インシステムプログラミング

インシステムプログラミング（ISP）は、インサーキットシリアルプログラミング（ICSP）とも呼ばれ、一部のプログラマブルロジックデバイス、マイクロコントローラ、チップセット、その他の組み込みデバイスが、システムにインストールする前にチップをプログラムする必要はなく、完全なシステムにインストールされた状態でプログラムできる機能です。また、回路基板上に専門的なプログラミング回路を必要とせずに、マイクロコントローラや関連プロセッサのオンチップメモリ​​にファームウェアの更新を配信できるため、設計作業が簡素化されます。^[1]

マイクロコントローラデバイスをプログラミングするためのインシステム プログラミング プロトコルの標準はありません。マイクロコントローラのほぼすべてのメーカーがこの機能をサポートしていますが、すべてが独自のプロトコルを実装しており、同じメーカーの異なるデバイスであっても異なることがよくあります。一般に、最新のプロトコルは、使用されるピンの数を低く抑えようとします (通常は 2 ピン)。一部の ISP インターフェイスは、1 つのピンだけで同じことを実現していますが、JTAGインターフェイスを実装するために最大 4 つのピンを使用するものもあります。

インシステム プログラミングの主な利点は、電子デバイスの製造業者がプログラミングとテストを 1 つの製造段階に統合し、システムを組み立てる前に別のプログラミング段階を必要とせずにコストを節約できることです。これにより、製造業者は、製造業者または販売業者から事前にプログラムされたチップを購入する代わりに、自社のシステムの製造ラインでチップをプログラムできるようになり、製造工程の途中でコードまたは設計の変更を適用することが可能になります。もう 1 つの利点は、製造では常に最新のファームウェアを使用でき、事前にプログラムされたマイクロコントローラを使用する場合に発生する遅延なしに、新機能やバグ修正を実装して製造に投入できることです。

マイクロコントローラは通常、プリント回路基板に直接はんだ付けされており、通常、別のコンピュータへの大きな外部プログラミング ケーブル用の回路やスペースはありません。

通常、ISP をサポートするチップには、システムの通常の電源電圧から必要なプログラミング電圧を生成する内部回路があり、シリアル プロトコルを介してプログラマと通信します。ほとんどのプログラマブル ロジック デバイスは、自動テスト手順との統合を容易にするために、ISP にJTAGプロトコルのバリアントを使用します。他のデバイスは通常、独自のプロトコルまたは古い標準で定義されたプロトコルを使用します。中程度の規模のグルー ロジックを必要とするほど複雑なシステムでは、設計者はフラッシュ メモリやマイクロコントローラなどの JTAG 以外のデバイス用に JTAG 制御のプログラミング サブシステムを実装し、プログラミングとテストの手順全体を単一のプロトコルの制御下で実行できます。

1990 年代初頭から、マイクロコントローラのアーキテクチャにおいて重要な技術的進化が見られました。当初、マイクロコントローラはOTP (ワンタイム プログラマブル)またはEPROM メモリの 2 つのソリューションで実現されていました。EPROM では、メモリを消去するには、パッケージ上部の特定のウィンドウからチップを紫外線にさらす必要があります。1993 年にMicrochip Technology は、EEPROM メモリを搭載した最初のマイクロコントローラPIC16C84 を発表しました。EEPROM メモリは電気的に消去できます。この機能により、パッケージ上部の消去ウィンドウをなくして実現コストを削減し、インシステム プログラミング技術を導入できるようになりました。ISP を使用すると、製造プロセスの最後にボード上で直接フラッシュ プロセスを実行できます。この進化により、プログラミングと機能テストのフェーズを製造環境で統合し、ファームウェア開発がまだ完了していなくてもボードの予備生産を開始できるようになりました。このようにして、バグを修正したり、後で変更を加えたりすることが可能になりました。同年、Atmel は、EEPROM メモリに比べてプログラミングが簡単で高速であり、ライフサイクルがはるかに長い、フラッシュ メモリを搭載した最初のマイクロコントローラを開発しました。

ISP をサポートするマイクロコントローラには通常、プログラマとのインターフェイスにシリアル通信周辺機器が使用するピン、フラッシュ/EEPROM メモリ、およびマイクロコントローラのプログラムに必要な電圧を供給する回路が備わっています。通信周辺機器は、フラッシュまたは EEPROM メモリを操作するためのコマンドを提供するプログラミング周辺機器に接続されます。

ISP プログラミング用の電子ボードを設計する場合、プログラミング フェーズをできるだけ信頼できるものにするためのガイドラインをいくつか考慮する必要があります。ピン数の少ないマイクロコントローラの中には、プログラミング ラインを I/O ラインと共有しているものがあります。ボードの設計で必要な予防措置が考慮されていない場合、これが問題になることがあります。プログラミング中にデバイスの I/O コンポーネントが損傷する可能性があります。さらに、プログラマによるコンポーネントの損傷を回避するため、またマイクロコントローラがラインを制御するのに十分な電流を供給できないことが多いため、ISP ラインを高インピーダンス回路に接続することが重要です。多くのマイクロコントローラでは、プログラミング モードに入るために専用の RESET ラインが必要です。ライン駆動に供給される電流に注意し、 RESET ラインに接続されたウォッチドッグの存在を確認する必要があります。ウォッチドッグは不要なリセットを生成し、プログラミングの失敗につながる可能性があります。さらに、一部のマイクロコントローラではプログラミング モードに入るために高い電圧が必要なので、この値が減衰されていないこと、この電圧がボード上の他のコンポーネントに転送されていないことを確認する必要があります。

インシステム プログラミング プロセスは、製品の製造の最終段階で行われ、生産量に応じて 2 つの異なる方法で実行できます。

最初の方法では、コネクタを手動でプログラマに接続します。このソリューションでは、ケーブルを使用してプログラマを電子ボードに接続する必要があるプログラミング プロセスに人間が関与することが想定されています。したがって、このソリューションは少量生産向けです。

2 番目の方法は、ボード上のテスト ポイントを使用します。これらは、プリント基板 ( PCB)上に配置された特定の領域で、ボード上の電子部品の一部に電気的に接続されています。テスト ポイントは、ボードに搭載されたコンポーネントの機能テストを実行するために使用され、マイクロコントローラのピンに直接接続されているため、ISP に非常に効果的です。中規模および大規模の生産量の場合、テスト ポイントを使用すると、プログラミング フェーズをアセンブリ ラインに統合できるため、最適なソリューションです。

生産ラインでは、基板は固定具と呼ばれる釘の上に載せられます。固定具は、生産量に基づいて、ATE（自動試験装置）と呼ばれる半自動または自動の試験システムに組み込まれます。固定具は各基板専用に設計されているか、または設計された基板に類似した数個のモデル専用であるため、組み込まれているシステム環境では互換性があります。基板と固定具が所定の位置に置かれると、テスト システムには、試験する基板上のテスト ポイントに固定具の針を接触させるメカニズムがあります。ISP プログラマーに接続されているか、または直接内部に統合されているシステム。このプログラマーは、基板に取り付けられたデバイス（マイクロコントローラやシリアル メモリなど）をプログラムする必要があります。

ほとんどのマイクロチップマイクロコントローラでは、ICSPプログラミングはクロック（PGC）とデータ（PGD）の2つのピンを使用して実行され、Vpp/MCLRピンには高電圧（12V）が存在します。低電圧プログラミング（5Vまたは3.3V）では高電圧は不要ですが、I/Oピンを排他的に使用します。ただし、新しいマイクロコントローラ、特にマイクロチップテクノロジーのPIC18F6XJXX/8XJXXマイクロコントローラファミリでは、ICSPモードに入る方法が少し異なります。^[2] ICSPプログラム/検証モードに入るには、次の3つの手順が必要です。

1. MCLR（マスタークリア）ピンに電圧が短時間印加されます。
2. PGD​​ には 32 ビットのキー シーケンスが表示されます。
3. MCLRに電圧が再印加されます。

プログラマと呼ばれる別のハードウェアを、片側を PC の I/O ポートに接続し、もう片側を PIC に接続する必要があります。主なプログラミング タイプごとの機能の一覧は次のとおりです。

1. パラレル ポート- 大きくてかさばるケーブルです。ほとんどのコンピューターにはポートが 1 つしかなく、接続されたプリンターとプログラミング ケーブルを交換するのは不便です。2010 年以降のほとんどのラップトップでは、このポートはサポートされていません。パラレル ポート プログラミングは非常に高速です。
2. シリアル ポート(COM ポート) - かつては最も一般的な方法でした。シリアル ポートには通常、回路プログラミングに十分な電源電圧がありません。2010 年以降のほとんどのコンピューターとラップトップでは、このポートがサポートされていません。
3. ソケット(回路内または回路外) - CPU を回路基板から取り外すか、クランプをチップに取り付ける必要があるため、アクセスに問題が生じます。
4. USB ケーブル- 小型で軽量、電圧源をサポートし、ほとんどのコンピュータには追加のポートがあります。プログラムする回路とコンピュータ間の距離は、USB ケーブルの長さによって制限されます。通常は 180 cm 未満である必要があります。このため、機械やキャビネットの奥深くにあるプログラミング デバイスが問題になることがあります。

ICSP プログラマーには多くの利点があり、サイズ、コンピューター ポートの可用性、電源が主な特徴です。相互接続方式とマイクロ コントローラーを取り巻くターゲット回路のバリエーションにより、すべてのターゲット回路や相互接続で動作するプログラマーは存在しません。Microchip Technology は詳細な ICSP プログラミング ガイドを提供しています^[3]多くのサイトでプログラミングと回路の例が提供されています。

PIC は 5 つの信号を使用してプログラムされます (6 番目のピン「aux」は提供されていますが、使用されません)。データは 2 線同期シリアル方式を使用して転送され、さらに 3 本の線がプログラミングとチップ電源を提供します。クロック信号は常にプログラマによって制御されます。

• V _pp - プログラミング モード電圧。これは、MCLR ピン、または一部の大ピン数 PIC で使用可能なオプションの ICSP ポートのV _{ppピンに接続する必要があります。PIC をプログラミング モードにするには、このラインが PIC ごとに異なる指定範囲内にある必要があります。5 V PIC の場合、これは常に V dd} よりいくらか高い値であり、最大 13.5 V になることがあります。18FJ、24H、および 33F シリーズなどの 3.3 V のみの PIC は、プログラミング モードに入るために特別なシグネチャを使用し、V _{pp はグラウンドまたは Vdd のいずれかのデジタル信号です。すべての PIC の有効な V pp}範囲内にあるV _pp電圧は1 つではありません。実際、一部の PIC に必要な最小 V _ppレベルは、他の PIC を損傷する可能性があります。
• V _dd - これは PIC への正電源入力です。プログラマーによっては、回路からこの電源を供給する必要があります (回路は少なくとも部分的に電源が入っている必要があります)。また、プログラマーによっては、このラインを自分で駆動して回路をオフにする必要があります。一方、プログラマーはどちらの方法でも構成できます (Microchip ICD2 など)。Embed Inc プログラマーは、V _ddラインを自分で駆動して、プログラミング中にターゲット回路をオフにする必要があります。
• V _ss - PIC への負電源入力と、残りの信号のゼロボルト基準。他の信号の電圧は暗黙的に V _ssを基準とします。
• ICSPCLK - シリアル データ インターフェイスのクロック ライン。このラインは GND から V _ddまでスイングし、常にプログラマによって駆動されます。データは立ち下がりエッジで転送されます。
• ICSPDAT - シリアル データ ライン。シリアル インターフェイスは双方向なので、現在の操作に応じて、このラインはプログラマまたは PIC のいずれかによって駆動できます。いずれの場合も、このラインは GND から Vdd にスイングします。PGC の立ち下がりエッジでビットが転送されます。
• AUX/PGM - 新しい PIC コントローラでは、このピンを使用して低電圧プログラミング (LVP) を有効にします。PGM をハイに保持すると、マイクロコントローラは LVP モードになります。PIC マイクロコントローラは LVP が有効の状態で出荷されるため、新しいチップを使用する場合は LVP モードで使用できます。モードを変更する唯一の方法は、高電圧プログラマを使用することです。このピンに接続せずにマイクロコントローラをプログラムすると、モードは変更されません。

ICSP プログラマーでRJ11 ソケットを使用する業界標準は、Microchip によってサポートされています。図は、データシートに記載されている情報を表しています。ただし、混乱が生じる可能性があります。PIC データシートには、逆さまのソケットが示されており、ピン配置の図がないため、ソケットのピン 1 がどの側にあるかは不明です。ここで提供される図はテストされていませんが、電話業界の標準ピン配置を使用しています (RJ11 プラグ/ソケットは、もともと有線デスクトップ電話用に開発されました)。

• デバイスプログラマー