Микроконтроллеры Freescale для бытовой техники. Отладочный интерфейс BDM

В журнале [1] уже публиковались материалы об особенностях программирования МК Freescale (Motorola) с помощью отладочного интерфейса MON08. Наряду с относительной простотой программно-аппаратных средств отладки MON08 для данной системы существует ряд существенных ограничений (см. [2]). Перечислим некоторые из них:

- скорость обмена с ПК в режиме отладки и программирования определяется тактовой частотой МК в конкретном исполнении изделия (программатора). Возможны случаи, когда требования отладочного ПО и конкретного изделия при выборе частоты тактирования могут вступать в противоречие;

- для контроля над ресурсами МК в ходе исполнения отлаживаемой программы в реальном масштабе времени эту программу необходимо остановить. Не все объекты управления допускают подобный режим испытаний;

- число выводов МК, необходимое для ввода МК в полноценный отладочный режим, велико (6 и более), поэтому для 8-выводных МК приходится применять дополнительные элементы в схеме, что не всегда возможно для миниатюрных изделий.

В связи с вышеназванными ограничениями при проектировании некоторых последующих линеек МК используется уже другой модуль/режим отладки, лишенный указанных недостатков, - BDM (Background Debug Mode, фоновый режим отладки). Иногда можно встретить другой перевод аббревиатуры BDM - Background Debug Module. Это не совсем правильно, поскольку сокращение "BDM" в первую очередь характеризует именно способ реализации процесса отладки на аппаратном уровне, без останова исполнения прикладной программы. Этот способ применен в нескольких семействах МК: 8-разрядных HCS908, 16-разрядных HCS12 и 32-разрядных ColdFire. Однако аппаратная реализация подсистемы отладки для каждого из перечисленных семейств - своя собственная. То же самое можно сказать и относительно интерфейса отладки, который носит название BDM-порт. Этот интерфейс используется для сопряжения МК с ПК. Имея одинаковое название в каждом из указанных семейств МК, порты BDM различаются числом линий связи и временными параметрами обмена информацией. Об этом следует помнить при приобретении модуля сопряжения, который необходим для подключения МК конкретного изделия к ПК на этапе отладки/ прог рам мирования.

Существует большое разнообразие вариантов практической реализации устройств сопряжения между ПК и интерфейсом BDM. Больше всего распространены адаптеры USB-BDM, реже можно встретить решения типа LPT-BDM (см. [3]).

В этой статье пойдет речь о программно-аппаратных комплексах отладки BDM применительно к серии МК HCS908 (как отмечалось выше, подобные комплексы для разных серий МК имеют некоторые различия). Для специалистов-ремонтников возможности BDM в полном объеме не нужны - они ограничиваются лишь операциями чтения/записи при программировании внутренней Flash-памяти МК.

Встроенный модуль/режим внутрисхемной отладки МК HCS908 состоит из двух частей: контроллера BDC (Backgroung Debug Controller) и собственно модуля отладки (On-chip Debug Module). Контроллер BDC обеспечивает доступ ко всей памяти МК, а также чтение и модификацию регистров без остановки работы центрального процессора.

Существуют два списка команд отладки: одни выполняются на аппаратном уровне, а другие - под управлением специальной программы - монитора отладки, которая хранится в ПЗУ модуля BDM. Применительно к потребностям ремонтников интерес представляют аппаратные команды, так как с их помощью и обеспечивается весь процесс программирования памяти МК. Список аппаратных команд BDM приведен в таблице.

Таблица. Описание аппаратных команд модуля отладки BDM

Команда	Описание
BACKGROUND	Ввод в режим отладки с использованием монитора BDM
READ_BD_BYTE	Чтение байта из области памяти блока BDM, адрес указан в команде
STATUS	Чтение регистра состояния модуля BDM (частный случай команды READ_BD_BYTE)
READ_BD_WORD	Чтение 16-разрядного слова из области памяти блока BDM, адрес указан в команде
READ_BYTE	Чтение байта из области памяти МК, адрес указан в команде
READ_WORD	Чтение слова из области памяти МК, адрес указан в команде
WRITE BD BYTE	Запись байта в область памяти блока BDM
ENABLE_FIRMWARE	Производится запись в регистр состояния STATUS модуля BDM (частный случай команды WRITE_BD_BYTE). Передаваемый в регистр состояния код 1xxx xxxx разрешает работу программно-аппаратных средств модуля отладки BDM. Для перевода МК в режим отладки необходимо далее подать команду BACKGROUND
WRITE_BD_ WORD	Запись слова в область памяти блока BDM, адрес указан в команде
WRITE_BYTE	Запись байта в область памяти МК
WRITE_ WORD	Запись слова в область памяти МК, адрес указан в команде

Адаптер USB-BDM - это специальное отдельное электронное устройство, которое преобразует сигналы однопроводного интерфейса отладки МК в стандартный последовательный протокол USB для ПК. Обычно адаптер BDM соединяется с МК на плате программируемого/отлаживаемого изделия через стандартный 6-контактный соединитель. Применительно к изделиям бытовой техники, в которых используются МК серии HCS908, они не имеют на ЭМ отдельных стандартных соединителей с распайкой под адаптер USB-BDM. Для подключения адаптера к ЭМ используют переходники или просто выполняют нужную разводку между адаптером BDM и МК отдельными внешними проводниками (см. ниже). В зависимости от модели адаптера USB-BDM питание МК в них может коммутироваться (например, 3,3/5 В), а также выбираться источник питания (внешнее или от USB-порта МК). На указанный выше 6-контактный соединитель BDM адаптера обычно выведены только 4 линии: BKGD (сокращение от слова BACKGROUND, двунаправленная линия обмена данными), RST (аппаратный сброс МК), Vdd (питание МК) и GND (общий провод). В некоторых моделях МК вывод BKGD может иметь обозначение BKGD(BKGND)/MS и предназначен для реализации сразу двух функций: соединения с внешним устройством отладки (BKGND) и выбора режима работы МК (MS).

При активном состоянии сигнала сброса (RST) МК вывод BKGND/MS используется для выбора режима работы. При высоком логическом уровне на входе BKGND/MS МК переходит в пользовательский режим работы. В этом режиме будет исполняться программа управления только под управлением собственных ресурсов МК, без участия модуля отладки. МК обеспечивает переход в пользовательский режим в момент выхода из режима сброса. До вывода МК из состояния сброса изменение уровня сигнала на выводе BKGND/ MS позволяет сколь угодно раз переназначать режим работы МК, выбирая отладочный или пользовательский режимы работы.

Режим отладки BDM в варианте реализации для 8-разрядных МК HCS908 предоставляет четыре типа сервисов:

- выполняет чтение и модификацию ячеек памяти и регистров специальных функций без останова исполнения прикладной программы;

- сканирует состояние внутренних магистралей МК в определенные выбранные оператором моменты. На основании этих данных ПК восстанавливает весь ход исполнения прикладной программы без останова ее исполнения;

- обеспечение останова прикладной программы по безусловным и условным контрольным точкам;

- выполняет чтение и модификацию регистров МК после останова прикладной программы по какому-либо событию отладки.

Описание режима BDM, работа и взаимодействие программных и аппаратных средств достаточно подробно описаны в документации производителя [4].

Практические реализации внутрисхемных USB-BDM программаторов

Существует много разновидностей адаптеров BDM для программирования МК Freescale, у специалистов большее распространение получили устройства USB-BDM, так как подавляющее большинство ПК уже имеют в своем составе интерфейс USB.

Рассмотрим варианты устройств USB-BDM, которые получили наибольшее распространение.

BDM Multilink - рекомендуемый Freescale недорогой универсальный отладочный инструмент для МК серий RS08, HCS08, HCS12. Вместе с этим продуктом поставляется инструментальная среда CodeWarrior™ Development Studio for RS08, HC(S)08, HC(S)12, Special Edition. Устройство позволяет проводить операции по внутрисхемному программированию Flash-памяти МК, отладку программ и эмуляцию в режиме реального времени.

Внешний вид устройства показан на рис. 1, а окно программного пакета CodeWarrior™ Development Studio - на рис. 2.

Рис. 1. Внешний вид комплекта универсального программатора BDM Multilink

Этот программатор производства КНР является более доступной версией предыдущего устройства (цена около 800...1500 руб.). Он работает под управлением ПО CodeWarrior™ Development Studio и поддерживает МК серий HCS12, HCS08, RS08, Coldfire V1. В устройстве имеется возможность коммутации питания МК (3,3/5 В). Внешний вид устройства OSBDM TBDML показан на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид универсального программатора USBDM TBDML

Устройство в основном предназначено для программирования только МК Freescale серии HSC08, которые применяются в бытовой технике (стиральные и посудомоечные машины, холодильники и др.). Перечислим некоторые из них:

- MC9S08GB60(A) (Indesit/Hotpoint-Ariston, аппаратная платформа ARCADIA);

Вышеприведенный список поддерживаемых МК этим не ограничивается (в серию HSC08 входит более 100 типов МК), программатор поддерживает и другие МК серии HSC08.

В устройстве предусмотрена коммутация уровней напряжения питания МК (3,3/5 В) и питание от сетевого адаптера или от USB-интерфейса. Внешний вид программатора BDM Programmer показан на рис. 4.

Программатор работает под управлением ПО Flash Programmer. Одно из окон программы (установки программирования МК) показано на рис. 5. Более подробно с программатором можно ознакомиться в [5] и [6].

Схемотехника универсальных BDM-программаторов

Несмотря на большое разнообразие, большинство BDM-программаторов мало чем отличаются друг от друга. Их основой является специализированный МК, обеспечивающий общее управление, стабилизированный регулятор напряжения (если есть переключение питания 3,3/5 В), элементы индикации и двунаправленные приемопередатчики (не всегда).

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема BDM-программатора (вариант 1)

На рис. 6 приведена принципиальная электрическая схема одной из разновидностей простейшего BDM-программатора (вариант 1). Рассмотрим назначение его основных компонентов:

- IC1 (TPS73133) - параметрический стабилизатор напряжения 3,3 В, используется для питания внешнего МК;

- IC2, IC3 (SN743LVC1T45) - 1-разрядные 2-направ-ленные формирователи;

- IC4 (MC68HC908JB16) - управляющий МК. Он обеспечивает функционирование всех узлов программатора. Данный МК относится к другому семейству HC08 и программируется через отладочный интерфейс MON08 (см. [1]);

- JP2 - переключатель режимов работы программатора;

- JP1 - переключатель питания внешнего МК (5/3,3 В);

На рис. 7 показан еще один вариант BDM-программатора, выполненный на основе МК MC68HC908JB16. Он несколько отличается от предшественника, но основные компоненты и функционал оставлены без изменений. Что касается отличий - в нем, например, применена ручная коммутация режима программирования внешнего МК (переключателями S1, S2), также используется только один двунаправленный формирователь.

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема BDM-программатора (вариант 2) (по клику крупно)

Выше уже перечислялись выводы BDM-программатора, которые подключаются к внешнему МК. В зависимости от типа МК расположение выводов для подключения может различаться. Но в этом никаких сложностей не возникает, так как выводы (интерфейс) программатора и контрольные точки МК на разных устройствах обозначаются практически одинаково. На примере МК MC9S08AW60 выделены точки подключения программатора (см. рис. 8). Чтобы избежать в будущем ошибок при подключении программатора, нужно ознакомиться с соответствующими материалами на конкретный тип МК (например, см. [7]).

Рис. 8. Точки подключения BDM-программатора к МК MC9S08AW60

В заключение приведем контрольные точки подключения программатора непосредственно на ЭМ стиральных машин. На рис. 9 показаны точки подключения BDM-программатора на электронной плате стиральных машин Indesit/Hotpoint-Ariston (аппаратная платформа ARCADIA, МК типа MC9S08GB60(А)), а на рис. 10 - на ЭМ EWM1100-2100-25xx/35xx для СМ Zanussi/Electrolux (аппаратная платформа ENV-06, МК типа MC9S08AW60).

Рис. 9. Точки подключения BDM-программатора к плате модуля стиральных машин Indesit/Hotpoint-Ariston (аппаратная платформа ARCADIA, МК типа MC9S08GB60(А))

Рис. 10. Точки подключения BDM-программатора к плате ЭМ стиральных машин Zanussi/Electrolux (аппаратная платформа ENV-06, МК типа MC9S08AW60)

1. Л. Гусеинов, В. Химин, А. Ростов. Микроконтроллеры Freescale в электронных модулях бытовой техники. Технология программирования через отладочный интерфейс MON08. Ремонт & Сервис, №9, 2013.

2. Т. Ремизевич. Модули внутрисхемной отладки микроконтроллеров FREESCALE SEMICONDUCTOR. Электронные компоненты, №12, 2006.

3. Сайт для специалистов по спутниковому приему: http://www.sat-digest.com/SatXpress/Digital/MM/BDM/ index.htm

4. Introduction to HCS08. Background Debug Mode. Freescale Semiconductor. Application Note. Document Number: AN3335. Rev. 1, 11/2006.

6. Форум сайта МОНИТОР: http://monitor.net.ru/ forum/programm-hcs08-env-06-info-398403.html.

7. MC9S08AW60. HCS08 Microcontrollers. Data Sheet, Freescale Semiconductor, Rev 2, 12/2006.

8. Форум по ремонту бытовой техники: http://www. remserv-bt.ru.

RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/repair_electronic_technics/repair_home_appliances/freescale_microcontrollers_appliances_bdm_debug_interface.html

Микроконтроллеры Freescale для бытовой техники. Отладочный интерфейс BDM