Что такое фьюзы в микроконтроллере avr

Фьюзы микроконтроллеров AVR – как и с чем их едят

Что же такое FUSE биты? Слова вроде бы знакомые, но многие толком и не знают их предназначение, ставят галочки и прошивают, работает устройство да и ладно. Я вам хочу рассказать немного про эти FUSE биты.

FUSE биты (фьюзы) – ну если по простому, то они настраивают определенные параметры микроконтроллеров, это некий инструмент для их тонкой настройки Фьюзы включают или настраивают такие параметры как:
— частота генератора, внешний или внутренний генератор
— запрет на чтение прошивки микроконтроллера
— включение или выключение таймеров
— деление частоты кварцевого генератора
— защита EEPROOM от стирания
…и так далее. У каждого микроконтроллера выставляются свои фьюзы, у разных микроконтроллеров разный список фьюзов, например в ATmega8 нет фьюза CKOUT, но он присутствует в ATtiny2313. В даташитах к микроконтроллерам все эти фьюзы расписаны.

Главное правило при работе с фьюзами – не торопиться их выставлять, если вы точно не уверены в правильности своих действий.

Теперь распишем названия некоторых фьюзов, их обозначения и то, на что они влияют. Вообще, есть фьюзы для защиты программы от копирования (лок-биты), фьюзы, устанавливающие определенные функции, а так же так называемые «старшие» и «младшие» байты. Самый популярный фьюз, который выставляется практически всегда, это:

20пф одним концом на кварц, другим на минус. Если допустить ошибку при установке этих фьюзов, то микроконтроллер может «заблокироваться» для того чтобы восстановить контроллер, подают тактовый сигнал на ногу XTAL1, на данный момент придумано не мало схем для восстановления контроллеров, залоченных таким образом. Этот генератор можно сделать практически из любой логики или даже из таймера 555.

Есть простые схемы, с использованием 1 транзистора, пары резисторов и кварцевого резонатора, и более сложные, на микросхемах типа К155ЛА3. Данные способы 100% оживляют контроллеры с таким дефектом

Группа фьюзов SUT1 и SUT0 — fuse биты, управляющие режимом запуска тактовых генераторов МК, а так же задают скорость старта МК после подачи питания. Связаны с фьюзами CKSEL, а именно CKSEL0.

RSTDISBL – очень опасный фьюз, ошибочная установка может отключить вывод RESET, после чего пропадет возможность программирования ISP программатором. Бит RSTDISBL превращает вывод RESET в порт ввода-вывода.

SPIEN – фьюз, который разрешает работу МК по интерфейсу SPI. Все микроконтроллеры выпускаются с уже установленным битом SPIEN. Считается опасным фьюзом.

BOOTRST, определяет адрес, с которого и будет начато исполнение программы. Если бит установлен т.е. если BOOTRST = 0, то начало программы будет с адреса области загрузчика (Boot Loader).

OCDEN – данный фьюз разрешает или запрещает чтение программы из памяти контроллера.

Я как то упоминал в своих статьях про то, что в некоторых программах фьюзы выставляются зеркально. Запомните, запрограммированный фьюз=0 , а не запрограммированный=1. В программах Algorithm Builder, UniProf фьюзы выставляются одним образом, а в программах PonyProg, CodeVisionAVR, AVR Studio, SinaProg и некоторых других, фьюзы нужно выставлять зеркально по сравнению с предыдущим списком программ.

Уже давно на просторах Интернета появились так называемые «калькуляторы фьюзов», это специальные приложения, призванные помочь в конфигурировании микроконтроллера. Приложение интуитивно понятное, думаю разберетесь, в списке контроллеров выбираем нужный нам МК, далее выбираем необходимые функции, а ниже выставляются галочки фьюзов, все очень просто.

Данные приложения очень удобны, т.к. например в последнее время очень часто авторы своих проектов значения фьюзов пишут непонятными буквами или цифрами, или же словами, новичку не понятно, что это значит и какие фьюзы при этом нужно выставлять, (часто можно встретить комментарий к статье «а какие фьюзы выставлять?»). Калькулятор фьюзов нам в этом плане очень сильно помогает.

Думаю что теперь, если у вас спросят «что такое фьюзы, и зачем они нужны?», вы сможете объяснить человеку их назначение, а пока, на этом все!

Источник

Что такое фьюзы (Fuse Bits) в ATmega328P и как их использовать в Arduino

В этой статье мы рассмотрим что такое фьюзы (Fuse Bits) в платах Arduino и как их можно использовать для повышения эффективности программ для данной платформы. Если говорить точнее, то понятие фьюзы следует соотносить не с платами Arduino, а с микроконтроллерами семейства AVR, которые являются «сердцем» данных плат.

Фьюзы в микроконтроллерах семейства AVR представляют собой специальные биты конфигурации (переключатели), изменяя которые (то есть устанавливая в них 0 или 1) мы можем изменять некоторые режимы работы микроконтроллера или использовать какие либо его специальные возможности, которые недоступны в его конфигурации «по умолчанию». Эти биты расположены в отдельном адресном пространстве, доступном только при программировании. Биты объединяются в конфигурационные байты и их состав зависит от конкретной модели микроконтроллера. Фьюзы есть во всех микроконтроллерах AVR, но в данной статье мы рассмотрим работу с ними на примере микроконтроллера ATmega328P поскольку он является одним из самых распространенных микроконтроллеров семейства AVR в связи с его использованием в платах Arduino.

Фьюзы (Fuse Bits) в микроконтроллерах AVR

Как мы уже рассмотрели, фьюзы (биты конфигурации) представляют собой «маленькие переключатели», изменяя которые можно управлять логикой работы микроконтроллера. Каким образом мы можем устанавливать или сбрасывать эти биты? Ответ на этот вопрос достаточно простой – это можно сделать с помощью специальных регистров (fuse registers).

В микроконтроллере ATmega328P имеется 19 фьюзов (битов), которые объединены в 3 байта (fuse bytes), которые называются конфигурационными байтами и включают в себя “Extended Fuse Bytes” (дополнительный байт), “High Fuse Byte” (старший байт) и “Low Fuse Byte” (младший байт).

uno.name=Arduino/Genuino Uno
.
uno.bootloader.low_fuses=0xFF
uno.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.bootloader.extended_fuses=0x05

Если вы посмотрите на таблицу 27 даташита на ATmega328P под номером 7810D–AVR–01/15, то в ней вы можете узнать много подробностей о работе фьюзов в данном микроконтроллере. На следующем рисунке вы можете посмотреть краткий (но достаточно важный) фрагмент из данной таблицы:

Далее последовательно рассмотрим состав конфигурационных байтов в микроконтроллерах семейства AVR.

Дополнительный конфигурационный байт (Extended Fuse Byte)

В следующей таблице показан состав дополнительного байта фьюзов (Extended Fuse Byte), который также называется “EFUSE”.

Как вы можете видеть из представленной таблицы, в этом байте используются всего 3 бита, а остальные биты зарезервированы.

Конфигурационные биты BODLEVEL определяют порог срабатывания схемы BOD (Brownout Detection level), которая следит за уровнем напряжения источника питания. Схема BOD (Brownout Detection) сбрасывает микроконтроллер когда напряжения питания падает ниже определенного уровня. Когда напряжение питания вновь увеличивается до заданного порогового значения (определяемого битами BODLEVEL), то сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера.

В следующей таблице представлены значения порога срабатывания схемы BOD в зависимости от значения битов BODLEVEL. Также в микроконтроллере ATmega328P можно полностью отключить работу схемы BOD с помощью указанных битов (комбинация битов 111).

Старший конфигурационный байт (High Fuse Byte)

В следующей таблице представлен состав старшего конфигурационного байта в микроконтроллере ATmega328P.

Биты BOOTRST, BOOTSZ0 и BOOTSZ1 в составе данного байта отвечают за размер Flash памяти микроконтроллера, резервируемой для загрузчика, и за положение вектора сброса.

Загрузчик (начальный загрузчик) – это специальная программа, которая выполняется в самом начале работы микроконтроллера и может решать различные задачи. В случае с платами Arduino данный загрузчик обеспечивает загрузку скетча (основной программы) в память микроконтроллера. По умолчанию для загрузчика резервируется максимальный размер – 2048 слов.

Бит BOOTRST определяет положение вектора сброса микроконтроллера. По умолчанию он указывает на адрес 0х0000.

Бит EESAVE определяет режим стирания энергонезависимой памяти EEPROM. Если в нем логический 0 (бит запрограммирован), то при команде «стирание кристалла» информация в памяти EEPROM сохраняется, если в нем логическая 1 – то содержимое EEPROM по указанной команде стирается.

Бит WDTON отвечает за работу сторожевого таймера (Watchdog Timer). Сторожевой таймер – это таймер, который работает отдельно от всех остальных таймеров микроконтроллера AVR. Если сторожевой таймер установлен, то вам будет необходимо его сбрасывать через определенный период, иначе данный таймер будет сбрасывать микроконтроллер. Если данный бит установлен в логический 0, то работу сторожевого таймера нельзя будет запретить из программы и при переполнении он будет автоматически подавать сигнал сброса на микроконтроллер.

Бит DWEN разрешает/запрещает работу отладочного интерфейса debugWire – это предварительный протокол, который «зашит» в железо микроконтроллера и используется для его программирования и отладки. Когда он установлен (enabled) вы можете загружать программу в микроконтроллер и производить ее отладку по одиночному проводнику. Но для этого необходимы специальные программно-аппаратные средства.

Оставшиеся два бита желательно оставить в «покое» до тех пор, пока вы точно не будете знать что они делают, иначе это может привести к тому, что микроконтроллер перестанет у вас корректно работать. Бит SPIEN разрешает/запрещает программирование микроконтроллера по интерфейсу SPI. По умолчанию он запрограммирован, то есть установлен в 0. Бит RSTDISBL запрещает/разрешает внешний сброс микроконтроллера. Отключать внешний сброс целесообразно только в моделях микроконтроллеров, имеющих очень малое количество выводов (в этом случае данный вывод можно будет задействовать для каких-нибудь других целей), во всех остальных случаях данный фьюз лучше не трогать.

Младший конфигурационный байт (Low Fuse Byte)

В следующей таблице представлен состав младшего конфигурационного байта в микроконтроллере ATmega328P.

Бит CKDIV8 в младшем конфигурационном байте ответственен за деление тактовой частоты на 8. Если он не запрограммирован (установлен в 1), то в регистре делителя будет значение «0000», если в данном бите установить 0, то в регистре будет значение «0011», благодаря чему тактовая частота будет делиться на 8. Однако независимо от значения бита CKDIV8 частоту делителя можно будет изменять в программе в любой момент времени.

Бит CKOUT отвечает за вывод тактовой частоты «наружу» микроконтроллера, на контакт CLK0 (цифровой контакт 8 в плате Arduino Uno). Если он запрограммирован (установлен в 0), то сигнал тактовой частоты выводится наружу – это может быть полезно в случаях когда тактовая частота используется другими периферийными устройствами. При использовании делителя системной частоты на вывод CLK0 также выводится пониженная частота.

Конфигурационные биты SUT1 и SUT0 совместно с битами CKSEL устанавливают длительность задержки при включении (старте) микроконтроллера и выбор типа осциллятора (керамический или встроенный в кристалл). Задержка нужна для того, чтобы источник тактовой частоты после подачи питания стабилизировал свою работу и вошел в рабочий режим. Величина задержки может составлять от 0 до 65 мс. Возможные значения этих битов и соответствующие устанавливаемые ими параметры приведены в следующей таблице.

Биты CKSEL0 – 4 отвечают за выбор источника тактового сигнала. В представленной на следующем рисунке таблице приведены возможные значения этих битов и соответствующие этим значениям источники тактового сигнала. В следующей таблице приведены источники тактового сигнала, поддерживаемые микроконтроллером ATmega328P, и соответствующие им значения битов CKSEL.

С составом фьюзов разобрались, теперь перейдем к способам их чтения и изменения.

Чтение фьюзов в Arduino

Для того, чтобы прочитать фьюзы в плате Arduino, нам понадобится программа под названием Avrdude. Данная программа используется для чтения, записи и модифицирования памяти в микроконтроллерах AVR. Она работает по интерфейсу SPI и поддерживает широкий список программаторов. На нашем сайте есть достаточно подробная статья по программе Avrdude, можете ознакомиться при желании, ее свежую версию вы можете скачать по следующей ссылке:

После того, как вы скачали эту программу, вы должны извлечь ее из архива и открыть окно команд Windows в этой папке. После этого подключите программатор USBasp к вашему компьютеру, убедитесь в том, что на вашем компьютере установлен правильный драйвер для программатора USBasp. После этого вы получите возможность чтения фьюзов в плате Arduino. Для этого выполните следующую команду:

Если все прошло нормально, эта команда прочитает байты фьюзов (fuse bytes) и поместит их в три раздельных текстовых файла. На следующем рисунке показан общий ход этого процесса.

Как видно из представленного рисунка, программа Avrdude считала фьюзы из платы Arduino Nano и поместила их в три отдельных текстовых файла. Если вы откроете эти файлы, то вы увидите считанные значения фьюзов: EFUSE – 0xFD, HFUSE – 0XDA, LFUSE – 0xFF. Это и есть значения фьюзов по умолчанию в плате Arduino Nano

Теперь, когда мы знаем значения фьюзов по умолчанию в плате Arduino, мы можем сравнить со значениями фьюзов по умолчанию в в микроконтроллере ATmega328P

Исходное состояние фьюзов в микроконтроллере ATmega328P и в плате Arduino

Сравнение значений конфигурационных байтов микроконтроллера ATmega328P и платы Arduino представлено в трех следующих таблицах.

Начальное состояние микроконтроллеров ATmega328/P, в котором они поставляются с завода, является следующим: микроконтроллер сконфигурирован на работу с внутренним RC генератором на 8МГц, при этом прошитый бит CKDIV8 обеспечивает деление частоты генератора на 8; внешний сброс (по низкому уровню на выводе Reset) не запрещен; разрешено программирование по интерфейсу SPI; для загрузчика отведена область памяти 2048 слов; стартовый адрес программы 0x0000; схема контроля питания отключена.

В плате Arduino Uno фьюзы микроконтроллера изменены таким образом, чтобы он был настроен на работу с экономичным кварцевым генератором без делителя частоты; для загрузчика отводится 256 слов; прошитый бит BOOTRST назначает стартовым адресом адреса начала секции загрузчика; порог срабатывания схемы BOD составляет 2.7В.

Теперь рассмотрим процесс изменения фьюзов в плате Arduino (микроконтроллере AVR).

Необходимые компоненты

Для чтения/изменения фьюзов в микроконтроллере AVR нам будут необходимы следующие компоненты:

Внешний вид этих компонентов показан на следующем рисунке.

Схема проекта

Схема для чтения/изменения фьюзов в микроконтроллере AVR представлена на следующем рисунке.

Мы подключили плату Arduino Nano к компьютеру с помощью USB кабеля, также к компьютеру мы подключили программатор USBasp. Но нашей целью является программирование/изменение фьюзов в микроконтроллере AVR. Для этого мы подключили программатор USBasp к плате Arduino.

Внешний вид получившейся у нас конструкции показан на следующем рисунке:

Как вы видите из рисунка, к нашему ноутбуку подключена и плата Arduino, и программатор USBasp.

Программирование/изменение фьюзов в микроконтроллере AVR

Откройте Arduino IDE и загрузите в плату Arduino базовый скетч для мигания светодиодом (basic blink sketch).

Вы увидите, что встроенный в плату Arduino светодиод (подключенный к ее контакту 13) начнет мигать. Более подробно все эти процессы вы можете посмотреть в видео, приведенном в конце статьи. Теперь давайте попоробуем изменить фьюзы и посмотрим что произойдет. Как мы уже выяснили ранее, по умолчанию значения фьюзов в плате Arduino следующие: EFUSE – 0XFF, HFUSE – D9, LFUSE – 62. Изменим их с помощью Avrdude, для этого выполним следующую команду:

После выполнения этой команды вы увидите что скорость мигания светодиода станет значительно меньше. Дело в том, что по умолчанию частота мигания светодиода определялась частотой внешнего кварцевого генератора (16 МГц), теперь же, после изменения фьюзов, она определяется частотой внутреннего RC генератора (1 МГц). Поэтому и светодиод теперь будет мигать значительно медленнее.

Но, поскольку мы изменили фьюзы, мы изменили и настройки загрузчика. Вы можете увидеть это на следующем рисунке:

После этого светодиод на плате станет снова мигать с прежней частотой.

Видео, демонстрирующее работу проекта

Источник