Программатор для flash памяти своими руками

Программатор Spi Flash своими руками

Микропрограммное обеспечение предварительно установлено в устройства флэш-памяти перед изготовлением печатной платы, поддерживая высокую пропускную способность. Тем не менее есть преимущества в программировании флэш-памяти уже после ее выпуска, то есть до того, как она была припаяна к плате. Программатор Spi Flash (SF) с дискретной флэш-памятью имеет существенные преимущества перед обычными SD. Его цена обычно не превышает 1/10 стоимости флешки, использует гораздо меньший форм-фактор и требует небольшого количества специального оборудования.

Выбор: SF & SD

Существует множество причин для выбора дискретной флэш-микросхемы вместо подсистемы SD или, наоборот, поэтому пользователю необходимо выбирать компромиссы перед приобретением устройства. Приведенный ниже список содержит несколько аргументов, которые нужно знать, перед выбором DIP-чипа или полноценного SD-решения:

1. Аппаратная сложность, преимущество имеет SF. DIP-пакет с дискретной флеш-микросхемой намного проще использовать, чем SD.
2. Сложность программного обеспечения, преимущество имеет SF. Подсистема флэш-памяти SD обычно опирается на библиотеки SD Fat16/32. Хотя устройства являются интерфейсом SPI, имеет смысл использовать FAT, поскольку любой ПК/MAC может считывать карту. Эти библиотеки большие и могут занимать драгоценное пространство EEPROM на малых встроенных контроллерах.
3. Емкость и портативность, преимущество имеет SD. Можно использовать SD-карту большей емкости в существующем дизайне без изменений. Дискретная SPI имеет более низкие пределы плотности.
4. Стоимость, преимущество имеет SF.
5. Мощность, преимущество имеет SF. SD-карты обычно имеют более высокую мощность утечки из-за более высокой плотности и высокой динамической мощности из-за скорости доступа.
6. Скорость, преимущество имеет SD. SD-флэш-память поставляется во многих различных SKU, основанных на скорости в основном из-за требований цифровой фотографии и использования необработанных форматов изображений.

Флэш-память SPI

Флэш-память SPI- это тип энергонезависимой памяти, основанный на технологии MOSFET. Энергонезависимое означает, что устройство сохраняет все данные, в том числе, когда не включено. Флэш-память работает, перенося группу носителей заряда на диэлектрик. Это называется программированием и обычно выполняется с более высоким напряжением. Процесс не безобидный, он на самом деле повреждает материал, и после 100 тыс. циклов устройство выходит из строя. Чтобы снять носители заряда с диэлектрика, при одинаковом высоком напряжении на обратном потенциале снимают носители с затвора. Это называется стиранием.

Запрограммированный флэш-бит имеет значение 0, а стертый бит имеет значение 1, стертый флэш-байт равен 0xFF в шестнадцатеричном формате. В настоящее время флэш-память может хранить несколько битов на ячейке, с использованием уровней напряжения. С учетом роста требований к объему памяти это становится все более сложным выполнить конструкционно.

Преимущество Spi Flash программаторов USB заключается в простоте программного обеспечения, код в основном сдвигает данные выводов DI и DO, соответственно по переднему фронту тактовой частоты. Часы контролируются хостом, для них не требуется причудливая схема синхронизации: фазы могут быть настолько асимметричными, насколько нужно, при условии соблюдения минимальных требований к ширине цикла устройства.

Утилита для идентификации

Flashrom — это утилита для идентификации, чтения, записи, проверки и удаления флеш-чипов. Она предназначена для прошивки образов BIOS/EFI/coreboot/firmware/optionROM на материнских платах, картах контроллера сети/графики/хранения и на различных других устройствах программирования. Функциональные возможности:

1. Поддерживает более 476 чипов флэш-памяти, 291 наборов микросхем, 500 материнских плат, 79 устройств PCI, 17 устройств USB и различные программаторы Spi Flash на основе параллельных/последовательных портов.
2. Поддерживает параллельные интерфейсы, интерфейсы флэш-памяти LPC, FWH и SPI и различные пакеты микросхем (DIP32, PLCC32, DIP8, SO8/SOIC8, TSOP32, TSOP40, TSOP48, BGA и другие).
3. Физический доступ не требуется, root-доступ достаточен или вообще не требуется для некоторых программаторов.
4. Не требуется загрузочная дискета, CD-ROM или другой носитель.
5. Клавиатура и мониторы не требуются, просто перепрошиваются удаленно через SSH.
6. Не требуется мгновенная перезагрузка.
7. Переписывают чип в работающей системе и проверяют его, новая прошивка будет работать при следующей загрузке.
8. Доступна частичная поддержка Windows.

DIY: универсальные программы создания

Это лучший для микроконтроллеров PIC и AVR программатор Spi Flash, своими руками, может быть, его создать не получится, но устройство не дорогое, стоит меньше 10 $ и выполняется из легко доступных компонентов.

1. Бесплатное ПО с открытым исходным кодом.
2. Нет необходимости устанавливать дополнительные драйверы, использует драйвер HID (Human Interface Device), который обычно применяется для клавиатуры и мыши.
3. Поддерживает много устройств PIC и AVR.
4. Поддерживает платформы Windows и Linux.
5. Состоит из микроконтроллера PIC18F2550 — мозга программатора Spi Flash.
6. Разъем USB-B подключается к компьютеру.
7. Имеется два светодиодных индикаторов, один для индикации подключения программатора, другой показывает статус программирования.

Микроконтроллер PIC18F2550

Основные три последовательных заголовка (J1, J2 и J3) используются для связи с ведомым устройством микроконтроллера. Использование выводов различно в разных микроконтроллерах. Переключатель сброса добавлен к блоку контроллера для установки сброса программатора. PIC18F2550 мигает с помощью шестнадцатеричного кода прошивки, можно использовать другие последовательные или параллельные программаторы Spi Flash PIC.

Он проверяет связь между микроконтроллером и ПК. Требуется провести тестирование HID-обнаружения (Human Interface Device), которое устранит много ошибок, таких как проблемы с микроконтроллером, кристаллами и USB. Перед началом использования программы убеждаются, что мигает светодиод LED, который затем замедляет процесс мигания. Если программатор не обнаружен, проверяют перекрестные соединения и инструкции. Если он обнаружен, переходят к следующему шагу.

Программирование через OpenProg

Устанавливают программу OpenProg на ПК, запускают и проверяют подключенное устройство. Последовательность прошивки программатора Spi Flash:

1. Подключают USB-разъем к ПК.
2. Открывают OpenProg и убеждаются, что программатор обнаружен.
3. Нажимают «Параметры» -> «Проверка оборудования».
4. Выполняют аппаратный тест. Он проверяет все контакты программирования, и пользователь может легко отлаживать устройство при обнаружении ошибок.
5. Аппаратный тест показывает напряжение на VODU, VPPU, CLK, DATA, PGM в разные моменты времени, что важно учитывать при выполнении своими руками программатора Spi Flash на SMD.
6. Измеряют напряжение между выводами VODU, VPPU, CLK, DATA, PGM и проверяют его значениями на экране.
7. VPP может иметь разницу в 1 В из-за преобразования переменного тока в постоянный.
8. Если напряжение этих выводов части контроллера и то, что отображается на экране, схожи, программатор работает отлично.
9. Если напряжение отличается, проверяют цепь соответствующих контактов.

Дизайн печатной платы

Эта печатная плата разработана в Eagle 7.2. Размер пластины 7,5 х 7 см, она выполнена на автоматическом травильном станке. Печатная плата также может быть изготовлена с помощью химического травления в домашних условиях.

Компоненты JA, JB, JC являются перемычками. По схеме тщательно проверяют это и сначала, во время сборки компонентов, устанавливают перемычки. Для обеспечения безопасности PIC18F2550 во время пайки используют 28-контактное основание IC.

Плата расширения связывает программатор с микроконтроллером. Различные серии микроконтроллеров имеют разные контакты и конфигурацию для программирования. Это дает пользователям преимущество в простоте программирования микроконтроллера.

Плата расширения может быть легко сделана с использованием перфорированной доски или в специальных заготовок для плат, приобретенных в торговой сети. Для серий микроконтроллеров используется разные платы расширений. Для LVICP от 5 В до 3,3 В необходим регулятор напряжения, такой как LM1117 или аналогичный ему.

Устройство 3.3 В должно быть запрограммировано только с использованием платы расширения 3.3 В, в противном случае может произойти необратимое повреждение. Некоторые из плат имеют вариант 5 В. Если нужно запрограммировать на 5 В, можно выбрать опцию «Не требовать платы низкого напряжения». Также не рекомендуется размещать 24F-33F в гнездо 30F, которое работает при 5 В.

Завершение процесса создания

После изготовления части контроллера и платы расширения, можно сразу перейти к программированию устройства:

1. Находят устройство и серию устройства для программирования.
2. Выбирают подходящую плату расширения устройства.
3. Подключают устройство к плате расширения.
4. Присоединяют плату расширения к блоку контроллера.
5. Подключают соединительный кабель USB B к программатору и к ПК.
6. Открывают OpenProg.exe и убеждаются, что программатор обнаружен.
7. Открывают устройства и выбирают нужное для программирования.
8. Нажимают зеленую стрелку в верхней части, чтобы прочитать устройство.
9. Для записи/прошивки нажимают левую кнопку сверху, чтобы выбрать код «.hex», и нажимают «Ok».
10. Нажимают красную кнопку со стрелкой рядом с зеленой кнопкой со стрелкой, чтобы запрограммировать устройство.
11. Убеждаются, что LED мигает во время программирования, показывая статус процесса.
12. Проверяют результат и убеждаются, что мигание прошло успешно.

Последовательная SPI AT45DB161D

Простой Spi Flash программатор SPI (AT45DB161D) представляет собой 16-мегабитную (2 МБайт) 2,5 В или 2,7 В флэш-память с последовательным интерфейсом, идеально подходящего для широкого спектра приложений, предназначенных для хранения программного кода и данных.

Всего 2097152 байта (0x1FFFFF) организованы в 4096 страниц с 512 байтами на страницу. Несмотря на то, что чип предлагает различные варианты стирания, библиотека программного обеспечения поддерживает стирание блоков, причем один блок содержит 4 Кбайт.

Чтобы перезаписать существующие данные, сначала необходимо удалить соответствующий блок. Чтение и запись данных осуществляется довольно простым способом, в основном путем предоставления адреса чтения/записи (от 0 до 0x1FFFFF) и информации о длине данных. Используя существующие базовые функции, можно расширить код для поддержки обширной системы доступа к файлам.

USB- накопитель EEPROM

Программатор Spi Flash EEPROM серии 25 с программным обеспечением и поддержкой драйверов и 25-SPI флэш-память 8-контактный/16-контактный имеет следующие функциональные возможности:

1. Автоматическая идентификация модели чипа 25 серия.
2. Поддержка USB в TTL.
3. Автоматическое определение чипа серии 25.
4. Поддержка загрузки STC серии.
5. Процедура однокристального микроконтроллера STC программатора Spi Flash ch341a поддерживает полный спектр загрузки программ для разнообразного ПО: резервного копирования, стирания, программирования, калибровки и других перемещений.
6. Обеспечивает выход питания 5 В — 3,3 В.
7. Размер: 70 мм х 27 мм
8. CH341SER.EXE — самостоятельная установка архива с USB на последовательный драйвер.

Устранение сбоев работы микроконтроллеров

Когда пользователь начинает работать с микроконтроллерами, он, вероятно, столкнется с проблемами при программировании, на решение которых потребуются часы или дни, а иногда они просто неразрешимы. Опытные программисты поделились своими наработками устранения различных нарушений, вот некоторые из них:

1. При любом сбое вначале проверяют блок питания. Иногда случается так, что источник питания не подходит к программатору и требуется внешний источник питания.
2. Выбирают правильный последовательный порт в программном обеспечении.
3. Прежде чем использовать программатор, необходимо установить драйверы, необходимые для его функционирования. Когда подключается программатор в первый раз, он автоматически устанавливает их, если есть соединение с интернетом, иногда потребуется указать расположение драйверов.
4. Повышение напряжения. Многие микроконтроллеры требуют подтягивания в своей цепи, прежде чем могут быть запрограммированы, так микроконтроллер пикасе требует 10 кОм подтягивающего резистора на последовательном выводе, иначе показывает ошибку.
5. Программное обеспечение для программирования не обнаруживает микроконтроллер — это опять-таки проблема с блоком питания, проверяют БП снова и подключают программатор к компьютеру.

После выполнения своими руками USB программатора Spi Flash пользователь получит SF, выполненную собственноручно для системного программирования. Она будет легко управляться компьютером через шину USB благодаря удобному интерфейсу и мощным функциями.

Источник

Программатор SPI и I2C микросхем памяти CH341A Mini Programmer

Микросхемы памяти серий 24хх (EEPROM), 25хх (Serial Flash) широко используются в электронике. Такие чипы присутствуют в составе практически любой конструкции современной бытовой и промышленной аппаратуры, где есть процессоры и/или микроконтроллеры. Данный программатор имеет возможность работы с обоими типами памяти.

В комплект поставки входят сам программатор и переходная плата с двумя посадочными местами под микросхемы памяти в SOIC корпусе.

Они дублируют имеющиеся на нижней стороне платы программатора, и если на плату программатора микросхемы памяти нужно обязательно припаивать, на переходнике можно попробовать прижать микросхему прищепкой или держателем для бумаг.

Так-же на переходнике есть посадочное место для разьема PLD-8 (в комплект не входит, я впаял 2хPLS-4), предназначенного для подключения прищепки или шлейфа программирования.

Аппаратная часть (Hardware).

Программатор выполнен на базе микроконтроллера «USB Bus Convert Chip» серии CH341A. Он рассчитан на физическое подключение к порту USB 2.0 компьютера, при подключении через хаб-удлиннитель программатор у меня работал с ошибками (может у меня хаб такой). Модуль программирования памяти собран на плате размерами 63х27мм (без учета USB разьема, с разьемом 84х27мм) из черного стеклотекстолита.

В распоряжении автора есть два экземпляра этого программатора, приобретенные в разное время, визуально их можно отличить по названию, один (более ранний) называется «CH341A Mini Programmer«, второй «CH341A MinProgramment«. Схемы одинаковые, различаются только цветом светодиода «RUN«. На первом зеленый, на втором желтый.
Некоторые схемные обозначения на конкретном программаторе могут немного отличаться, например самовосстанавливающийся предохранитель F1 (fuse) может обозначаться как R1. В инете встречались упоминания, что в эту позицию иногда ставят резистор нулевого сопротивления т.е. перемычку. У меня как и положено на обоих стоят предохранители

400mA, сопротивление 0,92Ом, маркировка на корпусе «5». Также на плате часто отсутствует схемное обозначение резисторной сборки PR1. Более грамотное обозначение схемных элементов программатора можно посмотреть на изображении верхней стороны платы от магазина WAVGAT (на AliExpress):

Особых отличий от даташита схема не имеет, разве что на блокировочных конденсаторах по питанию сильно экономили. Питание 5V от USB подается на вывод 28, на выходе 9 внутреннего стабилизатора блокировочный конденсатор.

Т.к. на выводах ввода/вывода напряжение соответствует 5V уровням, в основном это устройство на 5V, правда в инете много упоминаний и о программировании им микросхем на 3.3V без каких либо ошибок и отрицательных последствий. Выход отдельного стабилизатора AMS1117-3.3 в схеме не задействован и просто выведен на выходной ZIF разьем и на контакт боковой гребенки SPI.
В даташите указан способ сделать уровни на выходах совместимыми с 3.3V. Для этого необходимо соединить выводы 28 и 9 и подать на них 3.3V, при этом внутренний стабилизатор просто не используется. Но при этом 3.3V уровни также будут на на переходнике USB RS232, что иногда не приемлемо. Также на Ali сушествует другая версия этого программатора, скомпонованная немного по другому и выполненая на зеленом текстолите. Читал, что там на вывод 28 подается 3.3V от внешнего стабилизатора, но выводы 28 и 9 не соединены, и это нормально работает. В любом случае, уровни на переходнике USB RS232 и здесь будут 3.3V.
Если планируется программирование флешек 1.8V через основной разьем необходимо дополнительно приобрести модуль 1.8V-adapter. Бонусом является то, что переделать его для поддержки и уровней 3.3V несложно, надо лишь закоротить вход/выход стабилизатора 1.8V дополнительным джампером.

Теперь при наличии джампера адаптер работает с логическими уровнями 3.3V, при отсутствии — 1.8V.
Минус тут в том, что стоимость адаптера не намного меньше, чем самого программатора. Но если он уже есть, почему бы его не использовать по полной?

Если для программирования будет использована боковая гребенка SPI, можно поступить проще. На Ali много предложений 4-канального двунаправленного преобразователя уровней на МОП транзисторах за очень небольшие деньги.

Работа этого преобразователя подробно описана в статье «Согласование логических уровней 5В и 3.3В устройств». Схема отличается от рассмотренной в статье только номиналами резисторов (сопротивление меньше — увеличено быстродействие и энергопотребление). За счет добавления дополнительных джампера J1 и двух кремниевых диодов, можно будет программировать как 3.3V, так и 1.8V флешки.

Резисторы 2,2 кОм отделяют выводы #WP и #HOLD флешки от шины питания. Светодиод — индикатор наличия напряжения.

Программная часть (Software), драйвер.

Перед применением программатора необходимо инсталировать в Windows его драйвер(а), легко находятся в инете, я брал из архива программы AsProgrammer. Программатор поддерживает два режима, они переключаются аппаратно джампером J1. Применен интересный прием, при переключении джампера у чипа меняется Device ID на шине USB. Это вынуждает Windows найти подходящий по VID/PID драйвер и подключить его.
При джампере в положении «1-2» по VID_1A86&PID_5512 подгружается драйвер «USB-EPP/I2C… CH341A«. Он создает в диспетчере устройств раздел «Interface» в который и устанавливается.

В этом случае чтение, верификация, запись чипов памяти должны осуществляться непосредственно через ZIF-панель программатора CH341A или через боковой разьем Р2 с интерфейсом SPI.

При джампере в положении «2-3» по VID_1A86&PID_5523 подгружается драйвер «USB-SERIAL CH341A«. В диспетчере устройств найти его можно в разделе «Порты (COM и LPT)«. Там же можно посмотреть и номер присвоенного СОМ порта.

При этом программирование может производиться только через интерфейс RS232 TTL на разьеме Р1 (там же где и джампер), если целевое устройство поддерживает такой способ (встроенный загрузчик или монитор).

Программная часть (Software), программа прошивальщик.

С программатором CH341A на программном уровне обычно рекомендуется китайский (есть русификация) родственный софт «CH341A — USB Programmer». Но в то-же время в инете достаточно много жалоб на его глючность и нестабильность, особенно версий выше 1.18. CH341A — USB Programmer версий 1.30, 1.29 не может нормально работать (читать и записывать) с чипами памяти объемом более 8MByte/64MBit. Примерно после адреса 0800000 начинают сыпаться хаотичные ошибки.
Поэтому я не стал наступать на эти грабли повторно, и с самого начала использовал программу «AsProgrammer» от участника сообщества Tifa, последняя версия 1.4.0. Скачать можно на форуме, топик форума показывается в лог-окне программы при запуске. Если кто-то захочет полазить в исходниках, проект есть на GitHub (если правильно понял, проект на Free Pascal, Lazarus).
Кроме поддержки 24 и 25 серий микросхем памяти, программа работает и c 45 серией, поддерживает серию ST M95 и память microwire (только для данного программатора). Все схемы подключения есть в архиве программы. Полный список поддерживаемых микросхем памяти можно посмотреть в каталоге программы в файле chiplist.xml.

Программа не требует установки, включает в архив драйверы для обоих режимов программирования СН341А.
Log-файл работы программы с флешкой W25Q128FW, 16Мб, 1.8V через «1.8V-adapter«:

Используется программатор: CH341
Sreg: 00000000(0x00), 00000010(0x02), 01100000(0x60)

Используется программатор: CH341
Читаю флэшку…
Готово
Время выполнения: 0:02:49

Используется программатор: CH341
Стираю флэшку…
Готово
Время выполнения: 0:01:03

Используется программатор: CH341
Записываю флэшку с проверкой…
Готово
Время выполнения: 0:24:45

5 вариантов BIOS) ни одного сбоя или ошибки.

Линуксоидам использовать стороннюю программу нет необходимости, стандартный прошивальщик Flashrom полностью поддерживает данный программатор (должен быть собран с поддержкой ключа «-ch341a»).

Доработка 1. Подтяжка сигналов #WP и #HOLD.

В программаторе линии сигналов #WP и #HOLD посажены непосредственно на шину питания. Это мешает сбросить/установить бит QE во втором регистре статуса (25хх). В даташитах на микросхемы памяти есть предупреждения по этому поводу, вот из даташита на W25Q128FW:

WARNING: If the /WP or /HOLD pins are tied directly to the power supply or ground during standard SPI or Dual SPI operation, the QE bit should never be set to a 1.

Для исправления этого недостатка надо отсоединить ноги #WP (pin 3) и #HOLD (pin7) от VCC и подключить их к VCC через резисторы 2.2-4.7 кОм.
На «чёрном программаторе» советуют это делать так (привязка к схеме, нумерация контактов относительно ZIF разьема), дорожка между контактами 11-12 перерезается (#HOLD), между контактами впаивается резистор, дорожка от 11 контакта ведущая к 7 (#WP) перерезается у 11 контакта, проводок напаивается с 12 контакта к отрезанной дорожке, та же дорожка перерезается перед 7 контактом, поверх разреза напаивается резистор:

Как по мне, проще сделать это на переходнике 1.8V-adapter, если задействовать его вторую незанятую половину разьема. Тем более при применении адаптера переделка на плате программатора становится бесполезной, порты у трансмиттера используются как однонаправленные.

Доработка 2. Увеличение кол-ва блокировочных конденсаторов по питанию.

Участник сообщества «AlexX1810» предложил добавить на плату программатора три блокировочных конденсатора 0.1 мкФ. По его словам улучшается стабильность работы программатора.
Если ориентироваться по схеме, первый конденсатор между 6-7 контактами разьема Р1 (5V), второй между 5-6 контактами разьема Р2 (3.3V), третий между 15-16 контактами ZIF панельки (7-8 контакты разьема I2C, 3.3V). Все впаяны со стороны контактов.

У меня во время использования программатора сбоев не было, но хуже во всяком случае не будет.

Источник