Что такое Fuse и Lock биты в AVR микроконтроллере, как с ними работать

В этой статье постараюсь кратко изложить суть того, чем являются конфигурационные  (Fuse) и блокировочные (Lock) биты в AVR микроконтроллерах (МК) производства фирмы ATMEL.

Вы узнаете что такое Fuse и Lock биты, для чего они нужны, как с ними работать, приведу различные примеры из документации, а также несколько примеров работы с AVRDude.

Содержание:

1. Что такое Fuse и Lock байты/биты?
2. Для чего нужны биты конфигурации и блокировки
3. Структура конфигурационного и блокировочного байта
4. Работа с фьюзами и Lock-битами
5. Пример установки Fuses с использованием AVRDude
6. Пример установки Lock Bits с использованием AVRDude
7. Выполняем расчет битов в байте вручную
8. Заключение

Что такое Fuse и Lock байты/биты?

Слово "Fuse" (Фьюз) с английского переводится как "плавкий предохранитель". А слово "Lock" - "блокировка".

Fuse- и Lock-биты в AVR микроконтроллере содержатся в нескольких специальных байтах энергонезависимой памяти. Их можно представить себе как наборы специальных переключателей, положение каждого из которых влияет на определенный функционал и настройки в МК.

Каждый такой бит имеет специальное название и отвечает за некоторую закрепленную за ним функцию. Например установка фьюза "RSTDSBL" превратит пин для сброса (RESET) в обычный I/O-порт.

Особенность таких "переключателей" в AVR МК состоит не только в их назначении, но и в понимании микроконтроллером значений их бит:

• 1 - не активен (не установлен, не запрограммирован);
• 0 - активен (установлен, запрограммирован).

Это важно запомнить!

В общем понимании нам привычно что "1" является установкой значения (например контакты выключателя замкнуты и ток течет), а "0" - сбросом (контакты разомкнуты, ток не течет). Но в ситуации с Fuse- и Lock-битами в МК все иначе.

Почему же так сделано и зачем это нужно?

Дело в том, что установка каждого из фьюз- или лок-битов в AVR микроконтроллере - операция необратимая (как при пережигании нити плавкого предохранителя).

Например, если в каком-то МК установить (активировать, значение "0") специальный бит с названием "CKSEL0", то чип переключится на использование генератора тактовых сигналов с обязательным внешним кварцевым резонатором (кварцом). Если кварц не подключен, то генератор не заработает, не будет тактового сигнала - процессор микроконтроллера не запустится.

Вернуть обратно состояние такого бита при обычном программировании МК уже не получится. Сбросить его возможно удастся лишь используя специальный высоковольтный программатор, причем сброшены будут все данные в МК.

Вот почему такие биты называются "Fuse" (Фьюз, плавкий предохранитель)!

Давайте представим себе что Fuse-биты в одном из байтов AVR МК представляют из себя набор реальных плавких предохранителей (по английски "Fuses").

Микроконтроллер это понимает так: если нить "плавкого предохранителя" цела (преднамеренно не пережигалась) - то значение соответствующего ему бита равно "1" (не активен, не установлен).

Для установки нужных нам значений (битов) в Fuse-байте понадобится спалить соответствующие им "плавкие предохранители", то есть перевести их в состояние логического "0" (активен, уставновлен).

Рис. 1. Что такое фьюзы (fuses), пример кодирования с плавкими предохранителями.

На рисунке мы видим 8 плавких предохранителей, изменяя состояния которых можно запрограммировать 1 байт (8 бит) информации.

AVR микроконтроллер проверит состояния всех фьюз-битов и узнает что значения для номеров 1-3, 7 (отсчет справа налево) равны "0" - это соответствует состоянию "активен, установлен", что задаст некоторые параметры и включит нужный функционал.

Предохранители прожжены (по аналогии с Fuse-битами в МК значения установлены), возврат их состояний обратно электрическим способом невозможен...если конечно не запаять внутрь трубочек по кусочку проволоки (что по аналогии равно использованию специального высоковольтного программатора для МК).

Начиная работать с AVR микроконтроллерами кому-то может быть сложно понять зачем было ломать принятые и вполне логичные нормы где: 1=установлен, а 0=не установлен.

Но если исходить из названия "Fuse" и с пониманием того как такие "плавкие предохранители" работают в МК (прожигание нужных позиций для установки значений с необратимостью операции) - то все становится закономерно и вполне понятно!

Итак: Fuse- или Lock-бит в AVR MK имеющий числовое значение "0" является активным (установленным).

Для чего нужны биты конфигурации и блокировки

Итак, мы уже знаем что Fuse- и Lock-биты в AVR микроконтроллерах содержатся в специальной, независимой от питания чипа области памяти.

При помощи Fuse-битов можно установить различные режимы работы микроконтроллера, параметры подключенных к его портам пинов, задать источник тактового сигнала и его частоту, превратить пин для "Reset" в обычный порт ввода-вывода, а также многое другое.

Некоторые названия и описания часто используемых Fuse-битов в AVR МК:

• RSTDSBL (ReSeT DiSaBLe) - "запретить ресет", превращает пин для сброса МК в обычный порт ввода/вывода;
• CKSEL0..3 (ClocK SELect) - четыре бита для установки параметров и источника тактового сигнала МК (внешний кварц, внутренний RC-генератор, делитель частоты и т.п.);
• CKDIV8 (ClocK DIVision 8) - если этот бит установлен то тактовая частота от внутреннего RC-генератора будет делиться на 8;
• CKOPT (ClocK OPTimization) - задает размах сигнала (амплитуду) с выходного тактового генератора, оптимизация потребляемого тока, влияет на помехоустойчивость;
• SUT0..1 (Start Up Time) - установка временной задержки запуска программы после подачи питания или перезапуска МК;
• SPIEN (Serial Programming Interface ENable) - разрешение/запрещение программирования МК через последовательный программный интерфейс;
• JTAGEN (JTAG ENable) - разрешает/запрещает использование JTAG интерфейса;
• EESAVE (EEprom SAVE) - если этот бит установлен, то содержимое энергонезависимой памяти будет сохранено после стирания кристалла (опция -e в AVRDude);
• WDTON (Watch Dog Timer ON) - отключение программного управления сторожевым таймером, запуск таймера автоматически при подаче питания на МК;
• BODEN (Brown-Out Detection ENabled), BODLEVEL (Brown-Out Detection LEVEL) - биты для включения и настройки мониторинга за напряжением питания МК;
• BOOTRST (BOOT ReSeT) - выполнять запуск через загрузчик (Boot Loader), микроконтроллер начнет выполнение программы не с адреса 0x0000 (по умолчанию), а с адреса где расположен загрузчик.

Важно заметить что при установке фьюза RSTDSBL теряется возможность перепрошивки МК через ISP-интерфейс. Тем не менее, с использованием высоковольтного (+12В) параллельного программатора перепрошивка все же возможна.

Биты блокировки (Lock bits) позволяют установить режимы доступа (запись/чтение) к внутренней Flash-памяти и/или EEPROM, причем направление доступа можно ограничить как изнутри микроконтроллера, так и снаружи (при использовании ISP-интерфейса).

Данная возможность может быть полезна для защиты от копирования/изменения вашей программы, а также хранящихся в энергонезависимой памяти данных.

Структура конфигурационного и блокировочного байта

Фьюзы (фьюз-биты) содержатся в трех байтах:

1. Fuse Low Byte - младший байт;
2. Fuse High Byte - старший байт;
3. Fuse Extended Byte - байт с опциями расширенных функций.

Блокировочные биты (Lock Bits) микроконтроллера расположены в отдельном блокировочном байте. Не редко можно слышать что их относят к фьюзам, но это не так, не стоит путать, тем более что названы они так чтобы можно было их четко различать.

У каждой модели микроконтроллера есть свой набор доступных к изменению фьюзов и блокировочных битов. Чтобы более детально разобраться со структурой Fuse- и Lock-байтов в интересующем вас МК - нужно обратиться к официальной документации (даташиту) по конкретной модели микроконтроллера.

Ниже приведен пример структуры Fuse-байтов для микроконтроллера ATTiny13. В первой строке идет номер бита, во второй - название, а в третьей - значение по умолчанию. Помним что значение 0 = бит установлен (запрограммирован).

Младший Fuse-байт (Fuse Low Byte):

7	6	5	4	3	2	1	0
SPIEN	EESAVE	WDTON	CKDIV8	SUT1	SUT0	CKSEL1	CKSEL0
0	1	1	0	1	0	1	0

Как видим, интерфейс последовательного программирования (SPI) по умолчанию разрешен, частота внутреннего тактового генератора делится на 8 (CKDIV8), в качестве источника тактового сигнала используется внутренний RC-генератор (CKSEL0).

Старший Fuse-байт (Fuse High Byte):

7	6	5	4	3	2	1	0
-	-	-	SELFPRGEN	DWEN	BODLEVEL1	BODLEVEL0	SRTDISBL
1	1	1	1	1	1	1	1

В данном фьюз-байте все биты неактивны (не запрограммированы).

Структура блокировочного байта (Lock Byte):

7	6	5	4	3	2	1	0
-	-	-	-	-	-	LB2	LB1
1	1	1	1	1	1	1	1

Установка бита под номером "0" (LB1) в "0" (активен) запретит программирование внутренней Flash и EEPROM памяти. Если еще дополнительно установить бит под номером 1 (LB1) то это дополнительно заблокирует возможность считывания данных с памяти МК ATTiny13.

Данную информацию я легко получил, скачав даташит на ATTiny13 в формате PDF, для этого достаточно выполнить поиск в интернете в поисковой системе по запросу "ATTiny13 datasheet download".

Открыв документ ищем раздел "Memory Programming". Как правило, PDF-файл с даташитом на микроконтроллер занимет от 1 до 10МБ. Документы от ATMEL хорошо структурированы, содержат хорошую внутреннюю навигацию со ссылками и содержанием, очень удобно искать нужную информацию.

Работа с фьюзами и Lock-битами

Выполнять установку фьюз-битов и битов блокировки нужно очень и очень аккуратно, с уверенным пониманием того что и для чего выполняется!

Невнимательность и лень в изучении документации может стать причиной неработоспособности используемого AVR микроконтроллера.

Самая безопасная стратегия при записи фьюзов и блокировочных битов:

1. Читаем значение нужного байта из МК;
2. Устанавливаем в полученном байте нужные биты, все внимательно проверяем;
3. Записываем результирующий байт в МК.

Почему именно так, а не сразу запись в МК? - потому что преследуя некоторую цель с установкой одного бита, можно нарушить состояние других битов, что может повлечь за собой, к примеру, переключение МК на источник тактового сигнала который не предусмотрен и микроконтроллер просто не запустится.

Важно помнить что в случае выполнения операции стирания (опция "-e" в AVRDUDE) все Fuse и Lock биты будут восстановлены по умолчанию, а записанная во Flash-память программа уничтожена.

Пример установки Fuses с использованием AVRDude

Допустим что нам нужно выполнить сброс фьюза CKDIV8 в младшем байте,  эта операция заставит микроконтроллер ATTIny13 работать на тактовой частоте 8МГц вместо 1МГц (когда бит установлен то частота делится на 8).

Попробуем выполнить чтение байта с фьюзами, изменим один бит (установим фьюз), а потом выполним запись в МК при помощи AVRDude на примере малыша ATTiny13.

Если возникнут вопросы при работе с "дудкой" - читаем документацию по AVRDude.

Итак, изучаем документацию (даташит, datasheet) по микроконтроллеру и подключаем его к программатору.

Рис. 2. Микроконтроллер ATTiny13 подключен к программатору USB ISP.

По умолчанию, при запуске AVRDude выводит на экран значения всех трех байтов с фьюзами, достаточно подключить МК к программатору и выполнить команду с нужными настройками (в данном случае МК - ATTiny13, программатор - USB ISP):

avrdude -p t13 -c usbasp

Вывод команды:

avrdude: warning: cannot set sck period. please check for usbasp firmware update.
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: Device signature = 0x1e9007
avrdude: safemode: Fuses OK (E:FF, H:FF, L:6A)
avrdude done.  Thank you.

Как видим, значения байтов следующие:

• E - расширенный Fuse-байт (Extended) = FF (0xFF);
• H - старший байт (High Byte) = FF (0xFF);
• L - младший байт (Low Byte) = 6A (0x6A).

Также значение любого из фьюз-байтов можно считать и сохранить в файл. К примеру, запишем значение младшего фьюз-байта (Low Fuse Byte, lfuse) в файл "lfuse.txt" и выведем его содержимое на экран:

avrdude -p t13 -c usbasp -U lfuse:r:lfuse.txt:h
cat lfuse.txt

Значение младшего байта с фьюзами сейчас - 0x6A, что в двоичном представлении равно 01101010 - именно то, что я приводил в структуре младшего фьюз-байта для ATTiny13 по умолчанию.

Теперь нам нужно изменить значение бита CKDIV8 в байте 01101010 на 1 (сбросить его), получаем двоичное число 01111010, которое равно 0x7A.

Раньше я уже описывал как работать с битами, а также как удобно переводить числа из одной системы счисления в другую. В одном из следующих разделов также опишу как выполнять расчет битов в байте простым "ручным" способом.

Итак, записываем новое значение в байт с фьюзами в микроконтроллере с помощью AVRDude:

avrdude -p t13 -c usbasp -U lfuse:w:0x7a:m

Вот расшифровка "магии" с параметрами "-U lfuse:w:0x7a:m":

• -U - опция, указание на выполнение операции с памятью;
• lfuse - область памяти, младший байт который содержит фьюзы (Low Fuse Byte);
• : - разделитель;
• w - значит что будет выполняться операция записи (write);
• 0x7a - значение байта для записи в указанную область памяти;
• m - указывает что данные (значение байта) будут указаны прямо в командной строчке.

Результат выполнения команды:

avrdude: warning: cannot set sck period. please check for usbasp firmware update.
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: Device signature = 0x1e9007
avrdude: reading input file "0x7a"
avrdude: writing lfuse (1 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.01s

avrdude: 1 bytes of lfuse written
avrdude: verifying lfuse memory against 0x7a:
avrdude: load data lfuse data from input file 0x7a:
avrdude: input file 0x7a contains 1 bytes
avrdude: reading on-chip lfuse data:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: verifying ...
avrdude: 1 bytes of lfuse verified

avrdude: safemode: Fuses OK (E:FF, H:FF, L:7A)
avrdude done.  Thank you.

Как видим, все удачно записалось и прочиталось - "Fuses OK (E:FF, H:FF, L:7A)"! Теперь микроконтроллер должен работать на частоте 8МГц.

Для записи старшего или расширенного байтов нужно 'lfuse' заменить на 'hfuse' (старший байт) или на 'efuse' (байт с расширенными настройками).

Также в одном вызове команды avrdude можно указать запись сразу нескольких байтов.

Примеры команд (данные "0x.." заменены на XXXX, там должны быть ваши значения для каждого из байтов):

# Установка Младшего + Старшего байтов, две команды
avrdude -p m8 -c usbasp -U lfuse:w:XXXX:m
avrdude -p m8 -c usbasp -U hfuse:w:XXXX:m

# Установка Расширенного байта
avrdude -p m8 -c usbasp -U efuse:w:XXXX:m

# Установка Младшего + Старшего байтов, одна команда
avrdude -p m8 -c usbasp -U lfuse:w:XXXX:m -U hfuse:w:XXXX:m

# Установка Младшего + Старшего + Расширенного байтов
avrdude -p m8 -c usbasp -U lfuse:w:XXXX:m -U hfuse:w:XXXX:m -U efuse:w:XXXX:m

Важно! Перед записью байтов фьюзов в микроконтроллер:

1. Считываем состояния байтов в МК;
2. Сопоставляем данные с теми которые должны быть записаны с учетом уже установленных значений (заводских, по умолчанию);
3. Записываем измененные и проверенные значения в МК.

Пример установки Lock Bits с использованием AVRDude

Для установки битов блокировки (Lock Bits) в микроконтроллере используем аналогичную стратегию, но есть и отличия. Для считывания значения байта, содержащего биты блокировки, понадобится указать AVRDude выполнить операцию чтения из памяти.

Считываем текущее значение байта с битами блокировки в файл "lock.txt" и выводим содержимое этого файла на экран:

avrdude -p t13 -c usbasp -U lock:r:lock.txt:h
cat lock.txt

Расшифровка параметров:

• -U - выполнение операции с памятью;
• lock - область памяти, которая содержит фьюзы блокировки (Lock Fuses);
• : - разделитель;
• r - значит что будет выполняться операция чтения (read);
• lock.txt - имя файла, в который будет записана считываемая из памяти информация;
• h - формат данных шестнадцатеричный (hexadecimal).

 

Результат работы команд:

avrdude: warning: cannot set sck period. please check for usbasp firmware update.
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: Device signature = 0x1e9007
avrdude: reading lock memory:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: writing output file "lock.txt"
avrdude: safemode: Fuses OK (E:FF, H:FF, L:7A)
avrdude done.  Thank you.

0x3f

Текущее значение байта с Lock Bits - 0x3F, что в двоичном представлении равно 00111111. В даташите на ATTiny13 указано что для изменения значимы только два бита - 00111111.

Изменив эти биты на 0 мы активируем соотвествующие биты блокировки, чем заблокируем возможность программирования и чтения внутренней Flash + EEPROM. В результате наш байт будет выглядеть вот так - 00111100, а в шестнадцатеричном представлении - 0x3C.

Для записи байта c Lock-битами в микроконтроллер ATtiny13 нужно выполнить следующую команду:

avrdude -p t13 -c usbasp -U lock:w:0x3c:m

Будьте предельно внимательны с этой командой, поскольку изменение Lock-битов может повлечь за собой необратимые последствия!

Выполняем расчет битов в байте вручную

Расчет значения байта с установленными нужными в нем битами для AVR микроконтроллера можно выполнять в различных онлайн-калькуляторах, ссылка на один из таких приведена в конце статьи.

Тем не менее, важно уметь выполнить такие расчеты "вручную", то есть изучив документацию по микроконтроллеру самому составить нужную последовательность бит и перевести состоящий из них байт в двоичный (Binary) или шестнадцатеричный (HEX) вид.

Допустим что изучив структуру фьюзов микроконтроллера ATTiny13 нам нужно в младшем Fuse-байте выполнить следующее:

• Сбросить фьюз (CKDIV8) - 4-й бит уствновить в 1;
• Активировать фьюз (EESAVE) - 6-й бит установить в 0.

Итак, у нас есть новенький микроконтроллер и значение младшего Fuse-байта по умолчанию - "0x6a" (0x - значит что значение представлено в HEX-формате, это число мы узнали считав значение байта при помощи AVRDude, а также из документации).

Теперь нам нужно число "0x6a" перевести в двоичное представление, это можно сделать используя специализированный математический калькулятор, а можно просто разделить значение на две части и воспользоваться табличкой что ниже.

Binary	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001
HEX	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9

Binary	1010	1011	1100	1101	1110	1111
HEX	A	B	C	D	E	F

Разделяем значение "6A" (0x6a) на две части - "6" и "A", ищем в табличке соответствующие бинарные представления - 0110 (6) и 1010 (А). Значение 0x6a в двоичной системе счисления - 01101010.

Теперь изменим 4-й бит в байте на 1, а 6-й бит - на 0:  [7й бит->] 00111010 [<-0й бит]

Разделяем полученное бинарное представление 00111010 на две равные части: 0011 и 1010. Конвертируем эти части в HEX, используя табличку выше: 0011 = 3, 1010 = A.

Соединяем полученные цифры в шестнадцатеричном формате: 0011 1010 = 3A. Получается, для того чтобы сбросить фьюз 4 (CKDIV8), а также активировать фьюз 6 (EESAVE) - нужно в младший фьюз-байт записать значение "0x3a".

Заключение

Работа с Fuses в AVR-микроконтроллере - это относительно не сложно, но стоит проявить внимательность. Главное не спешить и не лениться сверяться с официальной документацией.

Всю рутину по записи и считывании значений берет на себя "швейцарский нож" из мира AVR по имени AVRDude, нам лишь остается только правильно выполнить расчет нужного байта с фьюзами.

Удачного и результативного программирования!

Начало цикла статей: Программирование AVR микроконтроллеров в Linux на языках Asembler и C.

Полезные ресурсы:

• Javascript based AVR fuse calculator - калькулятор для расчета фьюзов и битов блокировки
• Easyelectronics - Конфигурация FUSE-бит
• Все что нужно знать о Fuse- и Lock-битах AVR микроконтроллеров (перевод статьи с embedds.com)