میکروکنترلر ARM را چطور پروگرام کنیم ؟

میکروکنترلر ARM یکی از محبوب ترین میکروکنترلر های موجود بازار ایران و حتی جهان است ، میکروکنترلر و پردازنده ای که گجت‌های الکترونیکی را متحول کرده است ؛ شرکت های زیادی دست به تولید میکروکنترلر خود با استفاده از معماری ARM زده اند ، شرکت های بزرگی چون TI یا NXP یا ST و…. ؛ اما چیزی که روشن است فراگیری میکروکنترلر های شرکت ST در ایران است که با نام STM32 شناخته می‌شود! قبلا در سیسوگ به آموزش نحوه برنامه نویسی میکروکنترلرهای STM32 پرداختیم. در این آموزش بررسی خواهیم کرد که از چه روش هایی میتوان میکروکنترلر ARM را برنامه ریزی (پروگرام) کرد. برای آموزش از میکروکنترلر STM32F103RET6 استفاده خواهیم کرد.

همانطور که می‌دانید ، چند راه برای پروگرام کردن میکروکنترلر ARM وجود دارد. راهی که بین همه خانواده های ARM مشترک است، استفاده از رابط Jtag یا SWD است ، رابط Jtag مقداری قدیمی است و در خانواده های ARM7 ، ARM9 معمولا مورد استفاده قرار می گیرد. Jtag یک رابط استاندارد است که جهت پروگرام و خطایابی چیپ های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد ؛ یکی از معایب موجود در رابط Jtag تعداد پایه مورد استفاده (6 پایه) است.

با توجه به رشد تکنولوژی و کوچک تر شدن چیپ ها و برد های الکترونیکی اختصاص این تعداد پایه برای برنامه ریزی میکروکنترلر مقداری نا معقول می‌شود ، پس در خانواده های جدید یعنی سری Cortex علاوه بر رابط Jtag به صورت موازی رابط دیگری به نام SWD تعبیه شد که قادر به پروگرام و دیباگ چیپ است. رابط SWD ، که در واقع مخفف عبارت serial wire debug است ، تنها نیاز به 2 پایه برای برنامه ریزی و پروگرام چیپ دارد.

البته همچنان رابط Jtag بر روی چیپ های جدید ، در دسترس است (مگر چیپ هایی که تعداد پایه لازم را نداشته باشند) ، یکی از مزایای Jtag ، اتصال چند چیپ به یک رابط است ، بدین شکل که اگر بر روی یک برد دو یا چند پردازنده قرار داشته باشد ، برای برنامه ریزی و دیباگ هر یک از آنها نیاز نیست یک رابط جداگانه در نظر گرفته شود و امکان اتصال سریال چند پردازنده به یک رابط Jtag فراهم است ، این امکان در ربط SWD در دسترس نیست.

به غیر از رابط های استاندارد توضیح داده شده ، شرکت های مختلف ، روش های ثانویه ای را در دسترس قرار داده اند ، به عنوان نمونه اغلب چیپ های تولید NXP و STM امکان برنامه ریزی شدن از طریق پورت سریال را دارا می باشد. یا میکروکنترلر های SAM محصول شرکت Atmel امکان برنامه ریزی از طریق USB را دارا می باشند.

در واقع شرکت های تولید کننده یک برنامه بوت لودر منحصر به خود را درون حافظه ای (غیر قابل پاک شدن) در چیپ بارگذاری کرده اند که با دستور العملی (توضیح داده شده در منوال چیپ) خاص توسط پردازنده فراخوانی و اجرا می شود ، بوت لودر موصوف این امکان را می دهد که بدون داشتن یک پروگرامر گران قیمت و با استفاده از یک رابط سریال ( Uart ) یا USB میکروکنترلر را برنامه ریزی کنید.

پروگرام کردن میکروکنترلر ARM از طریق رابط SWD

برای پروگرام کردن از طریق رابط SWD نیاز است که ابتدا پروگرامر مورد نظر این رابط را در اختیار داشته باشید. با استفاده از این رابط قادر خواهید بود علاوه بر پروگرام کردن برد ، برنامه نوشته شده را دیباگ نمایید.

تعداد پروگرامر هایی که رابط SWD را پشتیبانی می‌کنند زیاد هستند و به راحتی می‌توان از همه آنها استفاده کرد ، ولی آنچه عمومیت بیشتری بین کاربران ایرانی دارد ، پروگرامر J-Link محصول شرکت Segger است. پروگرامر J-Link در واقع یک پروگرامر حرفه ای می باشد که قادر به پشتیبانی طیف گسترده ای از پردازنده ها است و از رابط های Jtag و SWD به خوبی پشتیبانی می کند. این آموزش با استفاده از J-Link V8 و نرم افزار J-Flash V6.14 تهیه شده است و ممکن است در ورژن های دیگر سخت افزار و نرم افزار ، جزییات مقداری متفاوت باشند.

بخش اول اتصالات میکروکنترلر ARM

پروگرامر J-Link از یک استاندارد 20 سیمه برای میکروکنترلر ARM استفاده می کند در صورتی که ما برای رابط SWD یک کانکتور 5 سیمه داریم ، خوب همانطور که قبلا توضیح دادیم SWD یک رابط سریال است که نیازی به تعداد سیم زیاد ندارد و تنها با دو رشته سیم می تواند به درستی کار کند. برای شروع بهتر است پایه های مورد استفاده را بررسی کنیم

زمین اولین پایه مورد استفاده است که وجودش حتمی است ، پایه بعدی در واقع تغذیه میکروکنترلر است ، پروگرامر Segger برای پروگرام کردن نیاز دارد که ولتاژ کاری پردازنده را تشخیص دهد تا منطق درست را برای سطح سیگنال در نظر بگیرد (بین 1.8 تا 3.3  ولت) ؛ بعد از آن پایه Reset ، وجود این پایه الزامی نیست ، و می توان آن را متصل نکرد ولی اگر به دلیلی رابط SWD را غیر فعال کرده باشیم (مثلا ریمپ کردن پایه ها) ، تنها با استفاده از این پایه می توان مجددا رابط SWD را فعال کرد. دو پایه دیگر هم پایه های مربوط به خود رابط SWD است و باید به صورت یک یه یک متصل شوند.

اما کانکتور موجود روی پروگرامر J-Link یک کانکتور 20 پایه است ، اما چطور باید این دو کانکتور را به هم متصل نماییم ، خیلی ساده است ، در تصویر زیر نحوه اتصال را مشخص کرده ام:

پایه های مورد نیاز ، به رنگ نارنجی مشخص شده اند ، فقط دقت داشته باشید که پایه VCC باید به پایه 1 متصل باشد و پایه SWO ، مورد استفاده فرارنگرفته است.

نرم افزار J-Flash

برای استفاده از نرم افزار ، تنظیمات آن را گام به گام با توجه به عکس های زیر انجام می دهیم

ابتدا یک پروژه جدید تعریف میکنم

در پنجره باز شده نوع میکروکنترلر ARM را انتخاب میکنیم

در لیست باز شده ، ابتدا شرکت ST را انتخاب میکنیم

بعد در لیست زیرین به دنبال گزینه STM32F103RE بگردید و آن را انتخاب کنید

در پنجره پروژه ، نوع پروتکل را بر روی SWD قرار دهید و دکمه OK رو بزنید

در پنجره نرم افزار J-Flash منویی سمت چپ وجود دارد که توضیحات و تنظیمات مربوط به پروژه جاری را نمایش می دهد ، دقت داشته باشید که تنظیمات مربوطه مشابه تصویر زیر باشد

بعد از منوی فایل ، زیر منوی Open data File ، فایل Hex  موجود در فایل های پروژه را انتخاب کنید.

برای پروگرام کردن برنامه کافیه که کلید F6 روی کیبرد را فشار دهید یا از منوی Target زیر منوی Manual Programming را انتخاب و سپس گزینه Program & Verify را انتخاب کنید.