Il caso del PIC renitente alla ri-programmazione

Cosa vuol dire "entra in modalità programmazione"? Vuol dire che i pin PGD/PGC vengono sottratti ad ogni altra destinazione ed utilizzati dalla comunicazione seriale con il dispositivo di programmazione. 
In modalità programmazione, nessuna delle funzioni interne è abilitata, esclusa quella dedicata alla scrittura della flash, mentre i pin rimanenti sono portati in condizione di alta impedenza ed esclusi dall' operazione.

Per ultimo, notiamo che in questi chip il pin RA5/MCLR/Vpp può essere sottratto alla funzione di MCLR e destinato ad essere un ingresso digitale (RA5). Questo è possibile dato che la funzione di reset al power on (POR) è eseguita internamente al chip e non richiede elementi esterni. Ma quando viene applicata la Vpp, anche se MCLR è destinato in configurazione a funzionare come ingresso digitale, un trigger interno provvede ad escludere questa impostazione e attivare, invece, il meccanismo di programmazione.

Nei progetti come quello indicato all' inizio, l' hardware prevede l' uso del clock interno, a cui si aggiunge quello di Timer1; il primo, di relativa precisone,viene usato per il ciclo istruzioni, non critico. Il secondo, preciso in relazione all' uso di un quarzo, è utilizzato per l' RTC. Ne deriva che, in fase di configurazione iniziale ci troviamo ad aver impostato almeno queste opzioni:

Vediamo che il chip è configurato per:

1. _INTRC_IO oscillatore interno, RA6 e RA7 disponibili come I/O
2. _MCLRE_OFF pin MCLR dedicato come ingresso digitale RA5
3. _LVP_OFF programmazione HVP
4. _PWRTE_OFF power on timer disabilitato

Queste impostazioni, ricordiamo, NON sono una parte del programma, ma sono una scelta tra le possibili configurazioni dell' hardware programmabile del microcontroller. Non dipendono, quindi, dal clock, ma vengono applicate all' atto della programmazione e sono fissate e non modificabili fino ad una nuova ri scrittura.

La scelta 1 significa che il microcontroller è guidato da un clock interno, che entra in funzione non appena (o meglio, dopo breve istante) viene applicata la tensione di alimentazione. Il clock è il segnale che fa avanzare il Program Counter e sul quale si sincronizzano tutte le operazioni interne. Non appena il clock è attivo e la linea di reset è rilasciata, il Program Counter inizia a contare dal vettore di reset e la logica di controllo provvede alla presa delle istruzioni ed alla loro decodifica e esecuzione.

La scelta 2 indica che il pin di MCLR esterno è disabilitato e che la sequenza di POR è gestita esclusivamente dalla logica interna

La scelta 3 indica che non si desidera la programmazione Low Voltage e che il pin RB3 è utilizzabile come I/O. Questo vuol dire che il microcontroller andrà in modalità programmazione quando verrà rilevata una tensione Vpp applicata al pin RA5. Fino a quel momento il chip è in modalità di funzionamento normale.

La scelta 4 indica che si è disabilitato il timer di Power On e la relativa attesa supplementare tra l' arrivo della Vdd e l' avvio del programma.

Molto importante è ora avere ben chiaro questo: nel momento in cui applico la Vdd, che ci sia un qualsiasi hardware collegato o meno  al microcontroller -dato che, per la configurazione vista sopra, il chip non dipende nè da un clock esterno, nè da un reset esterno- dopo il TOST (Oscillation Start-up Timer Period), param.32, pari a 1024 Tosc, la linea di RESET viene rilasciata e il programma va in esecuzione, dato che PWRTE è disabilitato e il Tpwrt è annullato.

A questo punto il programma viene avviato, con il PC che punta all' istruzione contenuta al vettore di reset. Dopo poche istruzioni,  cosa fa il programma?  Attiva l' oscillatore di Timer1:

Questo abilità i pin RB6/7 come T1OSO/T1OSI per il collegamento con un quarzo + i relativi passivi esterni

In seguito all' abilitazione dell' oscillatore esterno di Timer1, a questi pin vengono collegati dei gate che hanno la funzione di realizzare questo oscillatore, studiato per un cristallo con frequenza attorno ai 32kHz e a bassa energia, del genere di quelli utilizzati negli orologi. Di conseguenza le funzioni di I/O dei due pin sono escluse, dato che andrebbero a disturbare l' oscillatore.

Dunque, ricapitoliamo:

1. viene applicata la Vdd
2. dopo TOST il programma inizia la sua esecuzione
3. dopo qualche micro secondo, l' esecuzione imposta RB6 e RB7 come supporto per l' oscillatore esterno.

Questo, ripetiamo, anche se al chip c'è collegata solo Vdd e Vss: dato che esiste un clock e la linea di reset è rilasciata, il programma in FLASH viene eseguito.
Da notare che viene eseguito qualsiasi contenuto della memoria programma, anche se questa è vuota.
Infatti il contenuto della cella di flash non programmata è normalmente FFh e l' ALU interpreta questo come un movlw 0xFF e che è eseguibile, anche se non origina alcuna azione visibile all' esterno. Quindi, ad un chip in cui abbiamo configurato il clock interno e niente dipendenza da MCLR, anche se la memoria programma è "vuota", un "programma" è comunque in azione; la logica interna eseguirà movlw 0xFF (o qualunque altra cosa si trovi nella memoria programma) fino a che il Program Counter è arrivato a fine memoria, dopo di che si avrà un wrap around alla locazione di reset e così via indefinitamente.

Ora, partiamo dal chip non ancora programmato. Lo colleghiamo al programmatore e lo programmiamo. Semplice. Ma in effetti ci sfugge cosa vuol dire questo.
Vuol dire che il dispositivo di programmazione :

1. applica la Vdd/Vss al chip
2. quindi applica la Vpp al pin MCLR/Vpp e questo attiva la comunicazione su PGC/PGD. 
3. Il chip viene letto, scritto, cancellato, ecc.

Questo è possibile perchè, anche se il chip all' applicazione della Vdd/Vss ha iniziato ad eseguire movlw 0xFF della memoria "vuota", l' applicazione della Vpp stoppa questa esecuzione, bloccando la logica interna ed attivando invece quella relativa alla comunicazione seriale di programmazione ICSP e alle operazioni relative (riconoscimento del chip, lettura e scrittura della Flash, ecc.).
Il chip viene riconosciuto e programmato correttamente.
Una volta rilasciata la Vpp, i pin PGC/PGD riprendono le funzioni imposte dal programma caricato e al prossimo reset esso viene avviato e funziona correttamente.

...se voglio ri programmare il chip, il dispositivo di programmazione non è in grado di rilevarlo!

E' successo questo: nelle prime righe di esecuzione del programma si attiva la funzione di oscillatore per Timer1 e, purtroppo, i pin dell' oscillatore sono gli stessi della comunicazione ICSP. 
Vuol dire che il dispositivo di programmazione :

1. applica la Vdd/Vss al chip
2. il programma si avvia e commuta i pin RB6/RB7 per la funzione di oscillatore
3. quando si applica la Vpp al pin MCLR/Vpp, questo attiva la comunicazione su PGC/PGD. 
4. ma, una volta che sui pin ha preso la prevalenza la funzione dell' oscillatore, questa impedisce il regolare funzionamento dello scambio di dati seriale. 

Il chip funziona correttamente sul circuito (se il nostro programma è corretto...), ma quando voglio ri programmarlo, succede che il programma ha già attivato l' oscillatore di Timer1 e la comunicazione col chip non è più possibile.  Il chip, programmato la prima volta, non lo potrà essere più successivamente. Non essendo possibile la comunicazione su PGC/PGD il chip non potrà essere letto o scritto quindi risulterà inesistente per il software di programmazione.

A meno che...

A meno che, durante la programmazione, non si utilizzi l'opzione  Use Vpp First Program Entry.

Questo è possibile su molti programmatori, tra cui i Pickit2 e 3 nel software Pickit Programmer.

L' opzione è stata proprio introdotta per risolvere questo genere di situazioni. Come agisce? Semplicemente applicando la Vpp prima della Vdd. 

La conseguenza dovrebbe essere evidente: essendo presente la Vpp, il chip passa immediatamente in stato di programmazione. Non essendo stata eseguita la parte del programma che abilita l' oscillatore di Timer1, i pin PGC e PGD conservano la loro funzione intatta. Il chip è accessibile è può essere riscritto, letto, cancellato.

Ovviamente questo è possibile se è il programmatore a fornire la Vdd/Vss come nel caso dei Pickit, mentre non è possibile per gli ICD o il RealCE, che richiedono il chip alimentato esternamente. Comunque, altri programmatori, commerciali e non, hanno questa possibilità. 

Per approfondire, ricordiamo che, per la programmazione HVP, sono disponibili due metodi:

VDD First, effettua l' applicazione di Vdd tenendo PGC e PGD a livello basso,  poi alzando il pin MCLR da VIL a Vppi. Questo metodo può essere utilizzato con qualsiasi Configuration Word, tranne quando INTOSC  e le opzioni MCLR interni sono selezionati.  Questa è la tecnica di default, utile quando VDD è già applicato, perché non è necessario scollegarla per entrare in modalità programmazione.

VPP First agisce tenendo PGC e PGD a livello basso e aumentando nel contempo la tensione al pin MCLR da VIL a Vpp, quindi applicando VDD e avviando poi la programmazione. Questo  metodo può essere utilizzato per cancellare qualsiasi parola di configurazione con l' oscillatore interno INTOSC e MCLR disabilitato: VPP First impedisce al dispositivo di eseguire codice prima che sia attivata la modalità di programmazione.

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Quando il problema non c'è

Essenzialmente il problema non si pone se:

• non viene configurato il clock interno
• non viene abilitato da programma il clock di Timer1

Se, infatti, non c'è clock, la logica interna che gestisce il flusso delle istruzioni non può funzionare e il programma non può avviarsi, mentre la comunicazione ICSP per la programmazione, che non dipende da questo clock, è comunque attivabile. 

Il problema non sussiste anche se non si sovrappone la funzione di oscillatore di Timer1 ai pin PGD/PGC (pare esista qualche possibilità che, in condizioni particolari di programma, anche senza l' abilitazione di T1OSC, il problema si presenti avendo configurato il clock interno e disabilitato MCLR). 

Il problema non si pone anche nel caso in cui da configurazione sia stato abilitato il metodo LVP: in tal caso basta che il pin RB3 sia mantenuto a livello alto all' arrivo della Vdd per portare il micro nella modalità di programmazione.

Diverso è il discorso dei bootloader che caricano sempre in modalità seriale, ma sotto controllo di un programma (il bootloader, appunto) pre caricato e residente nella memoria programma del microcontroller.

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Riassunto

Il problema della impossibilità di ri programmare il chip si verifica quando il dispositivo è stato precedentemente programmato in modo tale che: 

1. Si usa l'oscillatore interno -e- 
2. Il pin MCLR è disattivata per utilizzare come ingresso digitale invece -e- 
3. Il codice di programma attivato il Timer1 Oscillator nel registro delle T1CON. Quanto prima questo viene attivato dopo il vettore di reset tanto più è probabile che il problema si verifichi. 

Dunque questo problema può essere prevenuto:

• evitando una delle tre condizioni di cui sopra, 
• o, se necessarie, utilizzando la modalità di programmazione Vpp First oppure LVP (con perdita della funzione di I/O di RB3)

Il problema della apparente mancata possibilità di ri programmare il chip riguarda i Midrange a 18 pin  che hanno in condivisone PGC e PGD con l' oscillatore di Timer1, quindi:

• PIC16F627A/628A/648A
• PIC16F818/819
• PIC16F87/88

Non ci sono al momento notizie del problema su PIC18F a 18 pin (18F1220/1230/1320/1330) o negli Enhaced Midrange PIC16F1847/1826/27, anche se hanno la medesima situazione di condivisione dei pin. Altri chip a 18 pin come PIC16F716 hanno PGD/PGC collegati a pin diversi da quelli dell' oscillatore di TMR1; altri, sempre a 18 pin, come i Baseline 16F54/57/59 non hanno Timer1. 

Per i chip con numero diverso di pin la condivisone delle funzioni è differente e quindi il problema non dovrebbe verificarsi.

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Caveat

Ovviamente si deve intendere che durante una programmazione on circuit con una connessione ICSP:

• il quarzo sui pin T1OSI/T1OSO viene rimosso
• alla linea RB5/MCLR non è collegato alcun carico tale da abbattere la Vpp al di sotto del valore minimo necessario alla scrittura della Flash,
• il valore della Vpp è da considerare al minimo di 10V (max. 13V)
• il dispositivo di programmazione non è una delle troppe porcherie collegate alla seriale del PC e quindi con segnali, sopratutto Vpp, inadeguati

Le operazioni di recupero del chip vanno fatte collegando al programmatore il solo chip e non attraverso una connessione ICSP on board a meno di essere ben sicuri che questa garantisca la correttezza di temporizzazione e livello dei segnali di programmazione. 

Non rientra in questo problema il caso in cui il programmatore non riesca a stabilire la connessione con il chip anche se questo non ha le condizioni indicate nel paragrafo -Riassunto-. Per questo genere di situazioni si dovrà ricercare la causa in una cattiva connessione tra chip e dispositivo di programmazione.

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Altri metodi

Un ulteriore modo per aggirare il problema potrebbe essere quello di inserire nel sorgente, tra il vettore di reset e l' inizio del programma vero e proprio, una routine di attesa di un paio di secondi, il che darebbe tempo al programmatore di attivare la Vpp prima dell' istruzione che abilita T1OSC. Si tratta però di un escamotage poco pratico, da applicare solo se non esiste alcuna altra possibilità. 

Per conoscenza, riportiamo anche questa procedura di "hacking" hardware per forzare l' accesso alla Configurazion Word con un Pickit2:

• Mettere il chip su una breadboard dove è collegato solamente il Pickit2
• Aprire l' applicazione Pickit2 Programmer (2.40 o versione successiva).
• Selezionare "Famiglia Dispositivo> Midrange"
• Impostare la Vdd alla tensione di 3,0 volt
• Selezionare "Family Dispositivo> Midrange" di nuovo; ora dovrebbe rilevare il chip
• Se non viene rilevato, ridurre la VDD di 0,1 volt e riprovare. Ripetere l'operazione fino a quando il chip viene rilevato correttamente
• Selezionare il pulsante WRITE per cancellare. Non occorre un .hex particolare; basta che sia rimosso il programma e la Configuration Word precedenti 

Riporto questo a puro titolo di informazione in quanto non ho mai avuto l' occasione di verificare il metodo praticamente..

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Documentazione

PIC12F6XX/16F6XX Memory Programming Specification DS41204H

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