Введение в программирование ИС
Программирование ИС — это важный процесс загрузки прошивки, программного кода или данных конфигурации в программируемые интегральные схемы (ИС), такие как микроконтроллеры, ПЛИС, ПЛИС и различные запоминающие устройства. Задача выполняется с помощью специализированных аппаратных инструментов, известных как программаторы ИС, которые облегчают запись программного кода в память ИС.
Обзор
Программирование ИС играет важную роль в электронной промышленности, обеспечивая настройку и функциональность ИС для конкретных приложений. В этой статье представлено всестороннее исследование программирования ИС, охватывающее:
Необходимость программирования: объяснение важности программирования ИС для обеспечения функциональности и настройки ИС для различных электронных устройств и приложений.
Типы программаторов ИС: подробное описание различных типов доступных программаторов ИС, включая универсальные программаторы, групповые программаторы и производственные программаторы, каждый из которых подходит для конкретных производственных требований.
Интерфейсы устройств: обсуждение интерфейсов, поддерживаемых программистами ИС, таких как JTAG, SPI, I2C, UART и параллельные интерфейсы, которые имеют решающее значение для подключения и связи с ИС.
Методы программирования: описание различных используемых методов программирования, таких как внутрисхемное программирование (ICP), автономное программирование и программирование на производственной линии, каждый из которых предлагает определенные преимущества в зависимости от производственных потребностей.
Форматы файлов: рассмотрение распространенных форматов файлов, используемых в программировании ИС, включая HEX, BIN и ELF, и их значимость для хранения и передачи программного кода.
Ключевые соображения: выделение основных факторов, которые следует учитывать при выборе программаторов ИС для производственных сред, включая скорость, совместимость, надежность и масштабируемость.
Цель этой статьи — предоставить всестороннее понимание программирования ИС, ориентированное на инженеров, производителей и энтузиастов, занимающихся проектированием и производством электроники.
-
Программирование ИС
-
Сборка прототипа
-
Тест PCBA
-
Многослойная печатная плата
Что такое программирование ИС?
Программируемые интегральные схемы (ИС) требуют программирования с помощью прошивки или данных конфигурации для определения их функциональности и поведения. Вне завода эти ИС по сути являются чистыми листами. Например, ИС микроконтроллера не имеет рабочего кода, пока не будет загружена скомпилированная программа машинного кода с помощью специального инструмента программатора для выполнения определенных задач.
Типы программируемых ИС
Несколько основных типов программируемых ИС включают:
Микроконтроллеры: эти ИС, находящиеся в различных электронных устройствах, программируются с помощью встроенного кода прошивки для управления их работой.
ПЛИС (программируемые пользователем вентильные матрицы): эти ИС настраиваются с помощью файлов проектирования поведения оборудования для настройки их логики и функций.
CPLD (сложные программируемые логические устройства): программируемые с помощью логических уравнений, CPLD предлагают гибкие логические реализации в электронных схемах.
Флэш-память: используемая для хранения кода прошивки, эта память перепрограммируема, что позволяет обновлять и изменять ее.
EEPROM (электрически стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства):
энергонезависимые запоминающие устройства, которые хранят запрограммированные данные в течение длительного времени.
Важность программирования ИС
ИС остаются нефункциональными без надлежащего программирования. Поэтому программирование является критически важным шагом перед интеграцией программируемых ИС в электронные продукты. Оно определяет их эксплуатационные характеристики, гарантируя, что они надежно и эффективно выполняют поставленные задачи.
Зачем нужно программирование ИС?
Программирование ИС является критически важным этапом в процессе сборки ИС и печатных плат по нескольким веским причинам:
Последовательность загрузки: ИС требуют начальной программы для эффективного инициирования их работы и последовательности запуска.
Определение функциональности: программный код определяет поведение ИС. Например, микроконтроллер может выполнять такие задачи, как алгоритмы управления двигателем или стеки беспроводных протоколов на основе своей запрограммированной прошивки.
Параметры конфигурации: программирование необходимо для настройки важнейших параметров, таких как идентификаторы, скорости передачи данных, адреса и ключи шифрования, настраивая функциональность ИС в соответствии с требованиями конкретного приложения.
Адаптивность и обновления: программируемые на месте ИС позволяют обновлять прошивку, что позволяет адаптироваться к новым функциям или модифицировать функциональность с течением времени без необходимости внесения изменений в оборудование.
Защита интеллектуальной собственности: разделяя программный код от изготовления микросхем, программирование ИС защищает запатентованные разработки и интеллектуальную собственность разработчиков.
Эффективность инвентаризации: использование программируемых ИС позволяет производителям хранить на складе универсальные компоненты, которые можно настраивать и программировать по мере необходимости для различных заказов клиентов, оптимизируя управление запасами и снижая сложность склада.
Конечное производство: программирование является последним шагом перед отправкой собранных печатных плат, гарантируя, что ИС работоспособны и настроены так, как указано перед развертыванием.
Без программирования ИС остаются инертными и неспособными выполнять свои предполагаемые функции. Программирование вдыхает жизнь в ИС, наделяя их определенным поведением и возможностями, необходимыми для их развертывания в электронных системах.
Типы программаторов IC
Различные типы программаторов ИС доступны для различных сценариев использования:
Настольные программаторы
Небольшие портативные устройства, используемые инженерами для нужд
прототипирования в средах НИОКР.
Поддерживает широкий спектр ИС, но меньшие объемы производства.
Производственные программаторы
Настольные системы, ориентированные на потребности в программировании больших объемов в производственных средах. Оптимизированы для скорости, надежности и простого переключения между типами ИС.
Групповые программаторы
Специальные программаторы производственного класса с несколькими гнездами, позволяющие одновременное программирование нескольких идентичных ИС. Значительно увеличивает производительность.
Автоматизированные обработчики
Сложные роботизированные механизмы обработки ИС для автоматизированного захвата и размещения с катушек/лотков компонентов, вставки в программатор и запрограммированных ИС обратно на выходные катушки/лотки.
Полевые программаторы
Портативные, работающие от аккумуляторов устройства, которые позволяют программировать или перепрограммировать развернутые ИС в полевых условиях для нужд обслуживания.
Внутрисистемные программаторы
Позволяют программировать микросхемы без физического извлечения из системных плат, подключаясь через контрольные точки или цепи на печатных платах.
Выбор правильной категории программатора зависит от стадии использования — разработка, производство или обслуживание в полевых условиях.
Интерфейсы устройств IC
Программисты полагаются на определенные физические интерфейсы для подключения к ИС и загрузки кода. Эти интерфейсы различаются в зависимости от типа ИС и требований приложения:
Joint Test Action Group (JTAG): использует последовательный интерфейс через выделенные тестовые контакты на ИС. В основном используется для программирования и отладки микроконтроллеров и ПЛИС. Обеспечивает высокую целостность сигнала, но требует контрольных точек, проложенных на печатных платах.
Serial Peripheral Interface (SPI): обычный 4-проводной последовательный интерфейс, используемый в микроконтроллерах. Не требует тестовых площадок, но доступ может быть ограничен. Целостность сигнала может ухудшаться на больших расстояниях.
Inter-Integrated Circuit (I2C): двухпроводная последовательная интерфейсная шина для доступа к периферийным устройствам и памяти. Широко используется при программировании EEPROM для мониторов и дисплеев в полевых условиях.
Универсальный асинхронный приемник/передатчик (UART): асинхронный последовательный интерфейс, использующий контакты TX и RX. Широко используется для отладки и функций загрузчика на микроконтроллерах, требуя только два тестовых контакта.
Отладка по одному проводу (SWD): двухконтактный последовательный отладочный интерфейс, специфичный для микроконтроллеров ARM Cortex. Поддерживает отладку и программирование в реальном времени через тестовые точки платы.
Отладка по последовательному проводу (SWD): альтернатива JTAG, использующая два провода для целей отладки ARM.
Фоновый режим отладки (BDM): фирменный двухконтактный отладочный интерфейс на микроконтроллерах Freescale/NXP, поддерживающий функции отладки и программирования.
Прямое внутрисистемное программирование (ISP): многие микроконтроллеры поддерживают ISP через код загрузчика через UART или I2C, что устраняет необходимость во внешнем аппаратном отладчике.
IEEE 1149.1 JTAG: более старый стандарт JTAG, теперь устарел, но все еще используется в некоторых устаревших ИС.
Выбор программаторов с интерфейсами, совместимыми с развернутыми ИС, обеспечивает надежный и эффективный доступ к программированию, адаптированный к конкретным потребностям приложения.
Методы программирования ИС
Программисты используют два основных метода загрузки программного кода в интегральные схемы (ИС):
1. Внутрисхемное программирование:
Описание: ИС программируются, пока они остаются физически смонтированными на печатной плате.
Требования: должны быть доступны контрольные точки или контактные площадки, подключенные к контактам интерфейса программирования на ИС.
Процесс: программатор подключается к интерфейсу платы для доступа к чипу и его программирования.
Применение: идеально подходит для этапов разработки, полевых обновлений и ремонта, где требуется прямой доступ к установленным ИС.
Преимущества: позволяет отлаживать и обновлять прошивку, не снимая ИС с платы.
2. Автономное программирование:
Описание: ИС программируются оптом перед сборкой на печатных платах.
Настройка: использует специализированные производственные программаторы, где ИС вставляются в гнезда на программаторе.
Выполнение: код загружается в каждый чип последовательно, что позволяет выполнять автоматизированное программирование больших объемов.
Пригодность: в основном используется в производстве для оптимизации производственных процессов.
Преимущества: Обеспечивает согласованность и эффективность при программировании большого количества ИС перед сборкой.
Гибридные возможности:
Некоторые программаторы поддерживают как внутрисхемное, так и автономное программирование.
Выбор метода зависит от конкретной фазы использования — будь то проверка проекта, производство или обслуживание в полевых условиях.
Форматы файлов программатора
Программистам нужны файлы программного кода в определенных форматах, таких как:
Hex-файлы — содержат исполняемый машинный код в шестнадцатеричном формате ASCII для прямого программирования в память.
JEDEC-файлы — стандартный отраслевой файл для программирования прошивки в память и флэш-микросхемы.
SVF/STAPL-файлы — файлы последовательного векторного формата для описания последовательностей JTAG для программирования микроконтроллеров.
BIT-файлы — файлы битового потока кодировщика для настройки устройств FPGA и CPLD.
BIX-файлы — формат Bytecraft, используемый для программирования микроконтроллеров через интерфейс JTAG.
IEEE 1532-файлы — файлы, описывающие последовательности программирования для устройств, совместимых с IEEE 1149.1 JTAG.
PDB-файлы — файлы базы данных программ, содержащие отладочные данные, используемые программистами и отладчиками.
Различные инструментальные цепочки выводят прошивку и код в этих форматах, которые затем импортируются в программаторы перед загрузкой в ИС.
Основные характеристики программатора
Параметры выбора программатора ИС
1. Поддерживаемые ИС:
Микроконтроллеры: ARM Cortex, PIC, AVR, 8051 и т. д.
ПЛИС: Xilinx, Intel/Altera и т. д.
Флэш-память/EEPROM: SPI, I2C, quad I/O devices.
Типы процессоров: AMD, Intel, Qualcomm и т. д.
2. Интерфейсы:
Поддерживаемые интерфейсы: JTAG, ISP, SWD, I2C, SPI, UART.
Разъем печатной платы: Адаптеры для программирования на уровне платы через внутренние или тестовые разъемы платы.
3. Пропускная способность:
Время программирования: рейтинг чипов/час. Рассмотрите параллельные программаторы для более высокой пропускной способности.
Поддержка многосайтового программирования: возможность программирования нескольких ИС одновременно.
Интеграция автоматизированного обработчика: совместимость с автоматизированными обработчиками для комплексных производственных решений.
4. Форматы файлов:
Файлы кода: Intel Hex, Motorola S-record, TEK HEX, Binary, JEDEC и т. д.
Файлы конфигурации: SVF, STAPL, BIT, PDB и т. д.
5. Дополнительные функции:
Внутрисхемная отладка: возможность отладки кода, пока ИС находится внутри схемы.
Функции проверки пустых мест, чтения и проверки: основные операции для обеспечения целостности программирования.
Редактирование и просмотр буфера памяти: возможность редактирования и просмотра содержимого памяти во время программирования.
Функции производственной среды: долговечность, надежность и функции, подходящие для промышленного использования.
Автономная работа в автономном режиме: возможность работы независимо от компьютера для автономных задач программирования.
6. Программный интерфейс:
Тип интерфейса: командная строка, управление через меню или графический интерфейс.
Мастера генератора программ: инструменты для создания последовательностей программирования и управления производством.
Библиотека устройств и алгоритмы: обширная библиотека спецификаций устройств производителя и алгоритмов программирования.
7. Гарантия и поддержка:
Гарантийный период: срок действия гарантии.
Техническая поддержка: доступность удаленной технической помощи.
Обновления программного обеспечения и устройств: регулярные обновления библиотеки устройств и программного обеспечения для программирования.
Вывод: оценка этих технических критериев гарантирует, что программатор ИС надежно соответствует текущим и будущим потребностям программирования, будь то для целей разработки, производства или обслуживания в полевых условиях.
Лучшие практики программирования ИС
Руководства по плавному программированию ИС
Используйте надежные временные соединения: используйте импульсные гнезда Zero Insertion Force (ZIF) или контакты Pogo Pin для надежных временных соединений во время производственного программирования.
Включайте контрольные точки в проекты печатных плат: включайте контрольные точки в проекты печатных плат, чтобы облегчить перепрограммирование развернутых систем на месте, если это необходимо.
Проверяйте библиотеки устройств программатора: перед производством проверяйте библиотеки устройств программатора, успешно запрограммировав образцы ИС, чтобы гарантировать совместимость и функциональность.
Инвестируйте в настольные программаторы для прототипирования: для отладки прототипа инвестируйте в настольные программаторы, которые предлагают комплексные интерфейсы и широкую поддержку устройств.
Рассмотрите программаторы группового уровня производства: бюджет для программаторов группового уровня производства, оснащенных обработчиками для эффективного крупносерийного производства.
Реализуйте код загрузчика для обновлений на месте: включайте код загрузчика в пользовательские проекты микроконтроллеров, чтобы упростить обновления прошивки на месте без необходимости полного перепрограммирования.
Оптимизация времени программирования и размера кода: Оцените время программирования и оптимизируйте размеры кода во время разработки, чтобы эффективно достичь целевых показателей производительности производства.
Проводите бланковые проверки новых ИС: Перед развертыванием выполняйте бланковые проверки новых ИС, чтобы обнаружить неисправные или поддельные устройства на ранних этапах процесса.
Аудит запрограммированных устройств на целостность данных: Проверяйте образцы запрограммированных устройств из производства с помощью контрольных сумм или специального тестового оборудования для проверки целостности данных.
Инвестируйте с умом в наборы инструментов программиста: Выбор правильных наборов инструментов программиста имеет решающее значение для предотвращения узких мест в рабочем процессе и обеспечения бесперебойной сборки ИС и печатных плат от проверки прототипа до развертывания конечного продукта.
Заключение и резюме
Программирование ИС — это критически важный процесс, который активирует программируемые устройства, такие как микроконтроллеры, ПЛИС и микросхемы памяти, путем загрузки необходимой прошивки, данных конфигурации и программного кода. Этот шаг имеет решающее значение для выполнения этими устройствами своих предполагаемых функций в электронных системах. Выбор подходящего программатора, соответствующего определенным интерфейсам устройства и форматам файлов, имеет решающее значение. Такое соответствие не только упрощает первоначальную разработку продукта, но и поддерживает эффективные производственные процессы и облегчает обслуживание на месте.
Программаторы значительно различаются по своим возможностям, поддерживаемым интерфейсам (таким как JTAG, SPI, I2C, UART), пропускной способности и функциональным возможностям программного обеспечения. Тщательная оценка технических характеристик необходима при выборе правильного типа программатора — будь то настольные программаторы для отладки прототипов, групповые программаторы промышленного уровня для крупносерийного производства или внутрисистемные программаторы для программирования ИС на плате. Каждая категория программаторов служит различным целям на протяжении всего жизненного цикла продукта, обеспечивая надежное и эффективное программирование ИС от разработки до развертывания и обслуживания.