Bilan de 2017

Bonjour à toutes et à tous !

Nous sommes déjà au mois de février et par conséquent bien trop tard pour vous souhaiter la bonne année. Une année qui a commencé relativement bien et que j’espère plus stable que l’année précédente.

Sans en dire trop, il y a un an j’étais embauché dans une autre entreprise après une expérience assez traumatisante (dont je parlerai peut-être un jour ici). Un nouveau boulot donc, dans une nouvelle entreprise, loin d’être parfaite mais légèrement mieux que ce que j’ai pu vivre avant. J’y suis resté 8 mois, une période que je voyais comme étant de transition mais où j’ai pu apprendre beaucoup et m’épanouir en tant que développeur.

Fin septembre, j’ai dû déménager et quitter mon boulot pour suivre ma compagne dans une autre région. Finie la région parisienne, même si j’avais déjà réussi à m’extraire de la routine oppressante des transports parisiens ! Et par chance, j’ai pu décrocher un nouvel emploi assez rapidement (j’ai passé des entretiens pendant le mois de septembre, pour être finalement embauché début octobre). Je dois dire que c’est un cadre qui me plaît : une entreprise suffisamment grande pour être mâture mais assez modeste pour ne pas s’y sentir oppressé par un côté « grand groupe ». L’entente avec mes collègues est très bonne, j’y trouve pas mal de geeks, pour mon plus grand bonheur. Le travail que l’on me donne est intéressant et tout est bien organisé. Que demander de plus ? J’espère bien pouvoir y rester le plus longtemps possible, quitte à faire des choix difficiles pour parvenir à cette fin.

Mais arrêtons de parler de ma vie pour nous focaliser sur l’essentiel ici : ce blog. Je suis assez content du travail que j’ai pu fournir durant l’année 2017, même si j’aurais aimé pouvoir écrire davantage. Le projet de programmateur de PIC est bien avancé, malgré le problème d’écriture qui me résiste. Concernant ce dernier point, tant qu’il n’est pas résolu, je ne peux écrire davantage sur ce projet. Toutefois, histoire de ne pas laisser le blog en reste, je projette d’aborder à la place d’autres projets en cours, dont au moins un à base de Raspberry Pi ou d’autres cartes collectées ça et là.

Sur ce, je vous laisse et je vous dis à bientôt.

Nicolas SAN AGUSTIN

Programmateur de PIC – Bulk Erase

Bonjour à toutes et à tous !

Comme promis, voici la suite du projet de programmateur de PIC. Nous avons vu la dernière fois une présentation sommaire du programmateur de PIC et de ses fonctionnalités. Aujourd’hui nous allons nous atteler à la première d’entre elles : l’effacement intégral de la mémoire.

Tout d’abord, je vais vous présenter le principe de fonctionnement de l’effacement et de quelques cas d’utilisation. Ensuite, nous allons voir ensemble la constitution du protocole de communication. Enfin, nous verrons par quelle trame ordonner au microcontrôleur l’effacement complet de sa mémoire.

Principe

L’effacement de la mémoire est généralement un pré-requis à l’écriture dans la mémoire. Cela afin de se débarrasser des résidus de programme qui pourrait subsister en se contentant de simplement écrire par-dessus le programme précédent.

Il a également une autre utilité. Le PIC18F2550, entre autres, dispose en effet d’un mécanisme de protection de l’accès à la mémoire. Pour pouvoir réécrire un programme dans une zone mémoire protégée, il faut procéder à l’effacement de la mémoire qui va également réinitialiser les droits d’accès de toutes les zones de mémoire.

Nous ne verrons ici que l’effacement intégral, plus simple à mettre en œuvre.

Chronogrammes et programme

Nous avons vu brièvement dans le précédent article le déroulement de la programmation du microcontrôleur. Je vous propose ici de voir les premières étapes plus en détail.

N.B. : Dans le doute, je préfère ne pas mettre ici les diagrammes présents dans la documentation de Microchip. Toutefois, comme « il est toujours bien plus facile de comprendre avec un dessin », je vous invite à consulter directement le document concerné. Afin de vous faciliter la recherche, j’indiquerai pour chaque diagramme le numéro de la figure et la page.

Entrée en mode Program/Verify

Lors de la programmation du microcontrôleur, la tension d’alimentation se situe entre 3,0V et 5,5V (si le microcontrôleur fonctionne avec son oscillateur interne) ou entre 2,0V et 5,5V (si un oscillateur externe est utilisé) et ce quel que soit le mode d’alimentation utilisé (Low-Voltage ou High-Voltage). De plus, toutes les broches doivent être à l’état bas, sauf VDD.

  • Low-Voltage (page 17, paragraphe 2.6, figure 2-16)

L’entrée dans le mode Program/Verify consiste à indiquer au microcontrôleur que l’on se place en mode Low-Voltage via la broche PGM avant d’alimenter la broche de programmation VPP avec la tension adéquat (entre 2,0V et 5,5V pour le mode Low-Voltage).

Dès lors, nous commençons par placer la broche PGM à l’état haut. Après un court délai minimum de 2 microsecondes, on peut placer la broche VPP à l’état haut puis attendre encore 2 microsecondes minimum avant de transmettre des données via les broches PGD (données) et PGC (horloge).

  • High-Voltage (page 16, paragraphe 2.5, figure 2-14)

Si on utilise le mode High Voltage, la tension de programmation se situe entre VDD+4,0V (donc entre 6/7V et 9,5V, selon l’oscillateur utilisé) et 12,5V et la broche PGM n’est pas du tout utilisée. On commence par alimenter le microcontrôleur et attendre un délai minimum de 100 nanosecondes. Avant de placer la broche de tension de programmation à l’état haut.

Important : le temps de montée de la broche VPP ne doit pas dépasser une microseconde !

Comme pour le mode Low-Voltage, ce n’est que 2 microsecondes après le moment où VPP atteint l’état haut que l’on peut commencer à transmettre via PGD et PGC.

Une routine pour effectuer cette entrée en « Program/Verify mode », en mode Low-Voltage, ressemblerait à ceci :

/*
 * Enter Program/Verify mode
 */
void enter_program_verify_mode()
{
    digitalWrite(PGM, HIGH);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(VPP, HIGH);
    delayMicroseconds(2);
}

Sortie du mode Program/Verify

  • Low-Voltage (page 17, paragraphe 2.6, figure 2-17)

Il faut avant tout que les broches PGD et PGC soient et restent à l’état bas, signe qu’elle ne transmettent plus. On peut alors placer VPP puis PGM à l’état bas. Aucun délai n’est à respecter.

  • High-Voltage (page 16, paragraphe 2.5, figure 2-15)

Comme pour le mode Low-Voltage, il faut avant tout que les broches PGD et PGC soient et restent à l’état bas. On peut alors, sans attendre, placer VPP à l’état bas, tout en respectant un temps de descente d’une microseconde maximum. Puis, dans un délai maximum de 100 nanosecondes, on doit placer VDD à l’état bas.

Une routine pour effectuer la sortie du « Program/Verify mode », en mode Low-Voltage, ressemblerait à ceci :

/*
 * Exit Program/Verify mode
 * Power is on (VCC and Programming voltage)
 */
void exit_program_verify_mode()
{
    digitalWrite(PGD, LOW);
    digitalWrite(PGC, LOW);
    digitalWrite(VPP, LOW);
    digitalWrite(PGM, LOW);
}

Envoi de trame (page 18-19, paragraphe 2.7, figure 2-18)

Comme je l’ai dit dans l’article précédent, les commandes sont formés de 20 bits : 4 bits pour l’instruction et 16 bits pour le payload. Ici, je vous détaille comment ces commandes sont transmises.

La transmission s’effectuant en Little-Endian, le plus faible des 4 bits est transmis en premier jusqu’à celui le plus fort. On en fait de même avec les 16 bits, en commençant par le plus faible des 16 et en terminant par le plus fort.

Pour chaque bit, l’horloge doit se placer à l’état haut, la broche de données doit se placer ou être déjà placé à l’état haut pour transmettre un 1 et à l’état bas pour transmettre un 0. Enfin, on place l’horloge à l’état bas pour amorcer l’émission du bit.

Une période d’horloge doit durer au minimum 100 nanosecondes, avec un minimum de 40 nanosecondes pour chaque état d’horloge. Ceci est valable lorsque le microcontrôleur est alimenté en 5V. Lorsque VDD = 2V au lieu de 5V, ce temps minimum doit être décuplé (400 nanosecondes et 1 microseconde au lieu de 40 et 100 nanosecondes).

Concernant la broche de données, il doit s’écouler au moins 15 nanosecondes entre la mise à l’état souhaité et le passage de l’horloge à l’état bas. De même, le temps de maintien de la broche de données à l’état souhaité doit durer au moins 15 nanosecondes à partir du moment où l’horloge est passée à l’état bas.

Enfin, entre la fin de la transmission du dernier des 4 bits de commande et le début de la transmission du premier des 16 bits de payload, il doit s’écouler au minimum 40 nanosecondes. De même à la fin de la transmission du dernier des 16 bits de payload : avant de transmettre quoi que ce soit, il est nécessaire d’attendre au moins 40 nanosecondes.

N.B.: Je sais qu’il peut sembler ridicule d’exiger de patienter durant un temps aussi infime qu’une microseconde ou que quelques nanosecondes. Cependant, à l’échelle du microcontrôleur, ce n’est pas anodin. Si je prends par exemple la fréquence de l’oscillateur interne du PIC18F2550, qui est de 8 MHz, cela nous donne une instruction tous les 500 nanosecondes (TOSC= 1/f = 1/8000000Hz = 0,000000125 secondes = 125 nanosecondes ; TCY = TOSC * 4 = 125 * 4 = 500 nanosecondes par cycle instruction). C’est juste dans la plupart des cas et insuffisant lorsque VDD est de 2V. Dans notre cas, nous utilisons un Arduino cadencé à 16 MHz et le cycle d’instruction se fait le plus souvent en un ou deux cycles d’horloges au lieu de quatre (une particularité des microcontrôleurs AVR sur lesquels sont basés la plupart des cartes Arduino), ce qui amène le temps de cycle à 62,5 ou 125 nanosecondes.
Dans notre cas, cela devrait suffire, la plupart des délais à respecter n’atteignant pas 62,5 nanosecondes.

Voici à quoi ressemblerait la routine permettant d’envoyer une commande au microcontrôleur.

/*
 * Send a command to the chip
 */
void send_command(char command, char lowbyte, char highbyte)
{
    char i;

    /* Command */
    for (i = 0; i < 4; i++) 
    { 
        digitalWrite(PGC, HIGH); 
        if ((command & 1) == 1) 
        { 
            digitalWrite(PGD, HIGH); 
        } 
        else 
        { 
            digitalWrite(PGD, LOW); 
        } 
        digitalWrite(PGC, LOW); 
        command = command >> 1;
    }

    /* Low Byte */
    for (i = 0; i < 8; i++) 
    { 
        digitalWrite(PGC, HIGH); 
        if ((lowbyte & 1) == 1) 
        { 
            digitalWrite(PGD, HIGH); 
        } 
        else 
        { 
            digitalWrite(PGD, LOW); 
        } 
        digitalWrite(PGC, LOW); 
        lowbyte = lowbyte >> 1;
    }

    /* High Byte */
    for (i = 0; i < 8; i++) 
    { 
        digitalWrite(PGC, HIGH); 
        if ((highbyte & 1) == 1) 
        { 
            digitalWrite(PGD, HIGH); 
        } 
        else 
        { 
            digitalWrite(PGD, LOW); 
        } 
        digitalWrite(PGC, LOW); 
        highbyte = highbyte >> 1;
    }
    digitalWrite(PGC, LOW);
    digitalWrite(PGD, LOW);
}

Les commandes d’effacement

À présent, nous disposons de routines permettant l’envoi de commandes qui respectent les standards imposés par la documentation du composant. Nous pouvons à présent transmettre l’ordre d’effacement.

Mais qu’envoyer ? La documentation nous indique la séquence suivante :

4-Bit Command (binary) Data Payload (hexadecimal) Core Instruction (assembly)
0000 0E 3C MOVLW 3Ch
0000 6E F8 MOVWF TBLPTRU
0000 0E 00 MOVLW 00h
0000 6E F7 MOVWF TBLPTRU
0000 0E 05 MOVLW 05h
0000 6E F6 MOVWF TBLPTRU
1100 3F 3F Write 3F3Fh to 3C0005h
0000 0E 3C MOVLW 3Ch
0000 6E F8 MOVWF TBLPTRU
0000 0E 00 MOVLW 00h
0000 6E F7 MOVWF TBLPTRU
0000 0E 04 MOVLW 04h
0000 6E F6 MOVWF TBLPTRU
1100 8F 8F Write 8F8Fh to 3C0004h
0000 00 00 Hold PGD low until erase completes
0000 00 00

Que nous dit cette séquence ? Tout simplement que l’on cherche à se positionner à l’adresse 0x3C0005 via le pointeur TABLPTR (dont j’ai parlé au précédent article) pour y inscrire la valeur 0x3F puis refaire de même avec la valeur 0x8F à l’adresse 0x3C0004.
On termine l’ordre par un NOP (une instruction assembleur dont le principe est de ne rien faire) pour que démarre l’effacement. Ce dernier se déclenche au front descendant d’horloge du 4ème bit de commande du NOP. Lors de l’opération d’effacement, la liaison série sera indisponible jusqu’à la fin (au moins 5 millisecondes). Pendant ce temps, l’horloge peut continuer à osciller, mais la broche de données doit impérativement rester à l’état bas.
Un délai supplémentaire d’une dizaine de microsecondes au minimum doit être opéré à la fin du temps d’attente avant de reprendre toute communication avec le microcontrôleur.

La documentation n’en dit hélas pas davantage sur ces instructions, hormis qu’aux adresses 3C0005h et 3C0004h se situent deux registres dédiés à l’effacement du microcontrôleur ainsi que les valeurs à utiliser pour ces registres selon les zones de mémoire que l’on souhaite effacer.

Mise en pratique

Après quelques tâtonnements, je suis parvenu à écrire un programme Arduino qui effectue l’effacement du microcontrôleur PIC18F2550 auquel il est relié. Pour m’assurer que l’effacement était bien effectif, le programme se termine par une petite boucle qui fait osciller VPP. Le programme précédent se contentant uniquement de garder une LED allumée, si la LED restait éteinte à la fin du programme, l’effacement était considéré comme réussi.

ArduinoICSP – Bulk Erase

Bien évidemment, j’ai revérifié après avec un autre programmateur si la mémoire était bien vierge, et ce fut le cas.
Notez également que j’ai choisi la broche 13 pour commander VPP. Ce n’est pas anodin : cette broche commandant également une LED intégrée à la carte Arduino, cette dernière me fournissait un témoin visuel que la broche était bel et bien en train de changer d’état.

Les broches VDD et VSS du PIC18F2550 sont connectées respectivement aux broches VCC 5V et GND de la carte Arduino.

La commande pour l’effacement se trouve ici n’être qu’un simple tableau qui est transmis par le programme principal en temps qu’arguments à la fonction d’envoi de trame. C’est largement suffisant et les autres opérations seront exécutées de la même manière, avec quelques subtilités cependant (je pense par exemple à l’écriture de programme).

Conclusion

C’est terminé avec l’effacement du microcontrôleur. Il s’agissait d’un article très consistant, ce qui explique pourquoi je ne le publie que maintenant. J’espère parvenir à poursuivre le projet et l’écriture des articles rapportant mes progrès. J’ai moins de temps depuis que j’ai retrouvé un emploi le mois dernier (je ne m’en plains pas, c’est un boulot qui me plaît et les progrès que j’y fais me servent pour ce projet, et réciproquement).

Je m’efforce également de ne pas digresser sur d’autres sujets, ce qui est assez difficile car j’ai déjà plein d’idées de projets que je meurs d’envie de partager ici. Il faudra patienter le temps que je finisse le projet de programmateur de PIC. Les autres qui viendront par la suite seront, je l’espère, plus concis que le programmateur bien que tout aussi intéressants (voire davantage).

Sur ce, je vous laisse et je vous dis à bientôt.

Nicolas SAN AGUSTIN

Programmateur de PIC : Présentation technique

Bonjour à toutes et à tous !

Après tant de temps, je me suis enfin décidé à partager ma progression concernant ce projet de développement. Cela à deux fins : partager avec vous des informations sur la programmation de microcontrôleurs PICs et la manière d’implémenter la méthode ICSP sur une carte de type Arduino et, par ce biais, vous en apprendre également plus sur le fonctionnement d’un microcontrôleur.

Historique des méthodes de programmation

À l’origine, la méthode utilisée pour programmer un microcontrôleur était d’utiliser un programmateur comportant un emplacement prévu pour y insérer le microcontrôleur. On écrit le programme dans la mémoire du microcontrôleur avant de retirer ce dernier et de l’intégrer au système qu’il doit piloter. Inutile de préciser que c’est une méthode fastidieuse qui impose, pour chaque modification du logiciel embarqué, de devoir retirer puis insérer le microcontrôleur à plusieurs reprises pour pouvoir le programmer puis le tester. Cela au risque d’abîmer plus rapidement et plus facilement les broches du microcontrôleur. Mais, plus encore, un problème se pose dans le cas d’une modification majeure du logiciel d’un produit fini et vendu en masse. On ne peut décemment pas exiger de rappeler tous les exemplaires sous le prétexte d’une mise à jour du logiciel, aussi majeure soit-elle, qu’il faudra effectuer pour chaque microcontrôleur.

C’est là qu’apparaît la méthode ISP, pour In-System ProgrammingProgrammation In-Situ en français. Elle permet la programmation d’un microcontrôleur déjà intégré à un système. Cette fois, nous pouvons consulter ou modifier le programme d’un microcontrôleur via un connecteur relié à des broches dédiées de ce microcontrôleur, le tout directement intégré dans le système à piloter. Les programmateurs les plus aboutis permettent même le débogage du logiciel embarqué en temps réel. Elle permet aussi la mise en place de procédures plus simples pour la mise à jour du logiciel embarqué, comme la reprogrammation directe du microcontrôleur ou la mise en place d’un microcontrôleur secondaire sur la carte faisant office de programmateur in-situ.

Microchip fut le premier à implémenter cette méthode de programmation in-situ, nommé alors ICSP pour In Circuit Serial Programming, pour ses microcontrôleurs PIC et dsPIC. Par la suite, de nombreux fabricants ont implémenté leur propre version de cette méthode de programmation.

Description

Selon le fabricant, l’implémentation de la méthode peut différer. Aussi, pour cet article, nous nous concentrons uniquement sur ICSP tel qu’implémenté par Microchip.

De plus, le microcontrôleur utilisé dans cette étude de cas est le PIC18F2550. Il est donc possible que certaines fonctionnalités diffèrent voire sont inexistantes pour d’autres modèles de microcontrôleurs – même provenant de chez Microchip.

Ces points étant explicitement établis, passons maintenant à la description technique de la méthode ICSP.

Brochage

Le connecteur ICSP comprend 6 broches qui se décrivent comme suit :

  1. MCLR/VPP : Il s’agit de la tension de programmation. L’état de la broche permet d’entrer ou de sortir du mode de programmation. Dans le cas qui nous intéresse, la tension varie en fonction du mode de programmation : « High-Voltage » = 12 V et « Low-Voltage » = 5 V.
  2. VDD : La tension d’alimentation du microcontrôleur, ici 5 V.
  3. VSS : Il s’agit tout simplement de la masse. Le PIC18F2550 dispose de deux broches à relier à la masse.
  4. PGM : utilisée uniquement dans le cas d’une programmation « Low-Voltage », autrement elle n’est qu’une entrée/sortie comme une autre (RB5). Lors de l’entrée en mode de programmation, elle est la première broche placée à l’état haut, avant la tension de programmation. De même, elle est la dernière à être placée à l’état bas lors de la sortie du mode de programmation.
  5. PGC : C’est l’horloge utilisée lors de la transmission de données. Comme dans la plupart des protocoles de transmission, c’est le maître – ici le programmateur – qui donne la cadence de l’horloge.
  6. PGD : C’est par cette broche que les données transitent, en little endian – i.e. le bit de poids faible est transmis en premier et le bit de poids fort en dernier.

Organisation des zones mémoire

La mémoire du PIC18F2550 est organisée en différentes zones. Les adresses en mémoire sont exprimées en hexadécimal et chaque adresse correspond à un octet de mémoire.

  • La mémoire dédiée au code exécutable, de l’adresse 0x00000 à l’adresse 0x007FFF, soit 32 Kio divisés en 5 blocs :
    • Le bloc de démarrage (ou Boot Block) sur les 2048 premiers octets, contenant les instructions du programme exécutées en premier au démarrage du microcontrôleur ;
    • Le bloc 0, de 6 Kio, soit 6144 octets ;
    • et trois blocs, numérotés de 1 à 3, de 8 Kio chacun.
  • Les ID locations – des registres dédiés à l’écriture de divers numéros d’identification – de 0x200000 à 0x200007, soit 8 octets au total ;
  • Les registres de configuration, de 0x300000 à 30000D, soit 16 octets organisés en 8 paires de registres (CONFIGxH pour le regitre de poids fort et CONFIGxL pour le registre de poids faible) ;
  • Et enfin, l’identifiant du périphérique (Device ID) sur deux octets, aux adresses 0x3FFFFE et 0x3FFFFF. Il permet au programmateur d’identifier le modèle et le numéro de version du microcontrôleur présent.

Processus de programmation

Le processus de programmation se déroule comme suit :

  • Entrée en mode de programmation/vérification (Program/Verify mode)
  • Effacement partiel ou complet de la mémoire du microcontrôleur
  • Écriture du programme dans la zone mémoire dédiée au code
  • Écriture des ID Locations
  • Écriture de données dans la mémoire EEPROM
  • Vérification du programme
  • Vérification des ID Locations
  • Vérification des données EEPROM
  • Écriture des bits de configuration
  • Vérification des bits de configuration
  • Sortie du mode de programmation/vérification

Pour chaque opération, hormis pour l’entrée et la sortie du mode de programmation/vérification, le programmateur doit envoyer des trames au microcontrôleur. Ces trames se composent toutes de 4 bits de commande et de 16 bits de payload – le contenu du payload dépend essentiellement de la commande.

Tout le processus consiste à manipuler un pointeur nommé TABLPTR au travers de trois registres dédiés : TABLPTRU, TABLPTRH, TABLPTRL. Ces registres vont chacun contenir une partie de l’adresse mémoire vers laquelle TABLPTR doit pointer et à laquelle on souhaite opérer.

Parmi les commandes utilisées par le programmateur, on peut trouver essentiellement :

  • Core Instruction (0b0000) : Elle sert essentiellement à exécuter des instructions du processeur du microcontrôleur. Le payload correspond ici à une instruction en assembleur sur 16 bits (une instruction et son argument). La plupart du temps, cette commande servira à initialiser la valeur de TABLPTR avant d’opérer sur l’octet pointé.
  • Table Read (0b1000) : Une des deux principales opérations que l’on peut effectuer sur l’adresse mémoire pointée par TABLPTR. Elle consiste à lire les données qui se trouve à l’emplacement mémoire pointé. Le payload est constitué uniquement de 0, les données lues étant transmises à la suite de cette commande.
  • Table Write (0b1100) : La seconde principale opération que l’on peut effectuer à l’adresse mémoire pointée par TABLPTR. Par opposition à la précédente, il s’agit ici d’écrire des données à l’emplacement mémoire pointé. Le payload est ici constitué des données à inscrire. L’adresse mémoire pointant vers un octet, soit 8 bits, le payload de 16 bits contient en fait deux fois l’octet à écrire, probablement pour vérifier de manière simpliste l’intégrité des données transmises – i.e. vérifier que toute la donnée à inscrire a bien été transmise et n’a donc pas été perdue ou corrompue.

Les autres commandes sont des variantes des deux dernières présentées avec, par exemple, la possibilité d’incrémenter le pointeur directement pour qu’il pointe vers l’adresse suivante ou de démarrer la programmation suite à l’écriture. Nous les verrons plus en détail au fil des articles traitant des différentes étapes de la programmation.

Et ensuite ?

Toute cette présentation est censée poser les bases du programmateur et vous donner les informations élémentaires pour comprendre la suite. Le prochain article, à paraître fin février 2017, traitera de la première procédure du processus, à savoir l’effacement de la mémoire du microcontrôleur.

Sur ce je vous laisse et vous dis à bientôt.

Nicolas SAN AGUSTIN

Sources :

Copyright Nicolas SAN AGUSTIN 2018
Tech Nerd theme designed by Siteturner