучение схемы девкита , на которой обнаруживается все тот же FT2232D, наводит на мысль, что отладчик можно добыть малой кровью. Так и есть, но в Infineon, в отличие от CooCox, решили все-таки поменять VID, PID и серийный номер установленного на девките FT2232D, поэтому это придется сделать и нам. Подключаем девкит, ждем установки драйверов, запускаем FT_Prog, записываем VID, PID и серийный номер (я добавлю их в статью, когда доберусь до девкита, сейчас, каюсь, уже не помню), а затем прошиваем эти же значения (номер серийный можно слегка поменять) в EEPROM нашей платы (вот тут то он и понадобился). Отключаем плату от ПК, подключаем заново - новые VID и PID подхватываются драйверами и далее работа с нашей платой мало чем отличается от работы с девкитом - все те же Keil и Infineon DAS в качестве отладчика.

Другие применения

Благодарю за внимание и удачной отладки.

Зачем делать еще один JTAG-адаптер при таком количестве готовых недорогих решений? Идея состоит в использовании одного и того же устройства для программирования и отладки микроконтроллеров с архитектурой AVR и ARM . Такой целью задался я перед реализацией сего проекта.

Реализовать подобный адаптер стало возможно благодаря использованию аппаратного USB-UART/FIFO моста на микросхеме FT2232D. Особенностью драйвера FT2232D является поддержка режима MPSSE(Multi-Protocol Synchronous Serial Engine), благодаря которому на микросхеме FT2232D можно реализовать преобразователи USB-JTAG, USB-SPI,USB-I2C. С сайта производителя можно скачать драйвера под различные операционные системы, библиотеки для разработки программных средств и примеры реализаций.

Микросхема имеет два канала, каждый из которых может быть настроен независимо от второго на свой режим работы. Конфигурация каналов записывается во внешнюю EEPROM, подключаемую к драйверу. Запись и чтение настроек из EEPROM осуществляется с помощью программ, которые также можно скачать с сайта производителя, например .

Программное обеспечение для поддержки микросхемы FT2232D программаторами и отладчиками можно разработать самостоятельно, используя библиотеки, любезно предоставленные производителем. Но к счастью на данный момент уже существуют отладочные средства, поддерживающие чипы FT2232.

Для программирования AVR микроконтроллеров в режиме ISP с помощью данного адаптера можно использовать программатор AVReal . JTAG отладчик для AVR называется HappyJTAG2 . Для микроконтроллеров с ядром ARM работа с адаптером поддерживается программным обеспечением , который устанавливает соединение с адаптером и выступает программным сервером, способным соединиться с клиентом gdb. Такой механизм отладки используется в интегрированной среде разработки Eclipse.

С загрузкой прошивки в микроконтроллеры ARM дело обстоит еще проще, поскольку для этих целей в микроконтроллер встроен загрузчик, загружающий прошивку по последовательному интерфейсу UART, который также поддерживается микросхемой FT2232D.

На плате адаптера установлено три 20 -выводных разъема BH-20. На два из них (X2,X4) выведены сигналы от обеих каналов микросхемы FT2232D. Эти линии могут использоваться для реализации различных преобразователей с помощью кабельных переходников. На разъем X3 выведены гальванически развязанные с помощью двух изоляторов на микросхеме ADUM1401 сигналы JTAG.

Светодиод HL4 отображает наличие питающего напряжения на целевой плате.

Индикаторы HL2 и HL3 сигнализируют наличие приема и передачи. Светодиод HL1 включается при подключении адаптера к USB-порту компьютера.

На плате установлен линейный преобразователь на микросхеме LM1117MPX-3.3 , обеспечивающий питание +3,3В микросхемы FT2232D.

Подключение адаптера к персональному компьютеру осуществляется стандартным кабелем USB, который используется, например, для подключения принтера или сканера.

Этой публикацией я открываю цикл статей, посвященных использованию данного адаптера. Планирую детально описать процесс подключения адаптера, конфигурации EEPROM, запуск отладки ARM -микроконтроллера в Eclipse CDT, программирование и отладка AVR и т.д. А пока что плата отправляется на подготовку к производству.

Продолжение следует.