Прошивка и программирование ATtiny84 / ATtiny44 при помощи Arduino
Все мы знаем микроконтроллер Arduino, но не многие знают, что есть более дешевые микроконтроллеры, которые продаются без “обвески” а просто микросхемой. Но такие контроллеры потребляют гораздо меньше энергии и их может хватать вполне для определенных нужд. В этой же статье мы и рассмотрим ATtiny84.
Микроконтроллер ATtiny84 выглядит следующим образом:
Его можно приобрести в во многих магазинах электронных компонентов, но он также есть и на Aliexpress: http://ali.pub/2uqzgp
Распиновка данной микросхемы выглядит таким образом:
В данной схеме все очень подробно показано. Думаю не стоит объяснять сколько в данной плате пинов ввода-вывода и какой у нее потенциал.
Ну чтож давайте перейдем к программированию данного контроллера. Программировать будем с помощью arduino uno, точно также как программировали attiny13 в данной статье тут.
Чтоб запрограммировать Attiny84 или Attiny84a не важно они одинаково программируются. Нужно подключить микроконтроллер к Arduino таким образом:
Программируется Attiny84 как видно из схемы по тем же 6 пинам что и Attiny13. Конденсатор в данной схеме не обязателен, но его рекомендуют, я программирую без него.
Для программирования через Arduino, в саму плату Arduino должен быть залит скетч ArduinoISP который берется из стандартных примеров.
Все, теперь для заливки любого скетча нужно выбирать вот такие параметры, как показаны на картинке:
После всех данных манипуляций и выбора правильных параметров в вкладке инструменты, у нас все должно загрузиться без проблем.
Вот пример Blink для демонстрации.
Вот схема подключения к данному скетчу. Заместо ардуино можно использовать любой источник питания 5V.
Думаю теперь у Вас не должно возникнуть никаких проблем, если все же возникнут, не стесняйтесь пишите в комментариях обязательно помогу.
Прошиваем AVR вручную
Картинка для привлечения внимания — xkcd
Представьте себе, что вы попали на необитаемый остров. И вам жизненно необходимо запрограммировать микроконтроллер. Зачем, спросите вы? Ну, допустим, чтобы починить аварийный радиомаяк, без которого шансы на спасение резко падают.
Радуясь, что еще не забыли курс ассемблера, вы кое-как написали программу палочкой на песке. Среди уцелевших вещей каким-то чудом оказалась распечатка документации на контроллер (хорошо, что вы еще не успели пустить её на растопку!), и программу удалось перевести в машинные коды. Осталась самая ерунда — прошить её в контроллер. Но в радиусе 500 километров нет ни одного программатора, не говоря уже о компьютерах. У вас только источник питания (батарея из картошки кокосов) и пара кусков провода.
Как же прошить МК фактически голыми руками?
В качестве подопытного будет выступать МК ATtiny13 фирмы Atmel. Описанная методика работает практически с любым контроллером семейства AVR, разве что коды команд могут незначительно отличаться.
Интерфейс
Для своего же удобства можно добавить индикацию входных сигналов. Схема усложняется, но не чрезмерно:
Рис. 2. Схема с индикацией сигналов.
Защита от дребезга
К сожалению, просто используя кнопки для формированя сигналов SPI, хорошего результата мы не добьёмся. Причина этого — в неприятном явлении, которое называется дребезг контактов. При замыкании механические контакты соударяются, отскакивают друг от друга, и вместо одного импульса получается несколько. Для подавления дребезга придется собрать простую схему из пары логических элементов:
Рис. 3. RS-триггер для подавления дребезга.
Это RS-триггер, который переключается в состояние «1» в момент замыкания нижнего контакта переключателя и игнорирует остальные импульсы дребезга. Сброс триггера обратно в «0» происходит при замыкании верхнего контакта, то есть при отпускании кнопки.
«Ишь, разбежался!» — скажет читатель, — «Я же на необитаемом острове сижу. Где я тут возьму триггеры?» Хорошо, можно избавиться от дребезга и без электронных схем. Нужно только заменить «сухой» контакт на мокрый жидкостный. Выключателем будут служить два электрода, опускаемые в проводящую жидкость.
Сигналы MOSI и RESET не требуют подавления дребезга, в отличие от SCK: здесь значение имеет только уровень сигнала в момент выборки, а не его фронты.
Как работает SPI
Рис. 4. Временная диаграмма работы SPI.
SPI является синхронным интерфейсом: все операции синхронизированы фронтами тактового сигнала (SCK), который вырабатывается ведущим устройством. Максимальная скорость передачи ограничена величиной 1/4 тактовой частоты контроллера. На минимальную же скорость нет никаких ограничений: без тактового сигнала обмен данными «замораживается», и интерфейс может оставаться в статическом состоянии сколь угодно долго.
Передача по SPI осуществляется в полнодуплексном режиме, по одному биту за такт в каждую сторону. По возрастающему фронту сигнала SCK ведомое устройство считывает очередной бит с линии MOSI, а по спадающему — выдает следующий бит на линию MISO. Все внимание на рисунок 4.
Протокол прошивки
Включение режима программирования
Режим программирования включается подачей «0» на ногу RESET. Но есть некоторые тонкости. Atmel рекомендует сначала выставить на выводах RESET и SCK низкий уровень, а только потом подавать на контроллер питание. Если такой возможности нет, нужно после включения питания подать «0» на SCK, а затем положительный импульс на RESET:
Рис. 5. Перевод МК в режим программирования.
Но и это еще не все. Далее нужно передать команду на собственно включение режима программирования: 10101100 01010011 xxxxxxxx xxxxxxxx
Рис. 6. Команда «Program Enable».
Биты, обозначенные как x, могут быть любыми. Во время передачи третьего байта контроллер должен переслать обратно второй байт (01010011). Если это произошло, значит, все хорошо, команда принята, контроллер ждет дальнейших инструкций. Если ответ отличается, нужно перезагрузить МК и попробовать все сначала.
Проверка идентификатора
Рис. 7. Команда «Read Signature Byte».
Прежде чем что-либо писать в память МК, нужно убедиться, что перед нами именно та модель, которая нужна. Каждая модель контроллера имеет свой трехбайтный идентификатор (Signature). Прочитать его можно командами вида
00110000 000xxxxx xxxxxxbb xxxxxxxx
Вместо bb (третий байт команды) следует подставить 00 для первого байта идентификатора, 01 — для второго и 10 — для третьего. Соответствующий байт идентификатора будет передан контроллером при отправке 4-го байта команды.
Для ATtiny13 значение идентификатора равно 00011110 10010000 00000111 (0x1E 90 07).
Очистка контроллера
Рис. 8. Команда «Chip Erase».
Следующим шагом будет очистка памяти МК, которая осуществляется посылкой команды «Chip Erase»
10101100 100xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
Этой командой выполняется стирание содержимого Flash и EEPROM (все ячейки будут содержать FF), а также снятие lock-битов, если они установлены.
Запись во flash-память
Память программ (Flash) в ATtiny13 состоит из 512 двухбайтных слов (1К байт). Адрес слова имеет разрядность 9 бит. Flash-память разделена на страницы, каждая страница имеет размер 16 слов (всего получается 32 страницы). Запись во flash осуществляется в два этапа.
Сначала необходимо загрузить данные в буфер страницы, для этого используется команда «Load Program Memory Page»
01000000 000xxxxx xxxxbbbb iiiiiiii — для загрузки младшего байта слова, и 01001000 000xxxxx xxxxbbbb iiiiiiii — для загрузки старшего.
4 младших бита 3-го байта команды bbbb — адрес слова на странице, iiiiiiii — загружаемый байт. Сначала всегда должен загружаться младший байт слова, а затем — старший байт того же слова.
Рис. 9. Команда «Load Program Memory Page».
После того, как буфер страницы загружен, нужно выполнить команду «Write Program Memory Page» 01001100 0000000a bbbbxxxx xxxxxxxx для записи страницы непосредственно в память контроллера.
Младший бит второго байта и старшие 4 бита третьего a:bbbb — пятибитный номер страницы для записи.
Рис. 10. Команда «Write Program Memory Page».
Все это выглядит довольно запутанно, но ничего сложного нет. Адрес любого байта памяти программ состоит из 10 бит: ppppp:bbbb:w, где
ppppp — номер страницы (используется в команде «Write Program Memory Page»);
bbbb — адрес слова на странице (в команде «Load Program Memory Page»);
w — бит, определяющий старший или младший байт в слове (зашифрован в первом байте команды «Load Program Memory Page»).
Чтение flash
Рис. 11. Команда «Read Program Memory».
После записи прошивки в МК неплохо бы проверить записанное, так как никакой проверки целостности данных не выполнялось. Единственный способ проверки состоит в том, чтобы прочитать весь объем flash-памяти и сравнить с оригиналом.
Читать память программ легче, чем писать в нее. Забудьте про страничную организацию, чтение выполняется побайтно. Команда «Read Program Memory» выглядит так:
00100000 0000000a bbbbbbbb xxxxxxxx — для чтения младшего байта слова, и 00101000 0000000a bbbbbbbb xxxxxxxx — для старшего.
Младший бит второго байта и весь третий байт a:bbbbbbbb — адрес слова в памяти. Прочитанный байт возвращается во время передачи 4-го байта команды.
Завершение программирования
Пожалуй, самая простая операция. Чтобы завершить программирование и перевести МК в рабочий режим, достаточно подать на RESET логический уровень «1». Контроллер запустится и будет работать по новой программе.
Практика
Настало время воспользоваться полученными знаниями на практике. Жертва эксперимента — ATtiny13 — воткнут в макетную плату, рядом собран формирователь сигналов, всё готово: 
Рис. 12. Экспериментальная схема.
Шить будем программу вида «проще некуда»:
Всё, что она делает — это выдает единицу на ногу PB1 и уходит в бесконечный цикл. В машинных кодах она занимает всего четыре слова:
Для прошивки её в контроллер необходимо набрать следующие команды:
Ключ на старт, поехали!
Всего 425 нажатий, и МК оживает. Теперь вас точно найдут и спасут с этого проклятого острова.
Работа с голым камнем, ATtiny
| МК/spec | ATmega328 | ATtiny85 | ATtiny13 |
| Flash | 32k | 8k | 1k |
| SRAM | 2k | 512b | 64b |
| EEPROM | 1k | 512b | 64b |
| Цифр. Ног | 23 | 6 | 6 |
| Аналог. Ног | 8 | 4 | 4 |
| Таймеры | 3 | 2 | 1 |
| SPI | + | + | – |
| UART | + | – | – |
| I2C | + | + | – |
| Цена | 95р | 70р | 20р |
Примечание: большинство функций объединены на одних и тех же пинах. Как вы можете видеть, чем дешевле МК, тем меньше у него возможностей. Полное подробное сравнение можно глянуть здесь.
UART и ISP
Для подключения прошиваторов к голому чипу нам нужно будет изучить распиновку (pinout) на нужный микроконтроллер. Распиновки бывают цветные и красивые (часто с ошибками), а бывают более серьёзные и правильные. Лучше всего открыть даташит на нужный МК и на второй же странице найти 100% правильную распиновку. Например для ATmega328, ATtiny85 и ATtiny13:
На данных “схемах” подписаны все функции пинов МК. Чтобы загрузить прошивку через USB-TTL, то есть при помощи “живущего в памяти” загрузчика (bootloader), МК должен иметь на борту аппаратный UART, то есть пины RX и TX. Если таких пинов нет – прошивку можно загрузить только через ISP программатор. Вы спросите, а как же Digispark? Там стоит МК ATtiny85, у которого нет UART, но прошивка загружается через USB! Верно, но там хитрые разработчики сделали не менее хитрый загрузчик, который имитирует USB, и прошивка на Digispark загружается при помощи специальной программы, которая запускается в фоне, когда вы нажимаете кнопку “Загрузить” в Arduino IDE. Резюмируя для общего случая:
Подключение программатора
Программатор, или Ардуину в качестве программатора, подключить очень просто. Смотрим распиновку и подключаем:
Например ATmega328p подключаем к USB ASP (обсуждали в прошлом уроке) 6-пин вот так: 
Примечание: да, другие компоненты не нужны. Новый (из магазина) МК тактируется от внутреннего генератора на 8 МГц и может без проблем прошиваться прямо так как на схеме выше. Тиньки к тому же USB ASP подключаются так: 
Для удобства я использую макетку-дигиспарк, на которой разведены пины как раз под ISP 6-пин хэдер: втыкается выпирающим “ключом” в сторону МК. В плате выведены 8 пинов, нам нужны верхние 6 (на фото видно не запаянные пины ниже штекера). Купить можно тут. 
Также можно прошивать МК через Arduino (Arduino as ISP, обсуждали в прошлом уроке). Схема для ATtiny85: Примечание: конденсатор нужен обязательно! Подключили. Что дальше? Дальше мы уже можем работать с фьюзами через программу avrdudeprog (обсуждали в прошлом уроке), выбрав в списке соответствующий программатор и в списке МК – соответствующий МК. Также через эту программу можно загрузить скомпилированный “бинарник” – файл прошивки. Но нас всё-таки интересует работа через Arduino IDE.
Ставим “ядро”
Для того, чтобы работать с Attiny через Arduino IDE, нам нужно установить так называемое ядро, или как оно называется в самой IDE – плату. Для ATmega328 у нас уже есть стандартное ядро, например плата Arduino NANO. Но тут есть нюанс: внутренние настройки “платы” NANO рассчитаны на работу с загрузчиком (bootloader) и с внешним тактированием 16 Мгц, то есть лучше не рисковать и установить ядро, которое поддерживает работу без загрузчика и с возможностью выбора частоты, чтобы иметь полный контроль над платой. Могу посоветовать вот эти:
Программирование
Итак, что же даёт нам ядро помимо выбора настроек МК? Можно программировать МК всё теми же командами, что и раньше! Мигать светодиодами через digitalWrite, измерять напряжение через analogRead и прочее прочее. Давайте напишем классический Blink:
PB3 – это номер пина, прямо как на распиновке. Всё! Осталось загрузить прошивку. Для этого нажимаем Скетч/Загрузить через программатор: Я подключил светодиод через резистор на 220 Ом и он мигает два раза в секунду, всё как написано. Что следует помнить при работе с тиньками: у них мало памяти, а все вот эти Ардуино-функции являются кошмаром индуса и занимают очень много места в памяти. Если тини85 ещё как-то переживёт такие издевательства и сможет уместить в себе вполне интересный проект из Ардуино-функций, то в тини13 уже сложно уместить что-то серьёзное. Напомню: всего 64 байта оперативной памяти и 1 кб флэша!
Я думаю вы поняли, что в целом работа с голыми МК не особо то и отличается от работы с обычной платой Arduino, и теперь можно переходить к сложным самоделкам на базе своей платы, в центре которой будет стоять микроконтроллер. Давайте поделюсь парой советов по минимальной обвязке.
Проект на голом МК
Зачем делать проект на своей плате и голом микроконтроллере?
Итак, я на личном опыте убедился, что МК способен работать вообще без какой-либо обвязки. Это был проект “Читалка файлов с SD карты” на базе ATmega328. Проект достаточно непростой: МК читал текстовые файлы с карты памяти microSD и выводил их на OLED дисплей. Никаких лишних компонентов на плате нет, МК тактируется от внутренних 8 МГц и всё работает отлично. Даже карта памяти подключена напрямую к МК =) Но в надёжных устройствах делать так не рекомендуется! Минимальная обвязка для МК и полезные советы:
Соединять все ноги питания (GND, VCC) максимально толстыми и короткими дорожками между собой:
Поставить керамический конденсатор
100 нФ/nF (0.1 мкФ/uF) по питанию МК: между VCC и GND для сглаживания микропульсаций напряжения
Если нужна кнопка сброса (reset), подключаем её к RST и GND, т.е. кнопка должна подать на RST низкий сигнал. Внутри МК уже присутствует подтягивающий резистор на пин RST
Если нужен внешний тактовый генератор – подключаем его между пинами XTAL1 и XTAL2 (см. распиновку своего МК), и оба пина подключаем к GND через керамические конденсаторы на 18-22 pF/пФ. Более точный номинал конденсатора можно узнать из даташита на генератор, но в 99% это 22 пФ
Если нужна удобная прошивка по ISP – выводим штекер для подключения. Вот тут можно открыть мой модуль такого штекера для EasyEDA
Если нужна прошивка по UART – выводим RX, TX, GND. Для автоматического сброса МК перед началом прошивки у USB-TTL преобразователя должен быть выведен пин DTR. Его подключаем к RST через конденсатор на 0.1 мкФ. Также подключаем, VCC если нужно запитать МК от UART преобразователя. Прошивать можно любым USB-TTL преобразователем с выходом DTR. В показанной схеме подключение к преобразователю будет RX->TX, TX->RX!
Я думаю теперь вы готовы к созданию проекта на своей плате!
Перенос МК с Arduino на свою плату
Напомню, что источник тактирования играет важную роль при загрузке прошивки. Микроконтроллер может быть настроен на тактирование от внутреннего генератора на 8 МГц, либо на тактирование от внешнего.
Это же касается переноса микроконтроллера с платы Ардуино на свою плату: на Ардуино стоит кварц. Если на вашей плате есть кварц для МК – всё будет работать сразу. Если на вашей плате нет кварца – перепаянный с Ардуино МК не будет работать и прошиваться. Для переноса МК с платы Ардуино на свою плату (без кварца) нужно настроить МК на внутреннее тактирование, об этом мы говорили в прошлом уроке. Для этого нужно подключить к плате программатор (USB-ASP или Arduino as ASP) и прошить фьюзы
