ISP Programmieradapter
Der ISP Programmerieradapter dient dazu, das selbst geschriebene und compilierte Programm in den Flash Speicher des Mikrocontrollers zu übertragen. Für Arduino Boards brauchst du keinen Programmerieradapter, denn sie sind mit einem Bootloader ausgestattet. Trotzdem haben sie einen entsprechenden Anschluss, falls der Bootloader mal versagt.
Alle von mir empfohlenen AVR Mikrocontroller haben eine ISP Schnittstelle. Es gibt aber auch Modelle mit anderen Programmierschnittstellen, für die du andere Programmieradapter brauchst.
Pinbelegung
Auf der Platine der Zielschaltung verwendet man in der Regel eine doppelreihige Stiftleiste im 2,54 mm Raster. Es gibt zwei Standard-Stecker für ISP. Der alte hat 10 Pins, der neue hat 6 Pins.
- MOSI überträgt Kommandos und Daten seriell zum Mikrocontroller (Master-Out Slave-In)
- MISO überträgt Antworten und Daten seriell zum PC (Master-In Slave-Out)
- SCK ist das Taktsignal dazu. Ees wird vom Programmieradapter erzeugt (Serial Clock). Die Frequenz darf maximal 1/4 von der CPU Taktfrequenz betragen.
- RESET wird vom Programmieradapter auf Low gezogen und gehalten, um den Mikrocontroller in den Programmier-Modus zu versetzen. Bei Modellen mit Debugwire wird der selbe Pin auch als bidirektionale serielle Leitung zum Debuggen verwendet.
- Vtarget oder VCC. Über diesen Pin versorgt normalerweise die Zielschaltung den Programmieradapter, so dass er sich an die Spannung anpassen kann. Manche Programmieradapter können an diesem Pin auch umgekehrt eine Stromversorgung mit 3,3 oder 5 Volt bereit stellen.
Diese Pins muss man 1:1 verbinden. Außerdem braucht der Mikrocontroller eine Stromversorgung, die mit einem Abblock-Kondensator (z.B. 100 nF) stabilisiert wird.
Geräte
Atmel STK500
Das STK500 von Atmel ist ein altes Experientierbrett für zahlreiche AVR Mikrocontroller im DIL Format. Ich erwähne es hier, weil dieses Board für zahlreiche Programmieradapter als Vorlage diente. Man kann es sogar noch kaufen.
Das STK500 hat zum PC hin einen seriellen RS232 Anschluss, dahinter kommt ein fest aufgelöteter Mikrocontroller, der mit der ISP Schnittstelle des zu programmierenden Mikrocontrollers (dem Target) verbunden ist.
Die meisten STK500 kompatiblen Boards haben anstelle der RS232 Schnittstelle einen USB-UART Chip, dessen Treiber einen virtuellen COM Port bereit stellt.
Das Board wird vom AVR Studio 4, Atmel/Microchip Studio 7, Arduino und Avrdude unterstützt. Die MPLAB X IDE unterstützt dieses Board nicht.
Atmel AVRISP mkII
Der Atmel AVRISP mkII ist mein lieblings Programmieradapter, weil er sehr robust ist und den ganzen Versorgungsspannungsbereich von 1,6 bis 5,5 Volt unterstützt. Debuggen kann man damit nicht.
Zum PC hin hat er einen USB Anschluss. Anders als das STK500 wird er jedoch nicht über einen (virtuellen) COM Port angesprochen, sondern direkt über USB. Die Atmel IDEs benutzen dazu den Jungo Treiber (wird zusammen mit der IDE installiert), während andere Windows Programme meist die Installation des generischen libusb Treibers erfordern. Für Linux und Mac OS ist kein Treiber nötig.
Der Atmel AVRISP mkII unterstützt AVR Mikrocontroller mit ISP, TPI und PDI Schnittstelle. Er wird vom AVR Studio 4, Atmel/Microchip Studio 7, Arduino und Avrdude unterstützt. Die MPLAB X IDE unterstützt diesen Programmieradapter nicht.
Originale gibt es nur noch gebraucht zu kaufen, aber es werden kompatible Nachbauten angeboten. Manche Geräte die so aussehen enthalten jedoch gar keinen AVRISP mkII, sondern sind zum STK500 kompatibel.
Atmel ICE
Wer AVR Mikrocontroller nicht nur programmieren sondern auch debuggen wollte, musste lange Zeit diesen teuren Atmel ICE verwenden. Bitte verwechsele dieses Produkt nicht mit den älteren "AVR JTAGICE 3" und "AVR JTAGICE mkII".
Der Atmel ICE unterstützt alle AVR Mikrocontroller mit ISP, DebugWire, JTAG, TPI, PDI und UPDI Schnittstelle. Außerdem unterstützt er einige SAM ARM Controller mit SWD und JTAG. Er unterstützt den vollen Versorgungsspannungsbereich von 1,6 bis 5,5 Volt.
Die Anschlüsse des Gerätes haben 1,27 mm Raster, so dass man auf spezielle Adapterkabel angewiesen ist.
Der Atmel ICE wird von Atmel/Microchip Studio 7 und der MPLAB X IDE voll unterstützt.
Arduino und Avrdude können den Atmel ICE zum Programmieren von AVR, jedoch nicht zum Debuggen verwenden. Dazu ist unter Windows die Installation des generischen libusb Treibers erforderlich. Für Linux und Mac OS ist kein Treiber nötig.
AVR JTAGICE mkII
Hierbei handelt es sich um ein problematisches Produkt, dass nur noch in gefälschter Form aus Asien vertrieben wird. Die guten Originale wurden zuletzt 2016 produziert. Zahlreiche Leute haben berichtet, dass ihr Nachbau nicht funktioniert. Zudem besteht der Verdacht, dass das Atmel Studio die gefälschten Geräte erkennt und unbrauchbar macht.
Microchip MPLAB Snap
Von der Firma Microchip gibt es den MPLAB Snap, mit dem man so ziemlich alle Mikrocontroller dieser Firma programmieren und auch debuggen kann.
Der MPLAB Snap arbeitet mit Spannungen von 1,4 bis 5 Volt. Mit seiner originalen Firmware unterstützt er die PIC, PIC32 und dsPIC Mikrocontroller von Microchip. Man kann mit der MPLAB X IDE auf eine andere Firmware wechseln, welche AVR Mikrocontroller mit ISP, DebugWire und JTAG, sowie SAM ARM Controller mit SWD und JTAG unterstützt. Nach einer Modifikation kann er auch AVR Mikrocontroller mit TPI, PDI und UPDI ansteuern.
Den MPLAB Snap kann man mit Avrdude und der MPLAB X IDE benutzen.
Diamex
Von der Firma Diamex gibt es einige recht gute Programmieradapter ohne Debugger Funktion, zum Beispiel diese:
Beide Programmieradapter können die Zielschaltung optional mit 3,3 V und 5 V aus dem USB Kabel versorgen.
Der "Diamex USB ISP Stick" passt sich flexibel an die Versorgungsspannung der Zielschaltung an. Der Stick ist voll kompatibel zum Atmel STK500, AVR Studio 4, Atmel/Microchip Studio 7, Arduino und Avrdude. Der zugehörige Treiber wird nur unter Windows 7 und 8 benötigt.
Der größere "Diamex AVR-Prog" Adapter kann nur mit 3,3 V und 5 V programmieren. Dafür unterstützt er neben ISP auch TPI und PDI Schnittstellen. Der Adapter ist voll kompatibel zum Atmel AVRISP mkII, AVR Studio 4, Atmel/Microchip Studio 7, Arduino und Avrdude. Für Arduino und Avrdude braucht er unter Windows den libusb Treiber. Für Linux und Mac OS ist kein Treiber nötig.
Die MPLAB X IDE unterstützt keinen Programmieradapter von Diamex.
USBASP
Der USBASP ist ein alter Programmieradapter von Thomas Fischl. Er beschränkt sich auf das Programmieren von AVR Mikrocontroller mit ISP Schnittstelle, ohne Debugging.
Zahlreiche chinesische Händler bieten Nachbauten zu einem sehr geringen Preis an. Sie können den Mikrocontroller wahlweise mit 3,3 oder 5 Volt versorgen, aber ihre Signale haben trotzdem immer 5 Volt Pegel, was ich für einen groben Designfehler halte. Wegen dem veralteten 10 poligen Anschluss braucht man einen Adapter. Bei der Gelegenheit habe ich vier 180 Ohm Widerstände in die Signal-Leitungen eingefügt, welche meine 3,3 Volt Schaltungen vor Überspannung beschützen.
Die Umschaltung der Übertragungsrate wird je nach Firmware unterschiedlich gehandhabt:
- Mit Jumper JP3 kann man die Taktrate auf "Slow" stellen, um Mikrocontroller anzusprechen, die weniger als 4 MHz Systemtakt haben.
- Die Umschaltung in den "Slow" Modus geschieht automatisch.
- Die Taktrate kann per Software eingestellt werden (avrdude -B16).
Der USBASP ist zu keinem anderen Programmieradapter kompatibel, daher wird er von den Entwicklungsumgebungen von Atmel/Microchip nicht unterstützt.
Er wird aber von Avrdude und Arduino unterstützt. Unter Windows wird der libusb Treiber benötigt. Für Linux und Mac OS ist kein Treiber nötig.
Avrdude
Avrdude von Joerg Wunsch ist ein sehr weit verbreitetes Bedienprogramm für viele ISP Programmieradapter. Sogar die Arduino IDE benutzt es als Unterprogramm. Avrdude wird über Komandozeilen-Parameter gesteuert, aber es gibt auch grafische Benutzeroberflächen dazu.
Linux Benutzer finden das Programm im Paketmanager ihrer Distribution.
Der Download für Windows ist dort.
Die richtigen Kommandozeilen-Optionen findet man schnell mit Google, indem man nach dem Namen des Programmieradapters und "Avrdude" sucht. Beispiele:
| Programmieradapter | Befehl |
|---|---|
| Atmel STK500, Diamex USB-ISP Stick | avrdude -c stk500 -P COM3 -B16 -p attiny2313 |
| Atmel AVRISP mfkII, Diamex AVR-Prog | avrdude -c avrispmkii -B16 -p attiny2313 |
| Atmel ICE | avrdude -c atmelice_isp -B16 -p attiny2313 |
| MPLAB Snap | avrdude -c snap_isp -B16 -p attiny2313 |
| USBASP | avrdude -c usbasp -B16 -p attiny2313 |
| ICprog-AVR2.0 | avrdude -c avr910 -P COM3 -b 115200 -p attiny2313 |
| Arduino Boards mit altem Bootloader | avrdude -c arduino -P COM3 -b 57600 -p atmega328 |
| Arduino Boards mit neuem Bootloader | avrdude -c arduino -P COM3 -b 115200 -p atmega328 |
Windows:
USB Geräte mit virtuellem COM Port lösen beim Anstecken die Installation des Treibers passend zum USB Chip aus. Schau dir im Gerätemanager von Windows an, welcher COM Port beim Einstecken hinzugefügt wird. Diesen gibst du hinter dem Parameter -P an. Zweistellige Port Nummern muss man bei alten Programmversionen so angeben: "-P \\.\COM10".
Programmieradapter ohne virtuellen COM-Port erfordern unter Windows die manuelle Installation des libusb Treibers.
Linux und Mac OS:
Linux und Mac OS enthält die nötigen Treiber für alle USB Geräte bereits standardmäßig. Die virtuellen COM-Ports heissen z.B. /dev/ttyUSB0, /dev/tty.usb oder so ähnlich. Im Zweifelsfall hilft bei Linux die Ausgabe vom Befehl sudo dmesg -Tw beim Anstecken des USB Kabels. Unter Umständen brauchst du Root Rechte, um den Programmieradapter zu benutzen (sudo avrdude ... eingeben).
Bei USB Geräten ohne virtuellen COM Port gibt man "-P usb" an oder lässt den Parameter ganz weg.
Der Parameter -B16 reduziert die Geschwindigkeit der Kommunikation zwischen Programmieradapter und Mikrocontroller. Ohne diesen Parameter würde er den standardmäßig mit nur 1Mhz getakteten Mikrocontroller überfordern. Je größer die Zahl, umso langsamer die Kommunikation. Der Parameter wird von manchen Programmieradaptern ignoriert.
Der Parameter -p ... gibt an, welcher Mikrocontroller-Typ angeschlossen ist.
So teste ich Avrdude mit einem Atmel AVRISP mkII unter Ubuntu Linux:
Avrdude liest die Signatur und die Fuses des Mikrocontrollers aus. Wenn Avrdude (wie in diesem Fall) meckert, dass die Signatur falsch sei, dann hat man entweder den Mikrocontroller-Typ falsch angegeben, oder die Übertragung zwischen Programmieradapter und Mikrocontroller ist gestört. Die häufigsten Ursachen für gestörte Übertragungen sind:
- Die Taktrate ist zu hoch (Parameter -B16 vergessen)
- Kabelbruch im Flachbandkabel
- Wackelkontakt auf dem Steckbrett
- Der Abblock-Kondensator fehlt
- Andere Bauteile an den betroffenen Leitungen stören
Als GUI empfehle ich AVR8 Burn-O-Mat, welches eine Java Runtime in Version 8 oder neuer benötigt. Oder alternativ AVRDUDESS, welches in .NET programmiert wurde und unter Linux mit "mono" ausgeführt werden kann.
Avr-Osp II
Für ISP Programmieradapter, die PC seitig mit den Protokollen AVR910, AVR911, AVRISP, AVROSP und AVROSPII kommunizieren, kann man auch das Windows Programm Avr-Osp II .547 benutzen. Zur russischen Webseite des Autors geht es hier lang.
AVR Modelle mit ISP
Ich empfehle ich diese AVR Modelle:
- 8 Pins: ATtiny 25, 45, 85
- 14 Pins: ATtiny 24, 44, 84, 441, 841
- 20 Pins: ATtiny 261, 461, 861
- 28 Pins: ATmega 48, 88, 168, 328, 48PB, 88PB, 168PB, 328PB (PB nur in SMD verfügbar)
- 40 Pins: ATmega 164, 324, 644, 1284
- 64 Pins: ATmega 1281, 2561 (nur in SMD verfügbar)
- 100 Pins: ATmega 640, 1280, 2560 (nur in SMD verfügbar)
- V: Low voltage, funktionieren mit weniger Spannung als üblich
- P: Power save, nehmen etwas weniger Strom auf
- A: Erweiterte Version mit mehr Funktionen
- B: nochmal erweiterte Version (z.B. hat der ATmega328PB zwei serielle Ports)