Самопрограммирование под управлением программы загрузчика

Чтение и запись EEPROM и Flash-памяти можно выполнять программно. Данная возможность называется самопрограммированием. Программа загрузчика (хранится в загрузочном секторе Flash-памяти) имеет возможность чтения и записи Flash-памяти программ, сигнатурного кода пользователя и EEPROM, а также записи Lock-бит, но только в направлении усиления защиты. Код программы, хранящийся в секторе прикладной программы, имеет возможность чтения Flash-памяти, сигнатурного кода пользователя, калибровочных данных и Fuse-бит, а также чтения и записи EEPROM.

Программирование Flash-памяти

Программа загрузчика для загрузки и обновления коды программы самим микроконтроллером использует механизм самопрограммирования с истинной поддержкой чтения во время записи. Данная возможность позволяет реализовать функцию гибкого обновления прикладной программы под управлением программы загрузчика, расположенной в загрузочном секторе Flash-памяти. Программа загрузчика для передачи кода программы может использовать любой из доступных интерфейсов. Она имеет возможности записи любого сектора Flash-памяти, в т.ч. загрузочного сектора. Это означает, что программа загрузчика способна обновить или стереть сама себя, если в ней более нет потребности.

Сектор прикладной программы и загрузочный сектор

При использовании самопрограммирования необходимо учитывать, что сектор прикладной программы и загрузочный сектор имеют некоторые отличия. Сектор прикладной программы относится к типу RWW, т.е. поддерживает чтение во время записи, а загрузочный сектор относится к типу NRWW. т.е. не поддерживает чтение во время записи. Здесь под чтением во время записи понимается возможность чтения именно загрузочного сектора, т.к. только из него можно инициировать самопрограммирование секторов Flash-памяти. Сможет ЦПУ исполнять код программы или приостановит свою работу в процессе обновления программы загрузчиком, зависит от адреса Flash-памяти, по которому выполняется программирование.

· Во время стирания или записи страницы, расположенной внутри сектора прикладной программы (RWW), возможность чтения загрузочного сектора (NRWW) сохраняется. Это означает, что ЦПУ может работать и исполнять код программы из загрузочного сектора (NRWW).

· Во время стирания или записи страницы, расположенной внутри загрузочного сектора (NRWW), ЦПУ приостанавливается на время выполнения всей операции и код программы не может исполняться.

Сектор сигнатурного кода пользователя относится к типу NRWW, таким образом, его стирание или запись имеет особенности, идентичные загрузочному сектору.

При написании программы необходимо исключить доступ к сектору прикладной программы в процессе выполняющегося программирования. Это позволит избежать приостановки ЦПУ. Программа пользователя не может считывать данные, расположенные в секторе прикладной программы, в процессе работы программы загрузчика.

Таблица 30.1. Обзор возможностей секторов типа RWW и NRWW

Сектор, адресованный Z-указателем во время программирования	Сектор, в котором сохраняется возможность чтения в процессе программирования	Состояние ЦПУ	Поддержка чтения во время записи
Сектор прикладной программы (RWW)	Загрузочный сектор (NRWW)	Работает	Есть
Загрузочный сектор (NRWW)	Нет	Остановлен	Нет
Сектор сигнатурного кода пользователя (NRWW)	Нет	Остановлен	Нет

Рисунок 30.1. Сравнение секторов типов RWW и NRWW

Адресация Flash-памяти

Адрес Flash-памяти как при чтении, так и при записи, задается через Z-указатель. Он образован двумя регистрами регистрового файла, ZL и ZH. У МК с объемом Flash-памяти более 64 кбайт указатель адреса дополняется регистром RAMPZ. Более детально о Z-указателе см. в 3.9.1 "X-, Y- и Z- регистры".

Поскольку доступ к Flash-памяти выполняется путем постраничной записи Z-указатель можно разделить на два битовых поля. Младшие биты указателя адресуют слова в пределах страницы, а старшие биты адресуют страницы в пределах Flash-памяти. Это показано на рисунке 30.2. Адрес слова в странице (FWORD) представлен битами [WORDMSB:1] Z-указателя. Оставшиеся биты [PAGEMSB:WORDMSB+1] Z-указателя хранят адрес страницы Flash-памяти (FPAGE). Совместно FWORD и FPAGE задают абсолютный адрес слова Flash-памяти.

При выполнении одной операции чтения Flash-памяти (ELPM и LMP) возвращается один байт. Является этот байт младшим или старшим байтом слова зависит от значения младшего бита (бит 0) Z-указателя. Если он равен нулю, считывается младший байт, а если единице - старший байт.

Размер битовых полей FWORD и FPAGE зависит от размера страницы и flash-памяти микроконтроллера. Узнать эти значения можно в документации на микроконтроллер.

Как только запускается программирование, выполняется фиксация адреса, после чего можно изменить значение Z-указателя и использовать его по другому назначению.

Рисунок 30.2. Адресация Flash-памяти при самопрограммировании

NVM-команды Flash-памяти

В таблице 30.1 представлены NVM-команды, которые можно использовать для доступа к Flash-памяти программ, сигнатурному коду и калибровочным данным. Когда используется самопрограммирование, команды с запуском по действию исполняются после установки бита CMDEX в регистре CTRLA NVM-контроллера. Команды с запуском по чтению исполняются, когда ЦПУ исполняет инструкцию (E)LPM. Наконец, команды с запуском по записи исполняются, когда ЦПУ выполняет инструкцию SPM (SPM).

В столбце "Защита от изменения" указывается, защищен запуск инструкции механизмом защиты от изменения конфигурации (CCP) или нет. Если запуск защищен, то необходимо придерживаться определенной и строго привязанной ко времени последовательности. Более детально об этом см. в 3.14.1 "CCP - регистр защиты от изменения конфигурации". В двух последних столбцах приведены данные о том, используется ли для адресации указатель адреса и какой регистр выступает в роли источника/назначения.

Алгоритм работы каждой команды более детально рассматривается в подразделах 30.11.1.1…30.11.2.14.

 

Таблица 30.2. Команды самопрограммирования Flash-памяти

CMD[6:0]	Групповая конфигурация	Описание	Запуск	Останов ЦПУ	Занятость NVM	Защита от изменения	Указатель адреса	Регистр данных
0x00	NO_OPERATION	Нет операции/чтение Flash-памяти	-/(E)LPM	-/Нет	Нет	-/Нет	-/Z-указатель	-/Rd
Страничный буфер Flash-памяти
0x23	LOAD_FLASH_BUFFER	Загрузка страничного буфера Flash-памяти	SPM	Нет	Нет	Нет	Z-указатель	R1:R0
0x26	ERASE_FLASH_BUFFER	Стирание страничного буфера Flash-памяти	CMDEX	Нет	Занят	Есть	Z-указатель	-
Flash-память
0x2B	ERASE_FLASH_PAGE	Стирание страницы Flash-памяти	SPM	Нет/Есть(2)	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x2E	WRITE_FLASH_PAGE	Запись страницы Flash-памяти	SPM	Нет/Есть(2)	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x2F	ERASE_WRITE_FLASH_PAGE	Стирание и запись страницы Flash-памяти	SPM	Нет/Есть(2)	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x3A	FLASH_RANGE_CRC(3)	Вычисление CRC для диапазона Flash-памяти	CMDEX	Есть	Занят	Есть	DATA/ ADDR(1)	DATA
Сектор прикладной программы
0x20	ERASE_APP	Стирание сектора прикладной программы	SPM	Есть	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x22	ERASE_APP_PAGE	Стирание страницы сектора прикладной программы	SPM	Нет	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x24	WRITE_APP_PAGE	Запись страницы сектора прикладной программы	SPM	Нет	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x25	ERASE_WRITE_FLASH_PAGE	Стирание и запись страницы сектора прикладной программы	SPM	Нет	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x38	APP_CRC	Вычисление CRC сектора прикладной программы	CMDEX	Есть	Занят	Есть	-	DATA
Загрузочный сектор
0x2A	ERASE_BOOT_PAGE	Стирание страницы загрузочного сектора	SPM	Есть	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x2C	WRITE_BOOT_PAGE	Запись страницы загрузочного сектора	SPM	Есть	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x2D	ERASE_WRITE_BOOT_PAGE	Стирание и запись страницы загрузочного сектора	SPM	Есть	Занят	Есть	Z-указатель	-
0x39	BOOT_CRC	Вычисление CRC загрузочного сектора	CMDEX	Есть	Занят	Есть	-	DATA
Сигнатурный код пользователя
0x03	READ_USER_SIG_ROW	Чтение сигнатурного кода пользователя	LPM	Нет	Нет	Нет	Z-указатель	Rd
0x18	ERASE_USER_SIG_ROW	Стирание сигнатурного кода пользователя	SPM	Есть	Есть	Есть	-	-
0x1A	WRITE_USER_SIG_ROW	Запись сигнатурного кода пользователя	SPM	Есть	Есть	Есть	-	-
Калибровочные данные
0x02	READ_CALIB_ROW	Чтение калибровочных данных	LPM	Нет	Нет	Нет	Z-указатель	Rd

Прим.:

· Команда вычисления CRC для диапазона Flash-памяти использует побайтную адресацию Flash-памяти.

· В зависимости от того, какой сектор flash-памяти адресуется (прикладной программы или загрузочный).

· Данная команда связана с Lock-битами и требует, чтобы биты Boot Lock были незапрограммированными.

Чтение Flash-памяти

Инструкция (E)LPM предназначена для чтения одного байта из Flash-памяти.

· Запишите в Z-указатель адрес байта, подлежащего чтению.

· Запишите код команды NO_OPERATION в регистр команды энергонезависимой памяти (NVM CMD).

· Выполните инструкцию LPM.

Загрузка регистра назначения будет выполнена при выполнении инструкции LPM.