FAKULTA ELEKTROTECHNIKY

´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY ˇ ÍCH TECHNOLOGIÍ A KOMUNIKACN ´ ˇ RIC ˇ Í TECHNIKY USTAV AUTOMATIZACE A ME FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION

´ ´ SPRAVA ´ ˇ ´ ´ U ˚ VZDALEN A JEDNOCIPOV YCH SYSTEM REMOTE MAINTENANCE OF THE MICROCONTROLLER SYSTEMS

´ PRACE ´ DIPLOMOVA MASTER’S THESIS

´ AUTOR PRACE

´ Bc. MARTIN VAGNER

AUTHOR

´ VEDOUCÍ PRACE SUPERVISOR

BRNO 2010

Ing. Pavel Kuˇcera, Ph.D.

ABSTRAKT Práce ˇreˇs´ı problematiku vzdálené správy pamˇeti programu (firmware) jednoˇcipových systém˚ u zaloˇzených na mikrokontrolérech ˇrady Atmel AVR prostˇrednictv´ım rozhran´ı Ethernet a protokol˚ u TCP/IP. Komunikaci zprostˇredkovává embedded server NE-4100T. V u´vodu jsou rozebrány vlastnosti pouˇzitého embedded serveru a zp˚ usoby programován´ı mikrokontrolér˚ u Atmel AVR. Zvoleným ˇreˇsen´ım u´lohy je pak metoda bootloaderu, pro niˇz byl navrˇzen komunikaˇcn´ı protokol, softwarové vybaven´ı mikrokontroléru a obsluˇzný program pro PC. Po hardwarové stránce ˇreˇsen´ı zahrnuje návrh obvod˚ u pro propojen´ı serveru NE-4100T s modulem mikrokontroléru, sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce napˇet´ı, obvodu hodin reálného ˇcasu a pˇr´ısluˇsné desky ploˇsných spoj˚ u. V projektu se podaˇrilo splnit poˇzadavky na vzdálenou správu pamˇeti programu mikrokontroléru, ale nebylo nalezeno dostateˇcné ˇreˇsen´ı stran zabezpeˇcen´ı proti neoprávnˇenému pˇr´ıstupu a napaden´ı systému.

ˇ ´ SLOVA KLÍCOV A Vzdálená správa, mikrokontrolér, zápis a mazán´ı pamˇeti programu, firmware, bootloader, Atmel AVR, Ethernet, TCP/IP, MOXA NE-4100T, ATmega644

ABSTRACT This thesis deals with methods of remote maintenance of microcontroller systems based on Atmel AVR family over the Ethernet interface and TCP/IP protocols. To create communication through TCP/IP, an embedded server NE-4100T is used. At the beginning, key features of the server and methods of handling with content of a program memory are discussed. The final solution is based on the bootloader method. It includes bootloader firmware and user program for PC. The hardware part covers design of interconnection electronics, DC-DC step down converter, real time clock and printed circuit board. The remote maintenance of program memory has been sucessfully solved, but the embedded server NE-4100T produces a problem with an auhentification without a sufficient solution.

KEYWORDS Remote maintenance, microcontroller, programming and erasing of the program memory, firmware, bootloader, Atmel AVR, Ethernet, TCP/IP, MOXA NE-4100T, ATmega644

´ VAGNER, M.: Vzdálená správa jednoˇcipových systém˚ u. Brno: Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, 2010. 92 s. Vedouc´ı diplomové práce Ing. Pavel Kuˇcera, Ph.D.

´ SEN ˇ Í PROHLA Prohlaˇsuji, ˇze svou diplomovou práci na téma

Vzdálená správa jednoˇcipových ” systém˚ u“ jsem vypracoval samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho diplomové práce a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım této diplomové práce jsem neporuˇsil autorská práva tˇret´ıch osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zp˚ usobem do ciz´ıch autorských práv osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedom následk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı § 11 a následuj´ıc´ıch autorského zákona ˇc. 121/2000 Sb., vˇcetnˇe moˇzných trestnˇeprávn´ıch d˚ usledk˚ u vyplývaj´ıc´ıch z ustanoven´ı § 152 trestn´ıho zákona ˇc. 140/1961 Sb.

V Brnˇe dne

...............

.................................. (podpis autora)

ˇ ´ Í PODEKOV AN Dˇekuji vedouc´ımu diplomové práce Ing. Pavlu Kuˇcerovi, Ph.D. za u´ˇcinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a dalˇs´ı cenné rady pˇri zpracován´ı mé diplomové práce.

V Brnˇe dne

...............

.................................. (podpis autora)

´ ˇ RIC ˇ I´ TECHNIKY USTAV AUTOMATIZACE A ME Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe

6

Obsah ´ 1 Uvod

11

2 Volba koncepce rˇ eˇsen´ı

12

2.1

2.2

2.3

2.4

Rozbor vlastnost´ı embedded serveru NE-4100T . . . . . . . . . . . . . .

12

2.1.1

Napájen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.1.2

Rozhran´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.1.3

Pracovn´ı módy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.1.4

Mechanické specifikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.1.5

Konfigurace a softwarové vybaven´ı . . . . . . . . . . . . . . . .

16

Mikrokontroléry Atmel AVR 8-bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.2.1

Architektura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.2.2

Typy pamˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Metody programován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.3.1

Paraleln´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.3.2

Sériové . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.3.3

Rozhran´ı IEEE 1149.1 (JTAG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.3.4

Rozhran´ı debugWIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.3.5

Bootloader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

Rozbor moˇzných zp˚usob˚u ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.4.1

Bootloader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.4.2

SPI, JTAG, debugWIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.4.3

Jiný server neˇz NE-4100T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

ˇ sen´ı 3 Reˇ

25

3.1

Funkce bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.2

Poˇzadovaný hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.2.1

CPU unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.2.2

Monitor napájen´ı a watchdog timer . . . . . . . . . . . . . . . .

27

Rozbor funkc´ı a cˇ innosti bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

Pamˇet’ový prostor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3

3.3.1


3.4

3.5

3.6

7

3.3.2

Konfiguraˇcn´ı bity pamˇeti programu . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.3.3

Spuˇstˇen´ı bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.3.4

Vektory pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.3.5

Instrukce SPM, registr SPMCSR . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.3.6

Mazán´ı stránky pamˇeti programu . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.3.7

Zápis stránky pamˇeti programu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3.3.8

Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu . . . . . . . . . . . .

36

3.3.9

ˇ ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cten´

38

ˇ ı podpisu MCU a kalibrace RC oscilátoru . . . . . . . . . . . 3.3.10 Cten´

38

Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.4.1

Zmˇeny modulu CPU unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

3.4.2

Propojen´ı NE-4100T a modulu CPU unit . . . . . . . . . . . . .

40

3.4.3

Hodiny reálného cˇ asu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.4.4

Napájec´ı zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.4.5

Vstupy a výstupy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

3.4.6

Deska ploˇsných spoj˚u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

3.4.7

Poˇzadavky na souˇca´ stky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

Komunikaˇcn´ı protokol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

3.5.1

Formát pˇrenosu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

3.5.2

Start bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

3.5.3

Princip potvrzen´ı operac´ı mazán´ı a zápisu . . . . . . . . . . . . .

50

3.5.4

Vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

3.5.5

Zápis do aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

3.5.6


52

3.5.7

ˇ ı podpisu MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cten´

52

3.5.8


54

3.5.9

Neplatný pˇr´ıkaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.6.1

Struktura projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.6.2

Start bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.6.3

ˇ an´ı na pˇr´ıkaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cek´

57


3.7

8

3.6.4

Vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

3.6.5

Zápis do aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

3.6.6


63

3.6.7

ˇ ı podpisu MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cten´

63

3.6.8


63

3.6.9

Pomocné funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

3.6.10 Konfigurace bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.6.11 Kompilace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

3.6.12 Konfigurace mikrokontroléru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

3.6.13 Konfigurace NE-4100T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

Softwarové vybaven´ı PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

3.7.1

Knihovna pro TCP komunikaci . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

3.7.2

Knihovna k ovládán´ı DIO portu NE-4100T . . . . . . . . . . . .

73

3.7.3

Knihovna rozhran´ı bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

3.7.4

Konzolová aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

4 Výsledky

78

5 Závˇer

80

Reference

81

˚ veliˇcin a zkratek Seznam symbolu,

83

Seznam pˇr´ıloh

84

A Schéma zapojen´ı modulu CPU unit

85

B Schéma zapojen´ı modulu BOOT unit

86

C Desky ploˇsných spoju˚ modulu BOOT unit

87

D Seznam souˇca´ stek

89

E Pˇrehled MCU rˇ ady Atmel AVR 8-bit

90


9

Seznam obrázku˚ 2.1

Blokové schéma NE-4100T [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.2

Mechanické uspoˇra´ dán´ı modulu NE-4100T [1] . . . . . . . . . . . . . .

16

2.3

Blokové schéma ATmega644 [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.1

Základn´ı zapojen´ı MB3773 [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.2

ˇ Casov´ e pr˚ubˇehy MB3773 [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.3

Rozdˇelen´ı pamˇeti Flash ATmega644 [11] . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.4

Adresován´ı instrukce SPM [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.5

Vývojové diagramy uˇzit´ı instrukce SPM . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.6

Blokové schéma zapojen´ı modulu BOOT unit . . . . . . . . . . . . . . .

39

3.7

Ovládán´ı signálu E RESET

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.8

Blokové zapojen´ı hodin reálného cˇ asu PCF8563 [17] . . . . . . . . . . .

42

3.9

Schéma zapojen´ı hodin reálného cˇ asu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.10 Schéma zapojen´ı napájec´ıho zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.11 Schéma zapojen´ı vstup˚u a výstup˚u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

3.12 Formát pˇrenosu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

3.13 Vývojový diagram spuˇstˇen´ı bootloaderu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

3.14 Vývojový diagram cˇ ekán´ı na pˇr´ıkaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

3.15 Vývojový diagram vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . . . .

60

3.16 Vývojový diagram zápisu do aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . . . . .

62

3.17 Vývojové diagramy cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u, podpisu MCU a zápisu konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.1 Deska ploˇsných spoj˚u - vrstva Top“ . . ” C.2 Deska ploˇsných spoj˚u - vrstva Bottom“ ” C.3 Rozloˇzen´ı souˇca´ stek - vrstva Top“ . . . ” C.4 Rozloˇzen´ı souˇca´ stek - vrstva Bottom“ . ”

64

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

88


10

Seznam tabulek 2.1

Parametry pˇrenosu dat na rozhran´ı UART0 [1] . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.2

Rozloˇzen´ı vývod˚u modulu NE-4100T [1] . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.1

Konfigurace velikosti sekce bootloaderu u ATmega644 [11] . . . . . . . .

30

3.2

Konfiguraˇcn´ı bity pamˇeti programu - aplikaˇcn´ı sekce [11] . . . . . . . . .

32

3.3

Konfiguraˇcn´ı bity pamˇeti programu - sekce bootloaderu [11] . . . . . . .

32

3.4

Konfigurace um´ıstˇen´ı vektor˚u pˇreruˇsen´ı [11] . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.5

ˇ Casov´ an´ı zápisu instrukc´ı SPM [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.6

Hodnoty registru Z pro cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u [11] . . . . . . . . . . .

38

3.7

Mapován´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u do registru [11] . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.8

Hodnoty registru Z pro cˇ ten´ı podpisu MCU a kalibrace RC oscilátoru [11]

39

3.9

Formát identifikaˇcn´ı sekvence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

3.10 Formát komunikace pˇri mazán´ı aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . . .

51

3.11 Formát komunikace pˇri zápisu do aplikaˇcn´ı sekce . . . . . . . . . . . . .

53

3.12 Formát komunikace pˇri cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u . . . . . . . . . . . . .

53

3.13 Formát komunikace pˇri cˇ ten´ı podpisu MCU . . . . . . . . . . . . . . . .

53

3.14 Formát komunikace pˇri zápisu konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu . . .

54

3.15 Odpovˇed’ na neplatný pˇr´ıkaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.16 Struktura projektu firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3.17 Srovnán´ı nárok˚u výpoˇct˚u kontroln´ıho souˇctu (63232 B, ATmega644) . . .

65

3.18 Parametry pˇrekladaˇce AVR-GCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

3.19 Parametry linkeru AVR-GCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

3.20 Konfigurace MCU ATmega644 v modulu CPU unit . . . . . . . . . . . .

71

3.21 Konfigurace NE-4100T - povinné parametry . . . . . . . . . . . . . . . .

72

3.22 Formát pˇr´ıkazu a odpovˇedi pro nastaven´ı DIO signálu NE-4100T [1] . . .

74

3.23 Návratové kódy pˇr´ıkazu pro nastaven´ı DIO signálu NE-4100T [1] . . . .

74

3.24 Parametry pˇr´ıkazové ˇra´ dky uˇzivatelské aplikace . . . . . . . . . . . . . .

77


´ 1 Uvod V souˇcasné dobˇe elektronická zaˇr´ızen´ı stále ve vˇetˇs´ım mnoˇzstv´ı vyuˇz´ıvaj´ı nam´ısto mnoha jednoúcˇ elových obvod˚u integrovaná ˇreˇsen´ı v podobˇe mikrokontrolér˚u. Mezi hlavn´ı d˚uvody patˇr´ı velké mnoˇzstv´ı integrovaných periferi´ı, rostouc´ı výkon a d´ıky masové produkci také klesaj´ıc´ı cena. Integrované periferie pˇreb´ıraj´ı funkci extern´ıch podp˚urných obvod˚u, cˇ´ımˇz zjednoduˇsuj´ı celé zaˇr´ızen´ı a tak zmenˇsuj´ı jeho rozmˇery. Mikrokontroléry bývaj´ı nejˇcastˇeji vybaveny pamˇet´ı programu typu flash, proto m˚uzˇ e být program opakovanˇe pˇrepsán. Pˇrepisován´ı obsahu pamˇeti programu ve výsledku dovoluje u stáváj´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı jednoduˇse modifikovat programové vybaven´ı, a tak pˇridávat nové funkce, cˇ i odstraˇnovat pˇr´ıpadné chyby. Z tˇechto skuteˇcnost´ı logicky vyplývá poˇzadavek na nástroje, které umoˇzn´ı správu tˇechto systém˚u. S rozvojem výpoˇcetn´ı techniky a s´ıt’ového rozhran´ı Ethernet docház´ı k pronikán´ı tˇechto technologi´ı i do oblasti pr˚umyslové automatizace a embedded zaˇr´ızen´ı. Rozvoj Ethernetu v tˇechto odvˇetv´ıch zp˚usobil pˇredevˇs´ım pˇr´ıchod technologie Fast Ethernet s pˇrenosovou rychlost´ı 100 Mbit/s, která spolu s vhodným komunikaˇcn´ım protokolem dosahuje lepˇs´ıch vlastnost´ı z hlediska odezvy a pˇrenosové rychlosti na vˇetˇs´ı vzdálenosti ve srovnán´ı s bˇezˇ nými technologiemi jako Profibus DP. Vzdálená správa pak nacház´ı své m´ısto hlavnˇe z hlediska snazˇs´ı diagnostiky, minimalizace náklad˚u na u´ drˇzbu a rychlejˇs´ımu ˇreˇsen´ı problém˚u, protoˇze tak cˇ asto odpadá nutnost fyzické pˇr´ıtomnosti operátora u daného zaˇr´ızen´ı. Z principu vzdáleného pˇr´ıstupu na druhou stranu vznikaj´ı i nová rizika. T´ım je pˇredevˇs´ım moˇznost vzdáleného napaden´ı systému za u´ cˇ elem neoprávnˇeného z´ıskán´ı procesn´ıch dat, pozmˇenˇen´ı jeho cˇ innosti nebo u´ plného vyˇrazen´ı z provozu. Práce si klade za c´ıl vytvoˇrit systém pro vzdálenou správu modulu s mikrokontrolérem typu Atmel AVR prostˇrednictv´ım s´ıt’ového rozhran´ı Ethernet a sadou protokol˚u transportn´ı vrstvy TCP/IP. K implementaci rozhran´ı Ethernet bude vyuˇzito embedded serveru NE-4100T. Pro tyto komponenty bude ˇreˇsen´ı zahrnovat návrh obvod˚u nutných k jejich vzájemnému propojen´ı a napájen´ı, dále návrh desky ploˇsných spoj˚u a následnou realizaci celého zaˇr´ızen´ı. Snahou bude pˇredevˇs´ım jednoduchost, v rámci moˇznost´ı generalizace ˇreˇsen´ı na co nejˇsirˇs´ı poˇcet obvod˚u z ˇrady Atmel AVR a zabezpeˇcen´ı systému.

11


2 Volba koncepce rˇ eˇsen´ı ´ Uvod práce bude zamˇeˇren na zevrubné vlastnosti poˇzadovaných komponent, kterými jsou pˇredevˇs´ım embedded server NE-4100T a mikrokontroléry ˇrady Atmel AVR. Na jejich základˇe pak budou diskutovány r˚uzné zp˚usoby ˇreˇsen´ı, jejich výhody, nevýhody a nakonec zvoleno jedno konkrétn´ı ˇreˇsen´ı.

2.1 Rozbor vlastnost´ı embedded serveru NE-4100T Moduly ˇrady NE-4100 pˇredstavuj´ı jednoduchý zp˚usob implementace ethernetového rozhran´ı a protokol˚u TCP/IP do jakékoliv aplikace disponuj´ıc´ı sériovým rozhran´ım. Jedná se o embedded server, jenˇz vytváˇr´ı most mezi rozhran´ım Ethernet a asynchronn´ım sériovým portem s ˇradou dalˇs´ıch funkc´ı. Moduly jsou k dispozici v nˇekolika modifikac´ıch liˇs´ıc´ıch se zp˚usobem pˇripojen´ı a montázˇ e do c´ılového zaˇr´ızen´ı. ˇ ˇr´ıd´ı sˇestnáctibitový procesor Blokové schéma se nacház´ı na obrázku 2.1. Cinnost z ˇrady 80186 doplnˇený o 1 MB pamˇeti dat typu SDRAM, 2 MB pamˇeti programu flash, coˇz umoˇznˇ uje aktualizaci firmware modulu, a dvˇe asynchronn´ı sériové linky. Rozhran´ı Ethernet se skládá z obvod˚u fyzické a linkové vrstvy. Na nˇe navazuje implementace TCP/IP komunikace. Nav´ıc jsou k dispozici cˇ tyˇri digitáln´ı signály konfigurovatelné jako vstupy cˇ i výstupy pro vˇseobecné u´ cˇ ely a signalizaˇcn´ı LED definuj´ıc´ı stav modulu.

Obrázek 2.1: Blokové schéma NE-4100T [1]

12


2.1.1 Napájen´ı Hlavn´ı nevýhodou modulu je poˇzadované napájec´ı napˇet´ı 5 V ± 5 % a maximáln´ı odeb´ıraný proud 290 mA [1]. Modern´ı zaˇr´ızen´ı s n´ızkou spotˇrebou obvykle pracuj´ı s niˇzsˇ´ım napájec´ım napˇet´ım (3,3 nebo 1,8 V), coˇz znemoˇznˇ uje snadné vyuˇzit´ı modulu NE-4100T v tˇechto pˇr´ıpadech z d˚uvodu rozd´ılných logických u´ rovn´ı. Výrobcem udávaná n´ızká spotˇreba 1,5 W rovnˇezˇ nen´ı ve srovnán´ı s obdobnými konkurenˇcn´ımi výrobky (EM1000 a EM1202 [4], EZL-50M [5], XT-Nano-XXL [6], FModTCP DB [7]), které se pohybuj´ı v oblasti 0,4 aˇz 0,7 W, nikterak výjimeˇcná.

2.1.2 Rozhran´ı Ethernet Fyzickou vrstvu vytváˇr´ı obvod RTL8201BL. Podporovány jsou dnes nejbˇezˇ nˇeji pouˇz´ıvané standardy 10Base-T a 100Base-TX s moˇznost´ı poloviˇcn´ıho nebo plného duplexu, pˇriˇcemˇz nechyb´ı automatická detekce (auto negotiation). Na modulu se dále nacház´ı nezbytný oddˇelovac´ı transformátor s izolaˇcn´ım napˇet´ım 1,5 kV, který tvoˇr´ı galvanické oddˇelen´ı. Sériové rozhran´ı Modul NE-4100T obsahuje dvˇe rozd´ılnˇe vybavená asynchronn´ı sériová rozhran´ı s logickými u´ rovnˇemi TTL. Pro pˇripojen´ı serveru k uˇzivatelskému zaˇr´ızen´ı slouˇz´ı plnohodnotné rozhran´ı UART0. K dispozici jsou signály TxD, RxD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD. Moˇzná nastaven´ı parametr˚u pˇrenosu dat udává tabulka 2.1. Rozhran´ı UART1 zprostˇredkovává vstup a výstup konfiguraˇcn´ı konzole. Parametry pˇrenosu jsou pevnˇe nastaveny výrobcem na 19200 bit/s, 8 datových bit˚u, 1 stop bit, bez parity a ˇr´ızen´ı toku. Rozhran´ı má vyvedeny pouze signály RxD, TxD. Digitáln´ı vstupy/výstupy Modul dále nab´ız´ı cˇ tyˇri programovatelné vstupnˇe-výstupn´ı porty s logickými u´ rovnˇemi typu TTL. U kaˇzdého DIO m˚uzˇ e uˇzivatel definovat jeho funkci (vstup cˇ i výstup) a ˇ ı a programován´ı prob´ıhá pomoc´ı pˇr´ıkaz˚u v pˇr´ıpadˇe výstupu logickou u´ roveˇn. Cten´

13


na definovaném TCP portu ([1], pˇr´ıloha D DIO Commands“). Nevýhoda spoˇc´ıvá ve ” skuteˇcnosti, zˇ e pˇr´ıstup k tˇemto funkc´ım m˚uzˇ e být omezen pouze povolenými IP adresami ([1], kapitola 6 Accessible IP Settings“). ” Datových bit˚u

5, 6, 7, 8

Stop bit˚u

1, 1,5, 2

Parita

zˇ a´ dná, sudá, lichá, space (vˇzdy 0), mark (vˇzdy 1)

ˇ ızen´ı toku dat R´

vypnuto, hardwarové RTS/CTS, softwarové XON/XOFF

Pˇrenosová rychlost

50 bit/s aˇz 115,2 kbit/s (PCB V1.x) 110 kbit/s aˇz 230 kbit/s (PCB V2.x)

Vyrovnávac´ı pamˇet’

vypnuta, 16 B (FIFO)

Tabulka 2.1: Parametry pˇrenosu dat na rozhran´ı UART0 [1]

2.1.3 Pracovn´ı módy Hlavn´ı výhoda modulu NE-4100T spoˇc´ıvá pro jednoduchá zaˇr´ızen´ı v implementaci komunikace pomoc´ı TCP/IP protokolu, coˇz vede ke zjednoduˇsen´ı c´ılové aplikace. Uˇzivatel má k dispozici sériové rozhran´ı, kde data jsou pˇrenásˇena prostˇrednictv´ım Ethernetu a protokol˚u TCP/IP bez nutnosti zabývat se konkrétn´ı problematikou tˇechto vrstev. Ke splnˇen´ı u´ cˇ elu a poˇzadavk˚u c´ılové aplikace jsou k dispozici cˇ tyˇri módy, ve kterých m˚uzˇ e modul pracovat. Tyto moˇznosti se snaˇz´ı postihnout nejbˇezˇ nˇejˇs´ı poˇzadavky ze strany uˇzivatelských zaˇr´ızen´ı. Jedná se o varianty TCP server, TCP klient, UDP a virtuáln´ı sériový port. TCP server Modul v módu TCP server naslouchá na své IP adrese a zvoleném TCP portu. Na zˇ a´ dost klienta je sestaveno obousmˇerné spojen´ı, které umoˇznˇ uje zapisovat a cˇ´ıst data prostˇrednictv´ım sériové linky. Princip protokolu TCP [9, 8] garantuje spolehlivé doruˇcen´ı dat ve správném poˇrad´ı, nebo informaci o jejich nedoruˇcitelnosti. V jednom okamˇziku dovoluje server pˇripojen´ı aˇz cˇ tyˇr klient˚u souˇcasnˇe, pˇriˇcemˇz jejich poˇcet lze dle potˇreby libovolnˇe omezit.

14


TCP server mód se tedy jev´ı výhodný pˇredevˇs´ım pro samostatnˇe pracuj´ıc´ı zaˇr´ızen´ı, dálkovou správu, terminály a uˇzivatelská rozhran´ı, zvlásˇtˇe je-li poˇzadováno potvrzen´ı o pˇrenesen´ı dat. TCP klient Tento mód dovoluje pˇripojen´ı modulu protokolem TCP ke vzdálenému hostiteli. Jeho IP adresa a c´ılový port mus´ı být pˇredem znám a pevnˇe nastaven. Data se následnˇe pˇrenásˇ´ı obousmˇernˇe a k ukonˇcen´ı spojen´ı docház´ı po definovaném cˇ asovém intervalu, je-li pˇrenos dat neaktivn´ı. Z pouˇzit´ı protokolu TCP pak vyplývaj´ı stejné vlastnosti jako u módu server. Sestaven´ı spojen´ı tedy docház´ı na zˇ a´ dost modulu, a tak data mohou být pˇrenásˇena v návaznosti na cˇ asovˇe nedeterministické události. T´ım se sniˇzuje zat´ızˇ en´ı s´ıtˇe nadbyteˇcnou komunikac´ı, kterou by zp˚usobovalo udrˇzován´ı spojen´ı cˇ i kontrolován´ı zmˇen v reˇzimu server. UDP mód Pˇrenos dat se realizuje prostˇrednictv´ım protokolu UDP [10, 8]. Hlavn´ı rozd´ıl UDP módu od mód˚u TCP tedy spoˇc´ıvá v komunikaci bez nutnosti sestavit spojen´ı. Mezi výhody patˇr´ı menˇs´ı nároˇcnost, rychlejˇs´ı pˇrenos dat a moˇznost snadného doruˇcen´ı dat na velké mnoˇzstv´ı adres (multicasting). Nevýhodou je pˇredevˇs´ım absence ovˇeˇren´ı správného doruˇcen´ı na u´ rovni protokolu UDP. Mód se s výhodou pouˇz´ıvá hlavnˇe k u´ lohám, které nevyˇzaduj´ı vysokou spolehlivost, jako napˇr´ıklad vizualizace. Vzhledem k absenci postup˚u pro spolehlivé doruˇcen´ı, které vnásˇej´ı cˇ asovˇe nedeterministické chován´ı, je UDP mód vhodný i pro u´ lohy s poˇzadavky na práci v reálném cˇ ase, kdy chybové stavy ˇreˇs´ı pˇr´ısluˇsný nadˇrazený protokol. Real COM mód Základ spoˇc´ıvá ve vytvoˇren´ı virtuáln´ıho sériového portu COM na PC pomoc´ı dodávaných ovladaˇcu˚ . Data se pak pˇrenásˇej´ı mezi t´ımto portem a vzdáleným rozhran´ım modulu NE-4100T. Z hlediska softwarového vybaven´ı PC se port chová jako standardn´ı port instalovaný v PC.

15


Mód má za c´ıl pˇredevˇs´ım snadné rozˇs´ıˇren´ı stávaj´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı a software s rozhran´ım RS232 o komunikaci prostˇrednictv´ım Ethernetu. V tomto reˇzimu mus´ı být bráno v potaz dopravn´ı zpoˇzdˇen´ı zp˚usobené pˇrenosem dat, které m˚uzˇ e snadno dosáhnout jednotek sekund, a tak následnˇe zapˇr´ıcˇ init nefunkˇcnost dané aplikace.

2.1.4 Mechanické specifikace Verze NE-4100T je urˇcena k montázˇ i na desku s ploˇsnými spoji jako modul o rozmˇerech 36 x 45 mm s rozloˇzen´ım vývod˚u v uspoˇra´ dán´ı DIL-26 a rozteˇc´ı 2,54 mm, jak ukazuje obrázek 2.2. Pracovn´ı podm´ınky [2] se liˇs´ı pˇredevˇs´ım provozn´ım teplotn´ım rozsahem. Moduly ve standardn´ım proveden´ı jsou urˇceny pouze pro kladné hodnoty v rozsahu 0 aˇz 55 ◦ C. Modely s rozˇs´ıˇreným teplotn´ım rozsahem (oznaˇcené T) mohou pracovat v rozsahu teplot −40 aˇz 75◦ C. Povolený rozsah relativn´ı vlhkosti spadá do rozmez´ı 5 aˇz 95 %.

Obrázek 2.2: Mechanické uspoˇra´ dán´ı modulu NE-4100T [1] Rozloˇzen´ı vývod˚u udává tabulka 2.2. Signály ETx+, ETx-, ERx+, ERx- náleˇz´ı rozhran´ı Ethernet a jsou urˇceny k vyveden´ı na standardn´ı konektor typu RJ45. Vstupy GND a +5 V jsou pˇr´ıvody napájec´ıho napˇet´ı, PIO0 aˇz PIO3 uˇzivatelské vstupnˇe-výstupn´ı signály a ostatn´ı piny náleˇz´ı sériovým rozhran´ım UART0 a UART1. Signály 10M LED a 100M LED udávaj´ı aktuáln´ı stav ethernetového rozhran´ı, Ready LED stav modulu.

2.1.5 Konfigurace a softwarové vybaven´ı Správu a nastaven´ı modulu zprostˇredkovává rozhran´ı Network Enabler Configuration Interface (NECI), webové rozhran´ı, protokol telnet nebo sériová konzole na portu UART1.

16


1

ETx+ (RJ45 pin 1)

8

RTS

15

PIO1

22

GND

2

ETx- (RJ45 pin 2)

9

CTS

16

PIO2

23

Ready LED

3

ERx+ (RJ45 pin 3)

10

Reset

17

PIO3

24

+5 V

4

ERx- (RJ45 pin 6)

11

GND

18

100M LED

25

+5 V

5

10M LED

12

GND

19

DCD

26

RXD1

6

TXD

13

TXD1

20

DSR

-

-

7

RXD

14

PIO0

21

DTR

-

-

Tabulka 2.2: Rozloˇzen´ı vývod˚u modulu NE-4100T [1] Od verze firmware 3.0 je nav´ıc dostupný tzv. Serial Command Mode“, a tak lze soubo” rem speciáln´ıch pˇr´ıkaz˚u [3] modul konfigurovat pˇr´ımo prostˇrednictv´ım datového portu UART0. Pro rozhran´ı NECI existuje nástroj s grafickým rozhran´ım Network Enabler Admi” nistrator“, nebo DLL knihovna pro jednoduchou integraci do uˇzivatelské aplikace. Zabezpeˇcen´ı Z hlediska informaˇcn´ı bezpeˇcnosti modul NE-4100T dovoluje pˇr´ıstup k nastaven´ım chránit heslem, bohuˇzel dokumentace neuvád´ı, je-li proces ovˇeˇren´ı hesla nˇejakým zp˚usobem chránˇen pˇred odposlechem. Mezi bezpeˇcnostn´ı prvky dále patˇr´ı systém zas´ılán´ı hlásˇen´ı na email prostˇrednictv´ım SMTP protokolu, kde lze definovat odeslán´ı informaˇcn´ı zprávy v pˇr´ıpadˇe chybného pokusu o pˇrihlásˇen´ı, zmˇenˇe IP adresy, hesla cˇ i restartu. Na u´ rovni IP protokolu je moˇzné nastavit autorizované IP adresy, které maj´ı oprávnˇen´ı s modulem komunikovat. Aˇz na omezen´ı IP adres klient˚u tedy nen´ı moˇzné dalˇs´ımi zp˚usoby oˇsetˇrit autorizaci ke komunikaci prostˇrednictv´ım datového portu, nebo pˇr´ıstupu k uˇzivatelským port˚um. ´ Funkˇcn´ı bezpeˇcnost zvyˇsuje vestavˇený cˇ asovaˇc watchdog. Ukolem cˇ asovaˇce je zabránit permanentn´ımu zablokován´ı modulu vlivem hardwarové cˇ i softwarové chyby, která obvykle vede k uváznut´ı vykonáván´ı programu, nebo nedefinovanému chován´ı. Nen´ı-li cˇ asovaˇc patˇriˇcným zp˚usobem periodicky resetován, dojde pˇri vyprˇsen´ı cˇ asového intervalu k resetován´ı modulu, a tak k obnoven´ı cˇ innosti.

17


Dalˇs´ı funkce U sériového rozhran´ı UART0 dovoluje modul NE-4100T nastavit generován´ı emailové zprávy pˇri zmˇenˇe logické u´ rovnˇe signál˚u DCD nebo DSR, cˇ ehoˇz je moˇzné vyuˇz´ıt napˇr´ıklad k odeslán´ı upozornˇen´ı na chybové stavy. Pˇri dynamické konfiguraci IP adresy modulu ze serveru DHCP lze aktivovat funkci periodického ohlaˇsován´ı novˇe z´ıskané IP adresy modulu na uˇzivatelsky definovanou adresu v s´ıti.

2.2 Mikrokontroléry Atmel AVR 8-bit Rodina obvod˚u Atmel AVR v souˇcasné dobˇe zahrnuje jednak 8-bitové obvody a jednak ˇradu 32-bitových mikrokontrolér˚u. Protoˇze jsou obˇe skupiny znaˇcnˇe odliˇsné a stˇredem zájmu této práce je pˇredevˇs´ım obvod ATmega644, bude dále uvaˇzována pouze ˇrada 8bitových mikrokontrolér˚u, do které spadá. Zástupci této skupiny se pak dále dˇel´ı na ˇrady ATmega, ATtiny a AT90. V pˇr´ıloze E byl sestaven pˇrehled zm´ınˇených obvod˚u a jejich kl´ıcˇ ových vlastnost´ı pro tuto práci. Z n´ı je patrné, zˇ e nejpoˇcetnˇejˇs´ı skupinu tvoˇr´ı právˇe obvody ATmega, které se zároveˇn vyznaˇcuj´ı nejvˇetˇs´ı výbavou v oblasti velikosti pamˇet’ových prostor˚u a periféri´ı. Obvody ATtiny jsou urˇceny pro jednoduché aplikace, disponuj´ı minimáln´ımi velikostmi pamˇet´ı programu a dat. Mikrokontroléry AT90PWM jsou pak zamˇeˇreny na speciáln´ı aplikace, disponuj´ı odliˇsnými vlastnostmi a vyznaˇcuj´ı se horˇs´ı dostupnost´ı. Z tˇechto d˚uvod˚u budou dále uvaˇzovány obvody kategorie ATmega, které jsou nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı a zahrnuj´ı obvod, jenˇz bude osazen v c´ılové aplikaci.

2.2.1 Architektura Architektura mikrokontrolér˚u AVR vyuˇz´ıvá redukovanou instrukˇcn´ı sadu (RISC) spolu s technikou zˇretˇezen´ı instrukc´ı. T´ım je dosaˇzeno vykonán´ı vˇetˇsiny instrukc´ı v jednom hodinovém cyklu, coˇz zajiˇst’uje vysoký výkon pˇri n´ızkých taktovac´ıch frekvenc´ıch napˇr´ıklad oproti obvod˚um ˇrady 8051.

18


Z hlediska dálkové správy firmware je vˇsak d˚uleˇzitˇejˇs´ı proveden´ı pamˇet’ového subsystému. Zde byla zvolena harvardská architektura. Z toho vyplývá, zˇ e pamˇet’ programu a pamˇet’ dat jsou fyzicky oddˇeleny. Pˇr´ıstup se ˇreˇs´ı prostˇrednictv´ım samostatných adresn´ıch, datových a ˇr´ıd´ıc´ıch sbˇernic. Z programátorského hlediska pak pamˇeti disponuj´ı nezávislými adresn´ımi prostory. Mikrokontroléry dále obsahuj´ı celou ˇradu podp˚urných obvod˚u a periferi´ı, jak demonstruje blokové schéma na obrázku 2.3. Z perifern´ıch obvod˚u jsou z pohledu dálkové správy d˚uleˇzitá komunikaˇcn´ı rozhran´ı. Pro sériovou komunikaci v asynchronn´ım reˇzimu bývaj´ı mikrokontroléry AVR vybaveny jedn´ım aˇz dvˇema rozhran´ımi UART (podporuje pouze asynchronn´ı reˇzim) nebo USART (podporuje synchronn´ı i asynchronn´ı reˇzim), jak udává pˇrehled v pˇr´ıloze E. D˚uleˇzitými periferiemi jsou také obvody dohl´ızˇ ej´ıc´ı na napájec´ı napˇet´ı a cˇ asovaˇc typu watchdog, kterými je vybavena vˇetˇsina mikrokontrolér˚u.

Obrázek 2.3: Blokové schéma ATmega644 [11]

19


2.2.2 Typy pamˇet´ı Vˇsechny obvody ATmega obsahuj´ı integrovanou nonvolatiln´ı pamˇet’ programu typu flash, volatiln´ı pamˇet’ dat typu SRAM a nonvolatiln´ı pamˇet’ EEPROM pro uˇzivatelská data. Mezi programovatelné prvky dále patˇr´ı konfiguraˇcn´ı bity typu lock“ a fuse“. ” ” Pamˇet’ programu Pamˇet’ programu je intern´ı typu flash a nen´ı moˇzné jej´ı dalˇs´ı rozˇs´ıˇren´ı (napˇr. pˇripojen´ım extern´ı pamˇeti programu), coˇz dovoluje programován´ı jednotným zp˚usobem. Organizace po sˇestnácti bitech odpov´ıdá sˇ´ıˇrce instrukˇcn´ıho slova, kdy jedna instrukce má sˇ´ıˇrku 16 nebo 32 bit˚u [12]. Velikost pamˇeti programu se pohybuje v rozmez´ı 1 aˇz 256 kB (viz. pˇr´ıloha E). Udávaná zˇ ivotnost pamˇeti Flash je 10000 cykl˚u zápis/vymazán´ı. Nonvolatiln´ı pamˇet’ dat Uˇzivatelská pamˇet’ dat EEPROM s osmibitovou organizac´ı m˚uzˇ e m´ıt velikost 0 aˇz 4 kB (viz. pˇr´ıloha E). Nezávislý adresn´ı prostor je dostupný pomoc´ı registr˚u v I/O oblasti prostˇrednictv´ım instrukc´ı IN, OUT. Udávaná zˇ ivotnost 100000 cykl˚u.

2.3 Metody programován´ı Dostupné zp˚usoby programován´ı mikrokontrolér˚u AVR hraj´ı kl´ıcˇ ovou roli ve volbˇe koncepce ˇreˇsen´ı dané u´ lohy, a proto budou dále rozebrány jednotlivé metody, uvedeny jejich vlastnosti, omezen´ı, výhody a nevýhody.

2.3.1 Paraleln´ı Paraleln´ı programován´ı [11] vyˇzaduje jeden osmibitový I/O port, osm ˇr´ıd´ıc´ıch signál˚u, RESET vstup, hodinový signál a zvýsˇené programovac´ı napˇet´ı 12 V. Touto metodou lze programovat a cˇ´ıst veˇskeré pamˇet’ové prvky mikrokontroléru, a to s vysokou rychlost´ı. Podporovány jsou vˇsechny obvody.

20


Vzhledem k znaˇcné nároˇcnosti na propojen´ı I/O signál˚u a nezbytnosti programovac´ıho napˇet´ı 12 V, vˇsak nen´ı paraleln´ı programován´ı vhodné pro u´ lohu vzdálené správy firmware.

2.3.2 Sériové Metodu sériového programován´ı [11] podporuj´ı rovnˇezˇ vˇsechny mikrokontroléry. Fyzická vrstva odpov´ıdá rozhran´ı SPI. Jsou vyˇzadovány signály MISO, MOSI, SCK, RESET a standardn´ı napájec´ı napˇet´ı. Pomoc´ı sériového programován´ı lze cˇ´ıst a zapisovat pamˇet’ programu flash, pamˇet’ dat EEPROM, konfiguraˇcn´ı fuse a lock bity. Tato metoda zaruˇcuje pˇri správném obvodovém ˇreˇsen´ı moˇznost programován´ı obvodu pˇr´ımo v zapojen´ı bez nutnosti jeho vyjmut´ı.

2.3.3 Rozhran´ı IEEE 1149.1 (JTAG) Mikrokontroléry, které disponuj´ı standardn´ım rozhran´ım JTAG, mohou být programovány speciáln´ı sadou instrukc´ı [11]. Vyˇzadovány jsou signály TCK, TMS, TDI, TDO a standardn´ı napájec´ı napˇet´ı. Kromˇe programován´ı pamˇeti programu flash, pamˇeti dat EEPROM a konfiguraˇcn´ıch fuse a lock bit˚u, umoˇznˇ uje rozhran´ı JTAG nav´ıc dalˇs´ı operace. Tˇemi jsou reset obvodu, pˇr´ıstup do registr˚u a veˇskerých typ˚u pamˇet´ı. Stejnˇe jako u sériového programován´ı lze obvod programovat pˇr´ımo v zapojen´ı. Nevýhoda spoˇc´ıvá pˇredevˇs´ım v absenci rozhran´ı JTAG u nˇekterých starˇs´ıch typ˚u mikrokontrolér˚u.

2.3.4 Rozhran´ı debugWIRE Nejnovˇejˇs´ı obvody disponuj´ı rozhran´ım debugWIRE“. Rozhran´ı prostˇrednictv´ım je” diného signálu pˇr´ıstupného jako alternativn´ı funkce pinu RESET zprostˇredkovává kompletn´ı ladic´ı funkce. K nim nav´ıc paˇr´ı i moˇznost zápisu do pamˇeti programu i nonvolatiln´ı pamˇeti dat EEPROM. Mezi nevýhody lze ˇradit hlavnˇe absenci u starˇs´ıch obvod˚u a nemoˇznost vyuˇzit´ı signálu pinu RESET k resetován´ı mikrokontroléru, coˇz znemoˇznˇ uje pˇripojen´ı extern´ıho monitoru napájen´ı a obvodu WDT.

21


2.3.5 Bootloader Vˇetˇsina obvod˚u AVR podporuje funkci Self Program Memory“ (viz. pˇr´ıloha E), která ” dovoluje zápis pamˇeti programu flash pomoc´ı instrukce SPM [12] a mazán´ı po stránkách. Této funkce m˚uzˇ e být s výhodou vyuˇzito pro zavádˇec´ı program (tzv. bootloader “ [11], ” s jehoˇz pomoc´ı lze zajistit programován´ı pamˇeti programu flash v daném zapojen´ı pomoc´ı libovolného rozhran´ı, jenˇz se v mikrokontroléru nacház´ı (napˇr. UART, I2C). Vzhledem k softwarové implementaci komunikaˇcn´ıho protokolu a programovac´ıho algoritmu m˚uzˇ e zavádˇec´ı program zahrnovat dalˇs´ı funkce jako napˇr´ıklad oˇsetˇren´ı stav˚u I/O linek bˇehem programován´ı, kontrolu neporuˇsenosti programu a ochranu pˇred neoprávnˇeným pˇr´ıstupem (heslo, sˇifrován´ı pˇrenosu). Kód bootloaderu se nacház´ı ve speciáln´ı sekci na konci pamˇeti programu flash. Velikost sekce lze nastavit konfiguraˇcn´ımi fuse bity. Start bootloaderu m˚uzˇ e být realizován jednak instrukc´ı skoku na pˇr´ısluˇsnou adresu, nebo dle konfigurace fuse bit˚u, vˇzdy po resetu obvodu pˇresmˇerován´ım vektoru nemaskovatelného pˇreruˇsen´ı RESET z adresy 0000hex na adresu bootloaderu. Nevýhodami jsou nemoˇznost mˇenit hardwarovou konfiguraci mikrokontroléru (fuse bity), zmenˇsen´ı kapacity pamˇeti programu o kód bootloaderu, nutnost poˇca´ teˇcn´ıho naprogramován´ı a konfigurace obvodu jednou z výsˇe uvedených metod programován´ı (paraleln´ı, sériové, JTAG, debugWire).

˚ 2.4 Rozbor moˇzných zpusob u˚ rˇ eˇsen´ı 2.4.1 Bootloader Z rozboru kl´ıcˇ ových vlastnost´ı embedded serveru NE-4100T a mikrokontrolér˚u Atmel AVR vyplývá na prvn´ı pohled jako nejvhodnˇejˇs´ı metoda pro implementaci vzdálené správy firmware vytvoˇren´ı vhodného bootloaderu. Toto ˇreˇsen´ı ale narázˇ´ı na zásadn´ı bezpeˇcnostn´ı problém spoˇc´ıvaj´ıc´ı v jeho spuˇstˇen´ı. Hardwarové ˇreˇsen´ı resetem mikrokontroléru s vyuˇzit´ım jednoho z uˇzivatelských vstup˚u-výstup˚u serveru NE-4100T se jev´ı nevhodné z d˚uvodu, zˇ e nen´ı moˇzné dostateˇcnˇe omezit pˇr´ıstup k ovládán´ı stavu toho výstupu, jak bylo uvedeno v odstavci 2.1.5. To

22


cˇ in´ı systém snadno napadnutelný, protoˇze jej lze trvalým resetem mikrokontroléru jednoduˇse vyˇradit z provozu. Jedinou ochranou m˚uzˇ e být pouze nastaven´ı povolených IP adres, avˇsak z principu TCP/IP komunikace [8] se jedná o ˇreˇsen´ı znaˇcnˇe nedostaˇcuj´ıc´ı. Pˇri pouˇzit´ı s´ıt’ových prvk˚u typu rozboˇcovaˇc (hub) cˇ i jednoduchý pˇrep´ınaˇc (switch), m˚uzˇ e být IP adresa snadno podvrhnuta. ˇ e softwarové ˇreˇsen´ı spuˇstˇen´ı bootloaderu má nˇekolik nevýhod. Pro funkˇcnost by Cistˇ bylo nutné kdykoliv akceptovat pˇr´ıkazy pˇrij´ımané sériovým rozhran´ım, a to souˇcasnˇe pˇri zachován´ı cˇ innosti hlavn´ıho programu mikrokontroléru. Obdobná funkce lze realizovat jedinˇe pomoc´ı pˇreruˇsen´ı (za pˇredpokladu, zˇ e bootloader pracuje jako nadˇrazený systém nad hlavn´ım programem). Z toho vˇsak vyvstávaj´ı dalˇs´ı problémy. Sériové rozhran´ı má být vyuˇz´ıváno hlavn´ım programem, a proto by bootloader musel být integrován do hlavn´ıho programu. Dále by vektory pˇreruˇsen´ı musely být um´ıstˇeny v sekci bootloaderu (pˇresmˇerován´ı vektor˚u pˇreruˇsen´ı bitem IVSEL v registru MCUCR [11]), funkˇcnost dálkové správy by závisela na správné konfiguraci sériového kanálu a pomocných registr˚u, které mohou být hlavn´ım programem kdykoliv zmˇenˇeny. Ostatn´ı vektory pˇreruˇsen´ı by bylo nutné pˇresmˇerovat zpˇet na základn´ı adresy, aby byla zachována funkˇcnost hlavn´ıho programu. Zpracován´ı pˇrijatých pˇr´ıkaz˚u v pˇreruˇsen´ı sériového kanálu nav´ıc vykazuje nezanedbatelnou reˇzii, která zatˇezˇ uje mikrokontrolér a pˇri nesprávném návrhu m˚uzˇ e zp˚usobit chybnou funkci hlavn´ıho programu. V neposledn´ı ˇradˇe je nutné zm´ınit, zˇ e jsou-li naprogramovány ochranné lock bity sekce bootloaderu a souˇcasnˇe pˇresmˇerovány vektory pˇreruˇsen´ı, dojde k zakázán´ı pˇreruˇsen´ı ve chv´ıli, kdy je vykonáván kód hlavn´ıho programu [11].

2.4.2 SPI, JTAG, debugWIRE Protoˇze embedded server NE-4100T disponuje pouze asynchronn´ım sériovým rozhran´ım, vyˇzadovalo by pro programován´ı prostˇrednictv´ım rozhran´ı SPI, JTAG nebo debugWIRE pˇr´ıdavný pˇrevodn´ık. Konverzi UART/SPI nab´ız´ı napˇr´ıklad obvod MAX3100. Nevýhodou je jednak zvýsˇen´ı ceny celého zaˇr´ızen´ı, ale pˇredevˇs´ım by nebylo moˇzné zajistit správnou cˇ innost sériového rozhran´ı v rámci hlavn´ıho programu a taktézˇ dalˇs´ı funkce, napˇr´ıklad ochranu pˇred neoprávnˇeným pˇr´ıstupem.

23


Z uvedených d˚uvod˚u by ˇreˇsen´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı server NE-4100T a rozhran´ı SPI, JTAG cˇ i debugWIRE vyˇzadovalo doplnit obvod dalˇs´ım mikrokontrolérem, který by se staral o programovac´ı proces a jeho zabezpeˇcen´ı. Bohuˇzel, aby byla zachována funkˇcnost sériového rozhran´ı vzhledem k hlavn´ımu MCU, musel by být signál pro vys´ılán´ı dat pˇrep´ınán mezi hlavn´ım a pomocným mikrokontrolérem. To pˇrinásˇ´ı problém s rozhodován´ım, kdy má být signál pˇrepnut na pomocný MCU. Pˇrepnut´ı by bylo moˇzné pouze na základˇe pasivn´ıho pˇr´ıjmu vyhrazené sekvence pro vstup do programovac´ıho reˇzimu. Z d˚uvodu zabezpeˇcen´ı by sekvence musela pˇredstavovat formu urˇcitého hesla (tj. velmi dlouhá a u kaˇzdého zaˇr´ızen´ı nejlépe unikátn´ı), protoˇze po vstupu do programovac´ıho reˇzimu by doˇslo nutnˇe odpojen´ı vys´ılac´ıho signálu od c´ılového zaˇr´ızen´ı, coˇz by mohlo být opˇet zneuˇzito k omezen´ı funkˇcnosti. Dalˇs´ı nevýhodou je pˇredevˇs´ım nutnost naprogramovat pomocný mikrokontrolér.

2.4.3 Jiný server neˇz NE-4100T Jako dalˇs´ı moˇznost pˇripadá v u´ vahu zmˇena embedded serveru na typ, který splˇnuje poˇzadavky na zabezpeˇcen´ı pˇr´ıstupu k I/O linkám, coˇz by umoˇznˇ ovalo hardwarové resetován´ı mikrokontroléru, a t´ım implementaci bootloaderu se splnˇen´ım poˇzadavk˚u na zabezpeˇcen´ı. Z nalezených dostupných produkt˚u (napˇr. EM1000 a EM1202 [4], EZL-50M [5], XT-Nano-XXL [6], FMod-TCP DB [7]) vˇsak zˇ a´ dný neuspokojuje toto kritérium, protoˇze funkce jsou obdobné jako u NE-4100T. Nejvýhodnˇejˇs´ı by bylo vytvoˇrit server na m´ıru potˇrebným poˇzadavk˚um. Toto ˇreˇsen´ı je vˇsak znaˇcnˇe nároˇcnˇejˇs´ı. Z d˚uvodu zahlcen´ı serveru DoS u´ toky nelze vyuˇz´ıt softwarové ˇreˇsen´ı TCP/IP stacku, coˇz klade vyˇssˇ´ı nároky na hardware. Hardwarové ˇreˇsen´ı MAC vrstvy a TCP/IP stacku implementuje napˇr´ıklad obvod W3150A [13], který nen´ı dostupný v kusovém mnoˇzstv´ı.

24


ˇ sen´ı 3 Reˇ Analýzou vlastnost´ı mikrokontrolér˚u Atmel AVR a embedded serveru NE-4100T v prvn´ı cˇ a´ sti práce bylo zjiˇstˇeno, zˇ e s NE-4100T nelze uspokojivˇe splnit poˇzadavky na zabezpeˇcen´ı systému. Adekvátn´ıho ˇreˇsen´ı nelze dosáhnout jak ve variantˇe s bootloaderem, tak pˇri vyuˇzit´ı rozhran´ı JTAG, SPI cˇ i debugWIRE a pˇr´ıdavného mikrokontroléru. Protoˇze nebyla nalezena vhodná náhrada za NE-4100T, která by ˇreˇsila dané problémy, pˇripadá v u´ vahu jako plnohodnotné ˇreˇsen´ı pouze konstrukce vlastn´ıho serveru s patˇriˇcnými vlastnostmi. Po dohodˇe s vedouc´ım práce byla zvolena varianta bootloaderu, protoˇze se jedná o ˇreˇsen´ı, které nevyˇzaduje dodateˇcný hardware a nevýhody jsou obdobné jako u ostatn´ıch znaˇcnˇe sloˇzitˇejˇs´ıch variant. Zabezpeˇcen´ı pak bude realizováno na u´ rovni aktivn´ıch prvk˚u s´ıtˇe Ethernet a protokol˚u TCP/IP mimo rámec této práce. V této cˇ a´ sti budou stanoveny funkce bootloaderu a podrobnˇe rozebrány vlastnosti modulu CPU unit se zamˇeˇren´ım na vlastnosti, které je nezbytné zohlednit pˇri návrhu. Následnˇe budou popsány principy cˇ innosti bootloaderu u mikrokontrolér˚u Atmel AVR a na základˇe tˇechto poznatk˚u bude stanoven komunikaˇcn´ı protokol, softwarové vybaven´ı mikrokontroléru a nakonec uˇzivatelská aplikace pro PC.

3.1 Funkce bootloaderu Pro koneˇcné ˇreˇsen´ı bylo rozhodnuto vybavit bootloader následuj´ıc´ımi funkcemi: • Zápis uˇzivatelské aplikace • Mazán´ı uˇzivatelské aplikace ˇ ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u MCU • Cten´ ˇ ı podpisu MCU • Cten´ • Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu • Ovˇeˇren´ı integrity strojového kódu uˇzivatelské aplikace • Podpora intern´ıho a extern´ıho watchdog cˇ asovaˇce Zápis a mazán´ı patˇr´ı mezi nezbytné funkce, protoˇze jsou podstatou celé aplikace. ˇ ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u a podpisu MCU m˚uzˇ e na dálku poskytnout cenné informace Cten´

25


o vzdáleném systému, a tak ovˇeˇrit správnou konfiguraci. Dalˇs´ı funkce si kladou za c´ıl zvýsˇen´ı funkˇcn´ı bezpeˇcnosti. Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu dává moˇznost uzamknout uˇzivatelskou aplikaci a chránit ji tak pˇred pˇrepsán´ım, vymazán´ım a pˇr´ıpadnˇe vyˇcten´ım. Ovˇeˇren´ı integrity strojového kódu uˇzivatelské aplikace dává jednak informaci o správném zapsán´ı a také dovoluje identifikovat poˇskozen´ı obsahu pamˇeti programu a zabránit spuˇstˇen´ı poˇskozeného kódu. Bˇeh takového kódu by mohl zp˚usobit nedefinované chován´ı systému, cˇ emuˇz se mus´ı nutnˇe zamezit. Jelikoˇz je bootloader softwarovou záleˇzitost´ı, je podpora watchdog cˇ asovaˇce nezbytnou souˇca´ st´ı bootloaderu dovoluj´ıc´ı jeho správnou cˇ innost v aplikac´ıch, které jsou WDT vybaveny.

3.2 Poˇzadovaný hardware Ve fináln´ı verzi má být u´ loha vzdálené správy firmware v mikrokontroléru Atmel AVR ˇreˇsena pro modul CPU unit, jehoˇz u´ plné schéma zapojen´ı se nacház´ı v pˇr´ıloze A, a embedded server NE-4100T ve funkci ethernetového rozhran´ı.

3.2.1 CPU unit Deska je osazena mikrokontrolérem ATmega644 [11] doplnˇeným o podp˚urné obvody. Tˇemi jsou monitor napájen´ı kombinovaný s watchdog cˇ asovaˇcem typu MB3773 [14] a lineárn´ı stabilizátor napˇet´ı LP2950CZ-3.3 [15] jako napˇet’ová reference pro AD pˇrevodn´ık integrovaný v mikrokontroléru. Na desce se dále nacház´ı konektor JTAG rozhran´ı pro pˇripojen´ı programátoru, který slouˇz´ı k zaveden´ı bootloaderu a poˇca´ teˇcn´ı konfiguraci MCU. S dalˇs´ımi obvody spojuj´ı desku dva konektory po dvaceti pinech v uspoˇra´ dán´ı DIL. Zde jsou vyvedeny vˇsechny vstupnˇe-výstupn´ı porty MCU, signály RESET a E RESET , napˇet’ová reference AD pˇrevodn´ıku a vstup napájec´ıho napˇet´ı. Taktován´ı mikrokontroléru zajiˇst’uje extern´ı krystal s frekvenc´ı 18,432 MHz, na coˇz je nutné brát ohled pˇri návrhu bootloaderu z hlediska cˇ asovaných operac´ı.

26


Modul pracuje se stejnosmˇerným stabilizovaným napˇet´ım 5 V, které se pˇri hodinovém kmitoˇctu nad 10 MHz mus´ı pohybovat v povoleném pracovn´ım rozsahu 4,5 aˇz 5,5 V [11]. Nároky modulu na odbˇer proudu udává pˇredevˇs´ım MCU. Pˇredpokládáme-li maximáln´ı povolené proudové zat´ızˇ en´ı vstupnˇe-výstupn´ıch port˚u, nabývá maximáln´ı odbˇer MCU 200 mA. Monitor napájen´ı MB3773 má deklarován pracovn´ı proud menˇs´ı neˇz 1 mA pˇri aktivn´ım watchdog timeru [14] a uvaˇzujeme-li minimáln´ı zat´ızˇ en´ı referenˇcn´ıho zdroje pro AD pˇrevodn´ık (v ˇra´ du jednotek mA), mus´ıme poˇc´ıtat s maximáln´ım odbˇerem modulu 210 mA.

3.2.2 Monitor napájen´ı a watchdog timer Integrovaný obvod MB3773 má za u´ kol detekovat správnou u´ roveˇn napájec´ıho napˇet´ı a generovat resetovac´ı signál o deklarovaných parametrech. C´ılem je zabezpeˇcen´ı poˇzadované cˇ innosti mikrokontroléru jednak ve fázi zapnut´ı napájen´ı, kdy docház´ı k nábˇehu napájec´ıho napˇet´ı na poˇzadovanou u´ roveˇn, a jednak v pr˚ubˇehu cˇ innosti, kdy m˚uzˇ e výpadek zp˚usobit pokles napˇet´ı pod potˇrebnou u´ roveˇn. V takových pˇr´ıpadech je nutné drˇzet vstup RESET MCU v log. u´ rovni 0, aby nedoˇslo k chybnému bˇehu programu, coˇz by mohlo zapˇr´ıcˇ init nesprávnou cˇ innost zaˇr´ızen´ı. Druhou cˇ a´ st´ı cˇ innosti obvodu je watchdog cˇ asovaˇc, který zabezpeˇcuje reset MCU v pˇr´ıpadˇe, zˇ e dojde zastaven´ı bˇehu programu. Pˇr´ıkladem m˚uzˇ e být napˇr´ıklad uváznut´ı v nekoneˇcné smyˇcce vlivem sˇpatného návrhu software, cˇ i hardwarovou chybou. Na obrázku 3.1 se nacház´ı základn´ı zapojen´ı monitoru napˇet´ı MB3773. Vstupem je monitorované napájec´ı napˇet´ı, které mus´ı být shodné resetovaným obvodem, a signál pro nulován´ı watchdog timeru CK. Vstup CK reaguje na sestupnou hranu signálu. Výstupy jsou pˇr´ımý a negovaný resetovac´ı signál pro hl´ıdaný obvod.

Obrázek 3.1: Základn´ı zapojen´ı MB3773 [14]

27


Grafy na obrázku 3.2 definuj´ı cˇ asové pr˚ubˇehy monitoru napˇet´ı a watchdog cˇ asovaˇce. Délky jednotlivých cˇ asových u´ sek˚u závis´ı na velikosti kapacity kondenzátoru CT , který spolu s intern´ım zdrojem proudu tvoˇr´ı generátor lineárnˇe nar˚ustaj´ıc´ıho napˇet´ı. Od jeho velikosti jsou pak odvozeny patˇriˇcné cˇ asové intervaly. Tˇemi jsou TPR , TW D a TW R . Interval TPR udává dobu, po kterou je drˇzen hl´ıdaný obvod ve stavu reset po té, co se napájec´ı napˇet´ı ustálilo na poˇzadované u´ rovni. K tomuto stavu docház´ı po zapnut´ı napájen´ı, cˇ i poklesu v pr˚ubˇehu cˇ innosti. ˇ ˇ se mˇeˇr´ı od sestupné Casov´ y u´ sek TW D definuje dobu vyprˇsen´ı watchdog cˇ asovaˇce. Cas hrany posledn´ıho nulovac´ıho impulzu na vstupu CK. V tomto intervalu je nutné cˇ asovaˇc nulovat, jinak dojde k resetován´ı hl´ıdaného zaˇr´ızen´ı. Interval TW R odpov´ıdá dobˇe, po kterou je drˇzen reset v aktivn´ı u´ rovni, dojde-li k vyprˇsen´ı watchdog cˇ asovaˇce.

ˇ Obrázek 3.2: Casov´ e pr˚ubˇehy MB3773 [14] Signál RESET , který se nacház´ı na propojovac´ım konektoru modulu, je pˇr´ımo spojen s pinem RESET mikrokontroléru. Ten ovládá monitor napájen´ı MB3773. Jedná se tedy o výstup resetovac´ıho signálu, jehoˇz aktivn´ı u´ roveˇn odpov´ıdá log. u´ rovni 0. Funkce vstupn´ıho signálu E RESET závis´ı na konfiguraci zkratovac´ı propojky JP2. Nen´ı-li zkratovac´ı propojka osazena, nemá signál vliv. Je-li propojka v poloze 1-2, pˇrivád´ı se extern´ı resetovac´ı signál na vstup monitoru napájen´ı, který zajist´ı vygenerován´ı resetovac´ıho im-

28


pulzu o deklarované délce. Propojka v poloze 2-3 zp˚usob´ı pˇremostˇen´ı resetovac´ıho obvodu, a tak je signál E RESET veden pˇr´ımo na vstup mikrokontroléru.

3.3 Rozbor funkc´ı a cˇ innosti bootloaderu Mikrokontroléry Atmel AVR disponuj´ı funkc´ı Read-While-Write Self-Programming, která dovoluje za urˇcitých podm´ınek souˇcasnˇe vykonávat kód uloˇzený v pamˇeti programu flash a zároveˇn tuto pamˇet’ po jednotlivých stránkách mazat a zapisovat nová data. Tato vlastnost umoˇznˇ uje vytvoˇrit speciáln´ı cˇ a´ st programu, která zajist´ı potˇrebné u´ kony k pˇr´ıjmu kódu hlavn´ıho programu prostˇrednictv´ım jakýchkoliv periféri´ı MCU a jeho zapsán´ı do pamˇeti programu flash. T´ım vznikne program zvaný bootloader , zajiˇst’uj´ıc´ı programován´ı mikrokontroléru v daném zapojen´ı bez nutnosti jeho vyjmut´ı, cˇ i pˇripojen´ı dodateˇcného hardware. Pˇri vhodném návrhu m˚uzˇ e bootloader dokonce pˇrepsat sám sebe novou verz´ı, nebo se u´ plnˇe vymazat z pamˇeti.

3.3.1 Pamˇet’ový prostor Prostor pamˇeti programu mikrokontrolér˚u AVR s podporou funkce Read-While-Write Self-Programming se skládá z dvou cˇ a´ st´ı. Tˇemi jsou Read-While-Write (RWW) a No Read-While-Write (NRWW) sekce. Ty se od sebe liˇs´ı zp˚usobem cˇ innosti MCU v pˇr´ıpadˇe, zˇ e je programována stránka pamˇeti v rámci tˇechto sekc´ı. Je-li provádˇen zápis (mazán´ı) stránky v rámci RWW oblasti, m˚uzˇ e mikroprocesor vykonávat kód programu uloˇzený v oblasti NRWW. Bˇehem zápisu je vˇsak zakázáno cˇ´ıst cˇ i vykonávat program z oblasti RWW, coˇz by mohlo vést k nedefinovanému stavu mikroprocesoru. Z tohoto d˚uvodu se mus´ı zajistit blokován´ı pˇreruˇsen´ı v pr˚ubˇehu programován´ı, jsou-li pˇreruˇsen´ı mapována do sekce RWW. Je-li vykonávána operace zápisu do sekce NRWW, dojde v jej´ım pr˚ubˇehu k pozastaven´ı cˇ innosti mikroprocesoru. Mapován´ı jednotlivých sekc´ı v pamˇeti udává obrázek 3.3. Oblast RWW vˇzdy zaˇc´ıná na adrese 0000hex , kde se také nacház´ı vektor pˇreruˇsen´ı RESET, vstupn´ı bod uˇzivatelského programu. Zaˇca´ tek a velikost sekce NRWW závis´ı na konkrétn´ım MCU a zároveˇn odpov´ıdá maximáln´ı velikosti bootloaderu. Konkrétn´ı velikost sekce bootloaderu definuj´ı

29


30

bity BOOTSZ v rámci konfiguraˇcn´ıho bytu fuses low [11]. Rozloˇzen´ı sekc´ı dle konfigurace uvád´ı tabulka 3.1. Zde je také patrné, zˇ e kód bootloaderu se mus´ı um´ıstit na správné m´ısto v pamˇeti vzhledem ke konfiguraci bit˚u BOOTSZ.

Obrázek 3.3: Rozdˇelen´ı pamˇeti Flash ATmega644 [11]

BOOTSZ

Boot

Pages

Size

Application

Boot

Loader

Section [words]

Section [words]

[words]

End

Ap-

Boot

plication

Reset

[words]

[words]

11

512

4

0000hex - 7DFFhex

7E00hex - 7FFFhex

07DFhex

7E00hex

10

1024

8

0000hex - 7BFFhex

7C00hex - 0FFFhex

7BFFhex

7C00hex

01

2048

16

0000hex - 77FFhex

7800hex - 7FFFhex

77FFhex

7800hex

00

4096

32

0000hex - 6FFFhex

7000hex - 7FFFhex

6FFFhex

7000hex

Tabulka 3.1: Konfigurace velikosti sekce bootloaderu u ATmega644 [11]


3.3.2 Konfiguraˇcn´ı bity pamˇeti programu Z d˚uvodu zvýsˇen´ı spolehlivosti jsou mikrokontroléry Atmel AVR vybaveny systémem ochrany kódu v pamˇeti programu flash. Pomoc´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u Boot Loader Lock Bits (tabulky 3.2, 3.3) lze nezávisle na obou sekc´ıch pamˇeti nastavit tˇri stupnˇe zabezpeˇcen´ı, které povoluj´ı nebo zakazuj´ı operace zápisu a cˇ ten´ı nad tˇemito sekcemi. Aktivace ochran je moˇzná jakoukoliv metodou programován´ı vˇcetnˇe softwarové instrukc´ı SPM. Je-li zabezpeˇcen´ı nastaveno, lze jej deaktivovat pouze pˇr´ıkazem Chip Erase prostˇrednictv´ım rozhran´ı JTAG, paraleln´ım nebo sériovým programátorem. T´ım souˇcasnˇe dojde k vymazán´ı veˇskerého obsahu pamˇeti programu flash. M˚uzˇ eme tak efektivnˇe ochránit sekci bootloaderu pˇred náhodným poˇskozen´ım vlivem chybného vykonán´ı instrukce zápisu SPM, coˇz by mohlo zp˚usobit nemoˇznost naˇcten´ı nové verze uˇzivatelského programu, a t´ım i nefunkˇcnost c´ılového zaˇr´ızen´ı. Druhou moˇznost´ı je blokován´ı cˇ ten´ı sekce bootloaderu instrukc´ı (E)LPM vykonávané ze sekce uˇzivatelského programu. T´ım lze zabránit pˇreˇcten´ı kódu bootloaderu, a tak napˇr´ıklad prolomen´ı ochranných prvk˚u jako je sˇifrován´ı. Stejnˇe tak aplikaˇcn´ı sekci lze chránit pˇred pˇrepsán´ım nebo cˇ ten´ım prostˇrednictv´ım bootloaderu. T´ım lze zamezit dalˇs´ım zmˇenám uˇzivatelského programu, cˇ i jeho zpˇetné pˇreˇcten´ı. Pro aplikaˇcn´ı sekci nebude ve výchoz´ı konfiguraci nastaven zˇ a´ dný mód ochrany, protoˇze bootloader mus´ı být schopen v této oblasti zapisovat i cˇ´ıst (z d˚uvodu verifikace). Pro bootloader sekci bude nastaven mód 3, kde je zakázán zápis i cˇ ten´ı bootloader sekce aplikac´ı. Zákaz zápisu zabrán´ı náhodnému poˇskozen´ı bootloaderu a cˇ ten´ı nen´ı pro aplikaci potˇrebné.

3.3.3 Spuˇstˇen´ı bootloaderu Vzhledem k softwarové podstatˇe bootloaderu, mus´ı být zajiˇstˇeno vykonán´ı jeho kódu v pˇr´ıpadˇe, zˇ e má být zapsán program do aplikaˇcn´ı sekce pamˇeti programu. Ve výchoz´ım nastaven´ı leˇz´ı vektor pˇreruˇsen´ı RESET, a tak vstupn´ı bod programu, na adrese 0000hex . Vstupn´ı bod bootloaderu se vˇsak nacház´ı na adrese, která závis´ı na nastaven´ı bit˚u

BOOTSZ dle tabulky 3.1.

31


Mód

BLB02

BLB01

Funkce

1

1

1

ˇ adná omezen´ı. Z´

2

1

0

Zakázán zápis do aplikaˇcn´ı sekce.

3

0

0

Zakázán zápis a cˇ ten´ı aplikaˇcn´ı sekce bootloaderem. Zakázána pˇreruˇsen´ı, jsou-li vektory um´ıstˇeny v sekci bootloaderu a vykonáván kód z aplikaˇcn´ı sekce.

4

0

1

Zakázáno cˇ ten´ı aplikaˇcn´ı sekce bootloaderem. Zakázána pˇreruˇsen´ı, jsou-li vektory um´ıstˇeny v sekci bootloaderu a vykonáván kód z aplikaˇcn´ı sekce.

Tabulka 3.2: Konfiguraˇcn´ı bity pamˇeti programu - aplikaˇcn´ı sekce [11]

Mód

BLB12

BLB11

Funkce

1

1

1

ˇ adná omezen´ı. Z´

2

1

0

Zakázán zápis do sekce bootloaderu.

3

0

0

Zakázán zápis. Zakázáno cˇ ten´ı bootloaderu z aplikaˇcn´ı sekce. Zakázána pˇreruˇsen´ı, jsou-li vektory um´ıstˇeny v aplikaˇcn´ı sekci a vykonáván kód bootloaderu.

0

1

Zakázáno cˇ ten´ı bootloaderu z aplikaˇcn´ı sekce. Zakázána pˇreruˇsen´ı, jsou-li vektory um´ıstˇeny v aplikaˇcn´ı sekci a vykonáván kód bootloaderu.

Tabulka 3.3: Konfiguraˇcn´ı bity pamˇeti programu - sekce bootloaderu [11]

32


Toto chován´ı lze ovlivnit konfiguraˇcn´ım bitem BOOTRST. Je-li nastaven na hodnotu 1 (výchoz´ı nastaven´ı), leˇz´ı vektor pˇreruˇsen´ı RESET na adrese 0000hex . Je-li nastaven na hodnotu 0, dojde k pˇresmˇerován´ı pˇreruˇsen´ı RESET na adresu bootloaderu, a to v souladu s nastaven´ım bit˚u BOOTSZ. Pro u´ cˇ ely bootloaderu bude vyuˇzito pˇresmˇerován´ı vektoru pˇreruˇsen´ı RESET, cˇ´ımˇz se zajist´ı vˇzdy jako prvn´ı vykonán´ı kódu bootloaderu. Proto m˚uzˇ eme po startu MCU softwarovˇe rozhodnout, je-li splnˇena podm´ınka pro vstup do hlavn´ı cˇ a´ sti bootloaderu, nebo bude-li spuˇstˇen uˇzivatelský program. Podm´ınku pro spuˇstˇen´ı bootloaderu lze v tomto projektu v zásadˇe definovat dvˇema zp˚usoby. Jednak pˇr´ıkazem na u´ rovni komunikaˇcn´ıho protokolu na rozhran´ı Ethernet, nebo na základˇe stavu DIO výstupu pˇrevodn´ıku NE-4100T. Vzhledem k cˇ asovému nedeterminismu komunikace prostˇrednictv´ım Ethernetu by muselo být definováno cˇ asové okno, ve kterém by program cˇ ekal na pˇrijet´ı pˇr´ıkazu, coˇz by mˇelo za následek zpoˇzdˇen´ı startu uˇzivatelského programu v ˇra´ du jednotek sekund. Z tohoto d˚uvodu byla zvolena varianta vyuˇz´ıvaj´ıc´ı stavu DIO signálu. Výhodou je vyhodnocen´ı v rámci nˇekolika instrukc´ı, nevýhodou pˇredevˇs´ım obsazen´ı jednoho vstupu MCU, který bude propojen s pˇrevodn´ıkem NE-4100T.

3.3.4 Vektory pˇreruˇsen´ı Um´ıstˇen´ı vektor˚u pˇreruˇsen´ı závis´ı na hodnotˇe bitu IVSEL v konfiguraˇcn´ım registru

MCUCR. Vektory pˇreruˇsen´ı lze tedy pˇresmˇerovat z aplikaˇcn´ı sekce do sekce bootloaderu, která je dostupná i v pr˚ubˇehu vykonáván´ı operace SPM na aplikaˇcn´ı sekci. Tato vlastnost dovoluje návrh bootloaderu s vyuˇzit´ım pˇreruˇsen´ı. V pˇr´ıpadˇe, zˇ e jsou vektory pˇreruˇsen´ı um´ıstˇeny v aplikaˇcn´ı sekci, je nezbytné bˇehem operace SPM veˇskerá pˇreruˇsen´ı zakázat. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe by mohlo doj´ıt k nedefinovanému stavu MCU v d˚usledku o cˇ ten´ı kódu pˇreruˇsen´ı z aplikaˇcn´ı sekce. IVSEL

Adresa vektoru˚ pˇreruˇsen´ı

0

0002hex

1

Adresa poˇca´ tku bootloaderu (tabulka 3.1) + 0002hex

Tabulka 3.4: Konfigurace um´ıstˇen´ı vektor˚u pˇreruˇsen´ı [11]

33


3.3.5 Instrukce SPM, registr SPMCSR Instrukce SPM zprostˇredkovává veˇskeré operace s u´ pravami obsahu pamˇeti programu. Tˇemi jsou mazán´ı stránky pamˇeti, zápis stránky pamˇeti a nastaven´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu. Pˇri vhodném nastaven´ı registru SPMCSR je nav´ıc moˇzné instrukc´ı

LPM cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u, identifikaˇcn´ıch byt˚u MCU a kalibraˇcn´ıho bytu RC oscilátoru. Jej´ı chován´ı definuje osmibitový konfiguraˇcn´ı a stavový registr SPMCSR, obsah sˇestnáctibitového adresovac´ıho registru Z a datových registr˚u R0 a R1. V pr˚ubˇehu mazán´ı cˇ i zápisu stránky pamˇeti programu prob´ıhá adresován´ı dle obrázku 3.4. Adresn´ı registr Z se fyzicky skládá ze dvou osmibitových registr˚u R30 a R31. Pˇri adresován´ı jej lze v zásadˇe rozdˇelit na dvˇe cˇ a´ sti. Horn´ı bity udávaj´ı adresu programované stránky a spodn´ı bity adresu bytu uvnitˇr stránky. Poˇcet bit˚u pˇripadaj´ıc´ıch na adresu bytu uvnitˇr stránky závis´ı na jej´ı velikosti dle konkrétn´ıho MCU, stejnˇe tak poˇcet bit˚u adresy stránky vyplývá z velikosti pamˇeti programu. Datové registry R0 a R1 jsou vyuˇz´ıvány pˇri plnˇen´ı stránky novými daty, kde reprezentuj´ı jedno slovo. Registr R0 dále definuje hodnoty pˇri nastavován´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u a obsahuje výsledek pˇri cˇ ten´ı.

Obrázek 3.4: Adresován´ı instrukce SPM [11] ˇ ˇ e intervaly nezávis´ı na Casov´ an´ı instrukce SPM pˇri zápisu udává tabulka 3.5. Casov´ frekvenci hodinového kmitoˇctu MCU, jelikoˇz cˇ asován´ı zápisu vycház´ı z frekvence in-

34


35

tern´ıho RC oscilátoru. V jeden cˇ as m˚uzˇ e být aktivn´ı pouze jedna operace SPM, a proto je nezbytné dodrˇzet tento cˇ asový interval, aby nedoˇslo k poˇskozen´ı obsahu pamˇeti. K indikaci ukonˇcen´ı operace instrukce SPM slouˇz´ı bit SPMEN v registru SPMCSR. Ten pˇri hodnotˇe log. 1 inicializuje operaci a vrac´ı se do log. 0 aˇz po jej´ım dokonˇcen´ı. Kontrolou stavu bitu SPMEN tak lze minimalizovat dobu cˇ ekán´ı na dokonˇcen´ı operace, a t´ım dosáhnout co nejvyˇssˇ´ı rychlosti zápisu. S bitem SPMEN má návaznost pˇreruˇsen´ı instrukce SPM. Ke generován´ı tohoto pˇreruˇsen´ı docház´ı je-li bit SPMEN v log. u´ rovni 0, coˇz indikuje dokonˇcen´ı operace SPM. Pˇreruˇsen´ı je maskováno bitem SPMIE. Dále mus´ı být bráno v u´ vahu, kde leˇz´ı vektory pˇreruˇsen´ı (odstavec 3.3.4), protoˇze zápisem nebo mazán´ım stránky dojde k zablokován´ı cˇ ten´ı z aplikaˇcn´ı sekce. Operace Mazán´ı stránky, zápis stránky, nastaven´ı (zápis) konfiguraˇcn´ıch bit˚u

Min. cˇ as [ms]

Max. cˇ as [ms]

3,7

4,5

ˇ an´ı zápisu instrukc´ı SPM [11] Tabulka 3.5: Casov´

3.3.6 Mazán´ı stránky pamˇeti programu Vymazán´ı stránky pamˇeti dané adresou v registru Z se zajist´ı volán´ım instrukce SPM, pˇri registru SPMCSR s nastavenými bity SPMEN (Store Program Memory Enable), PGERS (Page Erase) a volitelnˇe bitem SPMIE (SPM Interrupt Enable) v pˇr´ıpadˇe vyuˇzit´ı pˇreruˇsen´ı. Adresa v registru Z udává adresu stránky, a tak maj´ı vliv pouze bity PCPAGE (obrázek 3.4). Vývojový diagram této operace se nacház´ı na obrázku 3.5(b). Po u´ spˇesˇném proveden´ı jsou jednotlivá slova vymazané stránky nastavena na hodnotu FFFFhex . Dobu trván´ı operace mazán´ı uvád´ı tabulka 3.5, pˇriˇcemˇz pˇri mazán´ı v´ıce stránek se mus´ı cˇ ekat na dokonˇcen´ı aktuálnˇe provádˇené operace pˇred zapoˇcet´ım dalˇs´ı, jak je uvedeno v odstavci 3.3.5. Bˇehem mazán´ı nedojde k naruˇsen´ı obsahu doˇcasného bufferu pro zápis stránky, coˇz je d˚uleˇzité, je-li poˇzadována zmˇena pouze urˇcité cˇ a´ sti stránky. V takovém pˇr´ıpadˇe se nejdˇr´ıve naˇcte jej´ı obsah do doˇcasného bufferu, provede se instrukce mazán´ı a modifikovaná data se zap´ısˇ´ı zpˇet instrukc´ı zápisu.


3.3.7 Zápis stránky pamˇeti programu Operace zápisu stránky se skládá ze dvou krok˚u. Data pro zápis mus´ı být nejdˇr´ıve naˇctena prostˇrednictv´ım instrukce SPM do intern´ıho bufferu, jehoˇz velikost odpov´ıdá velikosti stránky. V druhé fázi se instrukc´ı SPM inicializuje vlastn´ı zápis dat. Postup popisuje vývojový diagram na obrázku 3.5(a). Jako prvn´ı krok se nakonfiguruje instrukce SPM pro plnˇen´ı intern´ıho bufferu, a to zápisem hodnoty, která odpov´ıdá nastavenému bitu SPMEN, do registru SPMCSR. Adresovac´ı registr Z se napln´ı adresou slova uvnitˇr stránky, pˇriˇcemˇz vliv maj´ı pouze bity

PCWORD (obrázek 3.4), a do registr˚u R0 a R1 se um´ıst´ı poˇzadované datové slovo. Následným volán´ım instrukce SPM dojde k pˇrenesen´ı obsahu registr˚u R0 a R1 do doˇcasného bufferu, který je obrazem zapisované stránky. T´ımto postupem lze naplnit celý buffer, nebo jen jeho cˇ a´ st. Neinicializované cˇ a´ sti odpov´ıdaj´ı vymazaným oblastem pamˇeti flash a maj´ı hodnotu FFFFhex . Naplnˇený doˇcasný buffer m˚uzˇ eme zapsat do pamˇeti programu opˇet instrukc´ı SPM, a to pˇri hodnotˇe konfiguraˇcn´ıho registru SPMCSR s nastavenými bity SPMEN, PGWRT (Page Write) a volitelnˇe SPMIE. Adresa stránky, do které má být obsah bufferu zapsán, v takovém pˇr´ıpadˇe odpov´ıdá hodnotˇe uloˇzené v registru Z. Vliv maj´ı pouze bity PCPAGE (obrázek 3.4), ostatn´ı bity (adresa uvnitˇr stránky) mus´ı být nastaveny na hodnotu nula. ˇ Casov´ an´ı zápisu je obdobné jako u operace mazán´ı. Rozbor zp˚usob˚u detekce ukonˇcen´ı byl proveden v odstavci 3.3.5 a je nutné jej dodrˇzet. Spolu s dokonˇcen´ım zápisu dojde nav´ıc k vymazán´ı obsahu doˇcasného bufferu, a proto nen´ı moˇzné jej opakovanˇe zapsat do v´ıce stránek.

3.3.8 Zápis konfiguraˇcn´ıch bitu˚ pamˇeti programu Vývojový diagram operace je na obrázku 3.5(c). K zápisu konfiguraˇcn´ıch bit˚u instrukc´ı

SPM dojde pˇri hodnotˇe registru SPMCSR s nastavenými bity SPMEN, BLBSET (Boot Lock Bit Set) a adrese 0001hex v registru Z. Dle poˇzadavk˚u aplikace m˚uzˇ e být nastaven i bit SPMIE. Zapisovaná data odpov´ıdaj´ı hodnotˇe registru R0, jehoˇz mapován´ı na konfiguraˇcn´ı bity udává tabulka 3.7. Dokonˇcen´ı operace je indikováno stejnˇe jako u zápisu cˇ i mazán´ı stránky pamˇeti.

36


ˇ ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u (a) Cten´

ˇ ı podpisu MCU (b) Cten´

(c) Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu

Obrázek 3.5: Vývojové diagramy uˇzit´ı instrukce SPM

37


3.3.9

38

ˇ Cten´ ı konfiguraˇcn´ıch bytu˚

ˇ ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u prob´ıhá prostˇrednictv´ım instrukce LPM (Load Program MeCten´ mory) s nastavenými bity SPMEN a BLBSET. Adresa v registru Z dle tabulky 3.6 pak definuje, jaká hodnota bude naˇctena. Výsledek je uloˇzen do registru v souladu s parametry instrukce LPM [12]. Mapován´ı jednotlivých bit˚u do c´ılového registru udává tabulka 3.7. Registr Z

Funkce Fuse Low

0000hex

Lock

0001hex

Extended Fuse

0002hex

Fuse High

0003hex

Tabulka 3.6: Hodnoty registru Z pro cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u [11]

Bit Rx:

7

6

5

4

3

2

1

0

Lock

1

1

BLB12

BLB11

BLB02

BLB01

LB2

LB1

Fuse Low

FLB7

FLB6

FLB5

FLB4

FLB3

FLB2

FLB1

FLB0

Fuse High

FHB7

FHB6

FHB5

FHB4

FHB3

FHB2

FHB1

FHB0

Extended Fuse

EFB7

EFB6

EFB5

EFB4

EFB3

EFB2

EFB1

EFB0

Tabulka 3.7: Mapován´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u do registru [11]

3.3.10

ˇ Cten´ ı podpisu MCU a kalibrace RC oscilátoru

ˇ ı podpisu mikrokontroléru a kalibraˇcn´ıho bytu RC oscilátoru je obdobné s bodem Cten´ 3.3.9 s t´ım rozd´ılem, zˇ e registru SPMCSR mus´ı být nastaveny bity SPMEN a SIGRD (Signature Row Read). Adresy dostupných u´ daj˚u pak udává tabulka 3.8.

3.4 Hardware Z hlediska vybrané varianty ˇreˇsen´ı prostˇrednictv´ım bootloaderu se hardwarová cˇ a´ st redukuje na napájec´ı zdroj a obvody zajiˇst’uj´ıc´ı propojen´ı embedded serveru NE-4100T s modulem CPU unit. Jako dodateˇcný poˇzadavek bylo poˇzadováno doplnˇen´ı zapojen´ı o hodiny


Funkce

Registr Z

Signature Byte 1

0000hex

RC Oscilator Calibration Byte

0001hex

Signature Byte 2

0002hex

Signature Byte 3

0004hex

Tabulka 3.8: Hodnoty registru Z pro cˇ ten´ı podpisu MCU a kalibrace RC oscilátoru [11] reálného cˇ asu. Celé zapojen´ı tak popisuje blokové schéma na obrázku 3.6.

Obrázek 3.6: Blokové schéma zapojen´ı modulu BOOT unit Mezi poˇzadavky je nav´ıc snaha o co nejvˇetˇs´ı rozsah pracovn´ıch teplot. Pokud moˇzno má být dosaˇzeno pr˚umyslových poˇzadavk˚u od −40 do 85 ◦ C, coˇz se prom´ıtne na volbˇe pouˇzitých souˇca´ stek. Napájec´ı zdroj tvoˇrený pulzn´ım sniˇzuj´ıc´ım mˇeniˇcem vytváˇr´ı napˇet´ı 5 V a napáj´ı server NE-4100T, modul CPU unit i obvod hodin reálného cˇ asu. Napájen´ı je dále vyvedeno na konektor modulu BOOT unit. Tomu mus´ı odpov´ıdat proudové dimenzován´ı zdroje. Embedded server NE-4100T a modul CPU unit propojuj´ı signály RxD, TxD sériového rozhran´ı pro pˇrenos dat. Ty jsou sd´ılené pro uˇzivatelskou aplikaci a bootloader. Pro u´ cˇ ely bootloaderu dále slouˇz´ı signály E RESET , BOOT a ERROR. Pro komunikaci s obvodem hodin reálného cˇ asu byla zvolena sbˇernice I2C. D˚uvodem je pˇredevˇs´ım hardwarová podpora na stranˇe mikrokontrolér˚u AVR a o proti SPI niˇzsˇ´ı poˇcet vodiˇcu˚ , který potˇrebujeme k propojen´ı. Mezi výhody I2C patˇr´ı i moˇznost multimaster

39


konfigurace, a tak m˚uzˇ e být obvod jednoduˇse sd´ılen dalˇs´ımi zaˇr´ızen´ımi typu master na sbˇernici. K propojen´ı modulu BOOT unit s okol´ım slouˇz´ı signály vyvedené na vstupnˇe výstupn´ı konektory. Mezi nˇe patˇr´ı vstup stejnosmˇerného napájec´ıho napˇet´ı, rozhran´ı Ethernet a veˇskeré signály modulu CPU unit v nezmˇenˇené podobˇe.

3.4.1 Zmˇeny modulu CPU unit Oproti p˚uvodn´ı verzi modulu CPU unit musela být provedena jedna zmˇena v zapojen´ı. V p˚uvodn´ım návrhu byl signál pro resetován´ı extern´ıho watchdog cˇ asovaˇce propojen na signál PD0 mikrokontroléru. Signál PD0 vˇsak zároveˇn sdruˇzuje funkci vstupu pˇrij´ımaˇce rozhran´ı UART, který je potˇrebný ke komunikaci. Poˇc´ıtat s resetován´ım WDT prostˇrednictv´ım komunikace na sériové lince nen´ı moˇzné, protoˇze nelze zajistit neustálý tok dat. A to pˇredevˇs´ım z d˚uvodu komunikace protokolem TCP, kdy vlivem intern´ıch buffer˚u m˚uzˇ e doj´ıt ke znaˇcné cˇ asové prodlevˇe v pˇr´ıpadˇe opakovaného pˇrenosu pˇri vzniku chyby. Z tˇechto d˚uvod˚u byl resetovac´ı signál WDT pˇrepojen na pin mikrokontroléru PD2.

3.4.2 Propojen´ı NE-4100T a modulu CPU unit Vstupnˇe-výstupn´ı signály serveru NE-4100T disponuj´ı logickými u´ rovnˇemi TTL, které spadaj´ı do odpov´ıdaj´ıc´ıch rozsah˚u logických u´ rovn´ı mikrokontroléru ATmega644. Dle doporuˇceného zapojen´ı [16] jsou datové signály RxD a TxD pˇr´ımo propojeny bez dalˇs´ıch dodateˇcných obvod˚u, které by upravovaly logické u´ rovnˇe, pouze s ohledem na smˇer toku dat. Signály BOOT a ERROR byly doplnˇeny o zvedac´ı rezistory R1 a R2, které definuj´ı logické u´ rovnˇe v pr˚ubˇehu resetu a inicializace. Sériové rezistory R3 a R4 omezuj´ı maximáln´ı proud, a t´ım strmost hran. Hodnoty byly pˇrevzaty z doporuˇceného zapojen´ı [16]. Ovládán´ı signálu E RESET poˇc´ıtá s osazen´ım zkratovac´ı propojky JS1 na modulu CPU unit do pozice 1-2 (funkce popsána v odstavci 3.2.2). Zapojen´ı resetovac´ıho tlaˇc´ıtka a pˇr´ıpadnˇe dalˇs´ıch extern´ıch obvod˚u na signálu E RESET vyˇzaduje výstup typu otevˇrený kolektor. Pˇri tvrdé logické u´ rovni 1 by doˇslo pˇri stisku tlaˇc´ıtka ke konfliktu a proudovému

40


pˇret´ızˇ en´ı výstupu serveru NE-4100T. Jeho výstupy nedovoluj´ı konfiguraci typu otevˇrený kolektor. Jistou moˇznost´ı by bylo pˇrep´ınat funkci pˇr´ısluˇsného pinu mezi vstup (obdoba otevˇreného kolektoru) a výstup v logické u´ rovni 0, coˇz se ale nejev´ı jako ideáln´ı ˇreˇsen´ı. Výstup byl proto doplnˇen o pomocný tranzistor T1, který vytváˇr´ı poˇzadovaný otevˇrený kolektor.

Obrázek 3.7: Ovládán´ı signálu E RESET Protoˇze pomocný obvod pracuje ve statickém reˇzimu, je kladen d˚uraz pˇredevˇs´ım na n´ızkou spotˇrebu v ustálených stavech. Z tohoto d˚uvodu byl zvolen unipolárn´ı tranzistor MOSFET s kanálem N. Dalˇs´ım poˇzadovaným parametrem je n´ızké prahové napˇet´ı UGS . Dle tˇechto poˇzadavk˚u a dostupnosti byl vybrán typ BSS138. Zapojen´ı pomocného obvodu se nacház´ı na obrázku 3.7. Rezistor R6 definuje klidovou u´ roveˇn, rezistor R5 omezuje maximáln´ı proud hradlem pˇri pˇrechodových jevech.

3.4.3 Hodiny reálného cˇ asu Z hlediska ceny a dostupnosti byl pro hodiny reálného cˇ asu vybrán osvˇedˇcený obvod PCF8563 [17], jehoˇz blokové schéma se nacház´ı na obrázku 3.8. Disponuje sˇirokým rozsahem napájec´ıho napˇet´ı 1,8 aˇz 5,5 V, coˇz vyhovuje napájec´ımu napˇet´ı 5 V a zálohovac´ımu napˇet´ı 3 V ze standardn´ı lithiové baterie. Pro zálohován´ı z baterie je výhodou i n´ızká spotˇreba 0,25 µ A pˇri napˇet´ı 3 V. Spolehlivou funkci zaruˇcuj´ı monitorovac´ı a resetovac´ı obvody typu watchdog. Specifikace rozhran´ı sbˇernice I2C dovoluj´ı vyuˇzit´ı plné rychlosti pˇri taktovac´ım kmitoˇctu 400 kHz. Sedmibitová slave adresa zaˇr´ızen´ı je pevnˇe definována na hodnotu 51hex . Poskytované informace jsou rok, mˇes´ıc, den, den v týdnu, poˇcet hodin, minut, sekund ˇ základnu tvoˇr´ı krysa stavový bit VL, který potvrzuje validitu uvedených u´ daj˚u. Casovou talový oscilátor s extern´ım krystalem o frekvenci 32768 Hz. Pˇr´ıdavné funkce jako výstup

41


Obrázek 3.8: Blokové zapojen´ı hodin reálného cˇ asu PCF8563 [17] referenˇcn´ıho kmitoˇctu, nebo programovatelné pˇreruˇsen´ı nejsou v tomto zapojen´ı vyuˇzity. Schéma zapojen´ı bloku hodin reálného cˇ asu se nacház´ı na obrázku 3.9. Dvojitá dioda D2 zajiˇst’uje zálohován´ı chodu hodin pˇri vypnutém napájec´ım napˇet´ı z lithiové baterie typu CR2032 o jmenovitém napˇet´ı 3 V s n´ızkým samovyb´ıjen´ım. U diody D2 je kladen d˚uraz pˇredevˇs´ım na n´ızký závˇerný proud, který zp˚usobuje vyb´ıjen´ı záloˇzn´ı baterie. Z tˇechto d˚uvod˚u byl zvolen typ BAV74 se závˇerným proudem 30 nA pˇri napˇet´ı 25 V a teplotˇe pˇrechodu 25 ◦ C [19]. Keramický kondenzátor C9 s kapacitou 100 nF slouˇz´ı k blokován´ı napájec´ıho napˇet´ı a mˇel by být um´ıstˇen co nejbl´ızˇ k vývod˚um integrovaného obvodu IC3. Rezistory R9 a R10 jsou zvedac´ı odpory sbˇernice I2C. Protoˇze nen´ı pˇredem známo vyuˇzit´ı modulu, poˇcet pˇripojených zaˇr´ızen´ı na sbˇernici a ani jej´ı délka, nen´ı t´ım pádem známa kapacita sbˇernice. Vzhledem k modulárn´ımu ˇreˇsen´ı se dá pˇredpokládat, zˇ e kapacita bude relativnˇe vysoká. Uvaˇzujeme-li pr˚umˇernou kapacitu 7 pF na zaˇr´ızen´ı (maximáln´ı kapacita deklarovaná u PCF8563 je 7 pF [17], u ATmega644 10 pF [11]) a kapacitu sbˇernice

42


43

Obrázek 3.9: Schéma zapojen´ı hodin reálného cˇ asu 10 pF vycház´ı pro tˇri zaˇr´ızen´ı a frekvenci 400 kHz hodnota [18]: R9,10 =

tr 300 · 10−9 = ≈ 10 kΩ 0,8473 ·Cb 0,8473 · 34 · 10−12

(3.1)

Frekvenci integrovaného oscilátoru Piercova typu udává krystal Q1 o frekvenci 32768 Hz doplnˇený o zatˇezˇ ovac´ı kapacitu C8. Dle poˇzadavk˚u na co nejvyˇssˇ´ı teplotn´ı rozsah byl vybrán SMD krystal MC-306 [20] s teplotn´ım rozsahem −40 aˇz 85 ◦ C a zatˇezˇ ovac´ı kapacitou CL = 12,5 pF. Bohuˇzel se v tomto teplotn´ım rozsahu nepodaˇrilo naj´ıt jiný dostupný krystal s niˇzsˇ´ı zatˇezˇ ovac´ı kapacitou, coˇz má za následek vyˇssˇ´ı spotˇrebu [18]. Protoˇze nejsou kladeny zˇ a´ dné speciáln´ı poˇzadavky na pˇresnost hodin reálného cˇ asu, byl kondenzátor C8 zvolen jako pevný s kapacitou C8 = CL = 12,5 pF ≈ 12 pF a materiálem NPO, cˇ´ımˇz za cenu menˇs´ı pˇresnosti odpadá nutnost kalibrace. Ta by vyˇzadovala ruˇcn´ı nastaven´ı frekvence mˇeˇritelné na výstupn´ım pinu CLK na pˇresnou hodnotu.

3.4.4 Napájec´ı zdroj Na napájec´ı zdroj jsou kladeny vysoké nároky pˇredevˇs´ım v ohledu rozsahu vstupn´ıho napˇet´ı a pracovn´ıch teplot. Poˇzadovaný rozsah vstupn´ıch napˇet´ı odpov´ıdá hodnotám 6 aˇz 18 V. Teplotn´ı rozsah by mˇel splˇnovat pr˚umyslové poˇzadavky od −40 do 85 ◦ C. Jak bylo popsáno v u´ vodu, mus´ıme u embedded serveru NE-4100T poˇc´ıtat s maximáln´ım proudem 290 mA a u modulu CPU unit s maximáln´ım odbˇerem 210 mA. T´ım dostáváme maximáln´ı proud dodávaný zdrojem 500 mA. Z tˇechto parametr˚u je patrné, zˇ e pˇri pouˇzit´ı lineárn´ıho regulátoru bude velký problém s chlazen´ım. Pro nejhorˇs´ı variantu dostáváme výkonovou ztrátu 6,5 W. Pro napˇet´ı 12 V ve stˇredu pracovn´ıho rozsahu a odhadovanou efektivn´ı hodnotu proudu 400 mA dostáváme ztrátový výkon 2,8 W.


U varianty sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce vzniká problém pˇredevˇs´ım s dodrˇzen´ım spodn´ı hranice napájec´ıho napˇet´ı 6 V. U bˇezˇ nˇe dostupných obvod˚u s výstupn´ım napˇet´ım 5 V bývá minimáln´ı vstupn´ı napˇet´ı 6,5 V. Vzhledem k poˇzadavku na pracovn´ı teplotn´ı rozsah byla zvolena varianta sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce. Lineárn´ı regulátor by kladl velké nároky na rozmˇery chladiˇce a dosahoval by n´ızké u´ cˇ innosti. Na základˇe tˇechto u´ daj˚u byl zvolen obvod LM2674-5.0 [21]. Jedná se o integrovaný sniˇzuj´ıc´ı mˇeniˇc pracuj´ıc´ı s pevnou frekvenc´ı 260 kHz, rozsahem vstupn´ıho napˇet´ı 6,5 aˇz 40 V a garantovaným výstupn´ım proudem 500 mA. Pˇri vstupn´ım napˇet´ı 12 V dosahuje u´ cˇ innosti 90%. Na obrázku 3.10 se nacház´ı schéma zapojen´ı pouˇzitého sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce. Pˇri volbˇe hodnot souˇca´ stek je tˇreba zaˇc´ıt u indukˇcnosti c´ıvky L1. Ta je definována maximáln´ım vstupn´ım napˇet´ım a maximáln´ım proudem. Z grafu ([21], figure 5) tak dostáváme hodnotu indukˇcnosti L1 68 µ H. Pro volbu konkrétn´ıho typu c´ıvky je v zájmu u´ cˇ innosti poˇzadován co nejmenˇs´ı ohmický odpor vinut´ı. Z hlediska minimalizace elektromagnetického ruˇsen´ı jsou pak vhodné typy s uzavˇreným magnetickým obvodem. Na základˇe tˇechto poˇzadavk˚u byla vybrána c´ıvka MATSUTA SC75F-680 [22]. Dalˇs´ım krokem návrhu je volba kapacity výstupn´ıho kondenzátoru C10. Pro indukˇcnost 68 µ H vycház´ı dle tabulky ([21], figure 10) hodnota 100 µ F pro napˇet´ı 10 V. U kondenzátoru se nav´ıc poˇzaduje malá vnitˇrn´ı indukˇcnost, a proto nevyhovuj´ı bˇezˇ né elektrolytické kondenzátory a bude pouˇzit kondenzátor tantalový.

Obrázek 3.10: Schéma zapojen´ı napájec´ıho zdroje V tˇret´ım kroku pˇricház´ı na ˇradu volba diody D1. Ta pˇreb´ırá veden´ı proudu zátˇezˇ´ı ve chv´ıli, kdy dojde k rozepnut´ı tranzistoru uvnitˇr integrovaného obvodu IC1. Indukˇcnost c´ıvky L1 se snaˇz´ı udrˇzet smˇer a velikost proudu zátˇezˇ´ı. Jedinou moˇznost´ı je, zˇ e dojde ke zmˇenˇe polarity napˇet´ı na c´ıvce L1 a proud se uzavˇre pˇres diodu D1. Vzhledem

44


k pracovn´ı frekvenci 250 kHz mus´ı být dioda rychlá a z poˇzadavku na co nejmenˇs´ı ztráty (nejvyˇssˇ´ı u´ cˇ innost) vyplývá co nejniˇzsˇ´ı napˇet´ı v propustném smˇeru. Tyto poˇzadavky vedou na Schottkyho diodu. Proudové dimenzován´ı dle [21] odpov´ıdá maximáln´ımu proudovému omezen´ı obvodu LM2674, které má hodnotu 1,25 A. Závˇerné napˇet´ı mus´ı být minimálnˇe 1,2krát vˇetˇs´ı neˇz maximáln´ı vstupn´ı napˇet´ı. Na základˇe tˇechto hodnot byla vybrána dioda SK24 se závˇerným napˇet´ım 40 V a jmenovitým proudem v propustném ´ smˇeru 2 A. Ubytek napˇet´ı v propustném smˇeru je menˇs´ı neˇz 0,4 V pˇri proudu 0,5 A. V posledn´ım kroku se vol´ı kondenzátor na vstupu mˇeniˇce. Napˇet’ové dimenzován´ı mus´ı odpov´ıdat hodnotˇe minimálnˇe 1,25 ·Uin,max . Konkrétn´ı typ kondenzátory se vol´ı dle proudové zat´ızˇ itelnosti. Ta by mˇela dle [21] odpov´ıdat pˇribliˇznˇe 1/2 výstupn´ıho proudu. Bohuˇzel u dostupných kondenzátor˚u nen´ı tento parametr uveden. Byla zvolena paraleln´ı kombinace dvou tantalových kondenzátor˚u C4 a C5 s kapacitou 22 µ F pro napˇet´ı 25 V. Kondenzátor C1, který spolu s vnitˇrn´ımi obvody IC1 napomáhá k rychlejˇs´ımu otevˇren´ı výkonových tranzistor˚u mˇeniˇce, má dle doporuˇcen´ı [21] hodnotu 10 nF a je dimenzován na napˇet´ı 50 V.

3.4.5 Vstupy a výstupy Na obrázku 3.4.5 se nacház´ı zapojen´ı vstupnˇe-výstupn´ıch konektor˚u modulu BOOT unit. V levé cˇ a´ sti leˇz´ı konektory X5 a X6, coˇz jsou dutinkové liˇsty pro osazen´ı modulu CPU unit. Kol´ıkové liˇsty po stranách modulu reprezentuj´ı konektory X4 a X7. Ze schématu je patrné, zˇ e bylo zachováno rozloˇzen´ı vývod˚u jako u modulu CPU unit a dostupné jsou veˇskeré signály poskytované t´ımto modulem. Na konektoru je taktézˇ vyvedeno napˇet´ı 5 V pro pˇr´ıpadné napájen´ı dalˇs´ıch obvod˚u. Zde vˇsak mus´ı být brán ohled na maximáln´ı proudové zat´ızˇ en´ı zdroje, jak bylo navrhnuto v bodˇe 3.4.4. Pravá cˇ a´ st schématu zobrazuje zapojen´ı ethernetového konektoru RJ-45. V nˇem jsou integrovány dvˇe signalizaˇcn´ı LED diody, které udávaj´ı aktuáln´ı stav ethernetového rozhran´ı. Konektor byl zvolen typ RJHS-5381 [23] s n´ızkopˇr´ıkonovými LED diodami a st´ınˇen´ım. Parametry diod jsou 2,1 V a 2 mA v propustném smˇeru. Výstupn´ı napˇet´ı serveru NE-4100T pro LED diody odpov´ıdá hodnotˇe 3,3 V. Z tˇechto parametr˚u lze urˇcit

45


46

hodnotu rezistor˚u R7 a R8: R7,8 =

Uout −Ud 3,3 − 2,1 = ≈ 680 Ω Id 2 · 10−3

(3.2)

Kondenzátory C6 a C7 maj´ı za u´ kol vyrovnávat elektrostatické napˇet´ı (ESD), které vzniká na st´ınˇen´ı kabelu. Kapacita kondenzátor˚u je 100 pF a napˇet’ové dimenzován´ı mus´ı odpov´ıdat hodnotˇe 2 kV, coˇz vycház´ı z doporuˇceného zapojen´ı výrobce [16].

(a) Vstupnˇe-výstupn´ı signály

(b) Konektor rozhran´ı Ethernet

Obrázek 3.11: Schéma zapojen´ı vstup˚u a výstup˚u

3.4.6 Deska ploˇsných spoju˚ Modul BOOT unit je realizován na jedné dvouvrstvé prokovené desce ploˇsných spoj˚u o rozmˇerech 85 x 58 mm. Pˇri návrhu byly zohlednˇeny technologické poˇzadavky zvoleného výrobce, a proto deska vyhovuje následuj´ıc´ım parametr˚um: • minimáln´ı sˇ´ıˇrka spoje 0,3 mm • minimáln´ı sˇ´ıˇrka izolaˇcn´ı mezery 0,2 mm • minimáln´ı pr˚umˇer vrtán´ı 0,6 mm Na materiál desky nejsou kladeny zˇ a´ dné speciáln´ı nároky, a proto byl vybrán standardn´ı materiál FR4 o tlouˇst’ce 1,5 mm. Aby byla garantována pájitelnost, je povrch desky upraven metodou zˇ a´ rového c´ınován´ı HAL. Vˇetˇsina souˇca´ stek je v proveden´ı SMD. Rozmˇer rezistor˚u a kondenzátor˚u odpov´ıdá velikosti 1206. Tato volba vycház´ı ze snahy vyuˇzit´ı stejných druh˚u souˇca´ stek, jako jsou pouˇzity v modulu CPU unit.


Výjimky tvoˇr´ı rezistory R3, R4 a kondenzátory C6, C7. U rezistor˚u R3 a R4 bylo zvoleno klasické proveden´ı o rozmˇeru 0207, a to z d˚uvodu snazˇs´ı realizace spoj˚u na DPS. Kondenzátory C6 a C7 jsou v klasickém proveden´ı, aby bylo moˇzné zajistit napˇet’ové dimenzován´ı na 2 kV. S ohledem na toto napˇet´ı jsou proto u patˇriˇcných spoj˚u pouˇzity vˇetˇs´ı izolaˇcn´ı mezery. Z hlediska zásad pro návrh DPS sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce jsou kondenzátory C1, C4, C5, C10, dioda D1 a c´ıvka L1 um´ıstˇeny co nejbl´ızˇ e vývod˚um integrovaného obvodu IC1. D˚uvody jsou minimalizace ohmického odporu a indukˇcnosti spoj˚u. Kv˚uli tˇemto poˇzadavk˚um byly nav´ıc u patˇriˇcných spoj˚u pouˇzity vˇetˇs´ı tlouˇst’ky. Lithiová baterie G1 k zálohován´ı hodin reálného cˇ asu byla z d˚uvodu dosaˇzen´ı co nejmenˇs´ıho rozmˇeru DPS zvolena typu CR2032 pro vertikáln´ı montázˇ . U modulu CPU unit a embedded server NE-4100T se poˇc´ıtá s osazen´ım do dutinkových liˇst. D˚uvodem tohoto ˇreˇsen´ı je pˇredevˇs´ım u´ spora m´ısta na DPS, protoˇze pod moduly mohou být um´ıstˇeny souˇca´ stky s vyˇssˇ´ım profilem (c´ıvka sniˇzuj´ıc´ıho mˇeniˇce, tantalové kondenzátory). Spodn´ı strana DPS nen´ı pro vyˇssˇ´ı souˇca´ stky vyuˇzitelná, protoˇze se zde nacházej´ı kol´ıkové liˇsty X4 a X7. Kompletn´ı schéma zapojen´ı, deska ploˇsných spoj˚u a rozloˇzen´ı souˇca´ stek jsou um´ıstˇeny v pˇr´ılohách B a C.

3.4.7 Poˇzadavky na souˇca´ stky Tolerance hodnot rezistor˚u a kondenzátor˚u nen´ı kritická. Mohou být pouˇzity rezistory ˇ adný z rezistor˚u nen´ı výkonovˇe namáhán, a proto postaˇc´ı s pˇresnost´ı 5 % nebo lepˇs´ı. Z´ standardn´ı dimenzován´ı 0,25 W pro SMD velikost 1206. U keramických kondenzátor˚u je poˇzadována tolerance alespoˇn 10 % a materiál X7R. Výjimku tvoˇr´ı kondenzátor C8 v obvodu hodin reálného cˇ asu. Zde potˇrebujeme co nejlepˇs´ı teplotn´ı stabilitu, a proto byl vybrán materiál NPO s toleranc´ı 5 % cˇ i lepˇs´ı. Nen´ı-li uvedeno jinak, jsou keramické kondenzátory dimenzovány na napˇet´ı alespoˇn 25 V. Parametry tantalových kondenzátor˚u C4, C5 a C10 byly diskutovány v odstavci 3.4.4. Kompletn´ı seznam souˇca´ stek, jejich parametry a typ pouzdra obsahuje pˇr´ıloha D.

47


3.5 Komunikaˇcn´ı protokol C´ılové mikrokontroléry Atmel AVR disponuj´ı omezenými hardwarovými zdroji, a to pˇredevˇs´ım v oblastech velikosti pamˇeti programu vyhrazené pro bootloader, velikosti pamˇeti dat a výpoˇcetn´ım výkonu. Tato omezen´ı mus´ı být proto zohlednˇena jiˇz pˇri návrhu vhodného komunikaˇcn´ıho protokolu tak, aby bylo zajiˇstˇeno optimáln´ı vyuˇzit´ı, a tak minimalizovány vlivy bootloaderu na uˇzivatelskou aplikaci. Z rozboru princip˚u u´ loh poskytovaných bootloaderem vyplývá, zˇ e jisté nároky na objem pˇrenesených dat klade pouze zápis do pamˇeti programu. Z pˇrehledu MCU v pˇr´ıloze E vid´ıme, zˇ e jde ˇra´ dovˇe o des´ıtky aˇz stovky kB. Pˇrenést celý obraz pamˇeti programu v jednom bloku a následnˇe jej zapsat nen´ı moˇzné, protoˇze MCU nedisponuje dostateˇcnˇe velkou pamˇet´ı dat. Programová data se vˇsak zapisuj´ı po bloc´ıch, které odpov´ıdaj´ı velikosti stránky, a ta dosahuje maximálnˇe velikosti 256 B. Této skuteˇcnosti lze vyuˇz´ıt k dekompozici u´ lohy na jednoduˇssˇ´ı celky a pˇrenásˇet data v menˇs´ıch bloc´ıch. Pˇrevodn´ık NE-4100T pouˇz´ıvá k pˇrenosu dat i ovládán´ı obecných vstupnˇe-výstupn´ıch port˚u protokol TCP na pozici transportn´ı vrstvy, coˇz zaruˇcuje dle specifikac´ı [9] do znaˇcné m´ıry spolehlivé doruˇcen´ı dat ve správném poˇrad´ı. Toho je dosaˇzeno pˇredevˇs´ım vyuˇzit´ım kontroln´ıch souˇct˚u, cˇ´ıslován´ı paket˚u a opakován´ım nedoruˇcených paket˚u. Pˇrenos dat v menˇs´ıch bloc´ıch má pozitivn´ı dopad i na detekci chyb. Pˇri menˇs´ım objemu dat pˇrenásˇených TCP rámcem stoupne pravdˇepodobnost detekce chyby, protoˇze i kontroln´ı souˇcet je pak poˇc´ıtán pro menˇs´ı blok dat. Z tˇechto d˚uvod˚u nen´ı dále potˇreba ˇreˇsit zabezpeˇcen´ı pˇrenosu proti chybám na u´ rovni aplikaˇcn´ı vrstvy, kterou tvoˇr´ı komunikace s bootloaderem. To vede na znaˇcné zjednoduˇsen´ı firmware a niˇzsˇ´ı nároky na výpoˇcetn´ı výkon. Protoˇze k zápisu jedné stránky docház´ı v nezanedbatelném cˇ ase, jak uvád´ı tabulka 3.5, mus´ı být pˇri komunikaci realizován mechanizmus ˇr´ızen´ı toku dat. T´ım se zajist´ı, zˇ e nedojde k pˇreteˇcen´ı pˇrij´ımac´ıho bufferu bootloaderu, coˇz by vedlo ke ztrátˇe dat a selhán´ı procesu programován´ı. Z rozdˇelen´ı pamˇet’ového prostoru (kapitola 3.3.1) je vidˇet, zˇ e kód bootloaderu zab´ırá m´ısto v pamˇeti programu na u´ kor uˇzivatelské aplikace a jeho velikost je omezena. Proto se stává pˇrirozeným poˇzadavkem minimalizovat jeho velikost. Nen´ı tak na m´ıstˇe sloˇzitý

48


komunikaˇcn´ı protokol, cˇ´ımˇz lze vylouˇcit textovˇe orientované protokoly, které preferuj´ı cˇ itelnost a flexibilitu nad mnoˇzstv´ım pˇrenásˇených dat a sloˇzitost´ı zpracován´ı. Z tˇechto d˚uvod˚u byl zvolen jednoúcˇ elový binárn´ı protokol s komunikac´ı typu masterslave. Firmware bootloaderu tvoˇr´ı podˇr´ızenou stranu (slave) a uˇzivatelská aplikace nadˇr´ızenou stranu (master). Kaˇzdý pˇr´ıkaz bude definován pevným formátem zˇ a´ dost´ı a odpovˇed´ı.

3.5.1 Formát pˇrenosu Pro sériovou komunikaci mezi mikrokontrolérem a pˇrevodn´ıkem NE-4100T je nezbytné urˇcit vhodný formát pˇrenosu. Ten definuje poˇcet datových bit˚u, stop bit˚u, parita, ˇr´ızen´ı toku dat a bitová rychlost. Bitová rychlost byla vybrána 115200 bit/s s ohledem na standardn´ı ˇradu hodnot a rychlost pˇrenosu. Pro poˇcet datových a stop bit˚u jsou nejvýhodnˇejˇs´ı standardn´ı hodnoty osm datových a jeden stop bit. Volba datových bit˚u vycház´ı z sˇ´ıˇrky datové sbˇernice MCU. Prodlouˇzený stop bit se u tohoto druhu sériové komunikace vyuˇz´ıval v pˇr´ıpadˇe, zˇ e hardware nebyl schopen pˇrijatý byte zpracovat v dostateˇcnˇe krátkém cˇ ase. Vzhledem k postaˇcuj´ıc´ı rychlosti pˇr´ıjmu a zpracován´ı dat nen´ı v tomto pˇr´ıpadˇe stop bit potˇreba prodluˇzovat. Parita nebude vyuˇzita a ˇr´ızen´ı toku bude ˇreˇseno softwarovˇe na u´ rovni aplikaˇcn´ıho protokolu. Hardwarové ˇr´ızen´ı toku nen´ı výhodné jednak proto, zˇ e vyˇzaduje dalˇs´ı vstupnˇe-výstupn´ı signály, ale hlavnˇe v nemoˇznosti pˇresnˇe urˇcit mnoˇzstv´ı pˇrijatých dat. To by komplikovalo implementaci pˇrij´ımac´ıho bufferu. Formát pˇrenosu je naznaˇcen na obrázku 3.12. Zaˇca´ tek pˇrenosu jednoho bytu zahajuje start bit St, osmibitová data se vys´ılaj´ı v poˇrad´ı od nejniˇzsˇ´ıho bitu k nejvyˇssˇ´ımu bitu a sekvenci uzav´ırá stop bit Sp.

Obrázek 3.12: Formát pˇrenosu

49


3.5.2 Start bootloaderu Start bootloaderu po proveden´ı resetu mikrokontroléru se signálem BOOT v logické u´ rovni 0 signalizuje vyslán´ı identifikaˇcn´ı sekvence. Ta se skládá z konstantn´ı cˇ a´ sti a verze bootloaderu, jak popisuje tabulka 3.9. Verzi oznaˇcuje sˇestnáctibitové cˇ´ıslo bez znaménka s organizac´ı typu nejménˇe významný byt prvn´ı (little-endian). Odeslán´ım identifikaˇcn´ı sekvence pˇrecház´ı bootloader do stavu, ve kterém cˇ eká na pˇr´ıkazy, jejichˇz formáty jsou popsány dále. k

1

Pˇr´ıkaz

Odpovˇed’

(master)

(slave)

RESET

Popis

Reset MCU, BOOT = 0

2

41hex 45hex 42hex 4Chex

3

V[0..1]

Konstantn´ı sekvence Verze (uint16)

Tabulka 3.9: Formát identifikaˇcn´ı sekvence

3.5.3 Princip potvrzen´ı operac´ı mazán´ı a zápisu Aby se sn´ızˇ ilo riziko náhodného vymazán´ı aplikace, nebo zápisu neplatných hodnot napˇr´ıklad pˇri chybˇe komunikace, cˇ i pˇripojen´ı neplatného klienta, mus´ı být tyto operace potvrzeny. Mechanizmus potvrzen´ı pracuje na principu vyslán´ı kl´ıcˇ e a ovˇeˇren´ı odpovˇedi, která je vypoˇc´ıtána z odeslaného kl´ıcˇ e definovaným zp˚usobem. Generován´ı sekvence kl´ıcˇ e se odvod´ı od cˇ asového intervalu vymezeného startem bootloaderu a pˇrijet´ım pˇr´ıkazu, který má být potvrzen. Praktická realizace bude implementována pomoc´ı volnˇe bˇezˇ´ıc´ıho sˇestnáctibitového cˇ asovaˇce s vysokým cˇ asovým rozliˇsen´ım. T´ım bude zajiˇstˇen do jisté m´ıry náhodný charakter daný cˇ asovým nedeterminismem komunikace a vznikne tak sekvence dvou byt˚u, která se odeˇsle aplikaci zˇ a´ daj´ıc´ı o proveden´ı pˇr´ıkazu. Z této dvoubytové sekvence aplikace vypoˇc´ıtá odpovˇed’ jako standardn´ı kontroln´ı souˇcet CRC16-CCITT daný rovnic´ı x16 + x12 + x5 + 1. D˚uvodem této volby spoˇc´ıvá pouˇzit´ı stejného CRC algoritmu pro ovˇeˇren´ı integrity uˇzivatelské aplikace, která bude

50


popsána dále. Snahou je tedy umoˇznit optimalizaci velikosti kódu bootloaderu sd´ılen´ım stejné funkce. Ovˇeˇren´ı operace tedy prob´ıhá dle následuj´ıc´ıho postupu: 1. Inicializace CRC16 hodnotou FFFFhex 2. Výpoˇcet nové hodnoty CRC16 z prvn´ıho bytu kl´ıcˇ e K0 3. Výpoˇcet nové hodnoty CRC16 z druhého bytu kl´ıcˇ e K1 4. Odeslán´ı niˇzsˇ´ıho bytu CRC16 (odpovˇed’ R0) 5. Odeslán´ı vyˇssˇ´ıho bytu CRC16 (odpovˇed’ R1)

3.5.4 Vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce Mazán´ı aplikaˇcn´ı sekce je uvozeno kódem 0Ehex . Aby se sn´ızˇ ilo riziko náhodného vymazán´ı, pouˇz´ıvá operace metodu potvrzen´ı popsanou v odstavci 3.5.3. Bootloader odpov´ı sekvenc´ı dvou byt˚u, které dávaj´ı kl´ıcˇ k potvrzen´ı operace. Pro potvrzen´ı vymazán´ı mus´ı master odpovˇedˇet zp˚usobem popsaným v pˇredchoz´ım odstavci. Komunikaci popisuje tabulka 3.10. Operace mazán´ı má cˇ tyˇri návratové kódy. Hodnota 00hex oznaˇcuje u´ spˇesˇné vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce. Odpovˇed’ 02hex signalizuje nesprávné potvrzen´ı operace pomoc´ı kl´ıcˇ e. Hodnota 03hex informuje o tom, zˇ e funkce mazán´ı nen´ı u daného systému povolena. Návratová hodnota 10hex znamená, zˇ e mazán´ı aplikaˇcn´ı sekce probˇehlo neúspˇesˇnˇe, protoˇze pˇri verifikaci byl nalezen jeden nebo v´ıce byt˚u, které nemaj´ı hodnotu FFhex odpov´ıdaj´ıc´ı vymazané oblasti. k

1

Pˇr´ıkaz

Odpovˇed’

(master)

(slave)

3 4

ˇ adost o vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce Z´

0Ehex

2

Popis

K[0..1]

Kl´ıcˇ pro potvrzen´ı (uint16, K0 = LSB, K1 = MSB) Odpovˇed’ na kl´ıcˇ K (uint16, R0 = LSB, R1 = MSB)

R[0..1] 00hex

Aplikaˇcn´ı sekce u´ spˇesˇnˇe vymazána

02hex

Neplatný kl´ıcˇ

03hex

Funkce zablokována

10hex

Verifikace se nezdaˇrila, jeden cˇ i v´ıce byt˚u má hodnotu r˚uznou od FFhex

Tabulka 3.10: Formát komunikace pˇri mazán´ı aplikaˇcn´ı sekce

51


3.5.5 Zápis do aplikaˇcn´ı sekce Kód pˇr´ıkazu pro zápis do aplikaˇcn´ı sekce odpov´ıdá hodnotˇe 0Fhex a je následován parametrem, který udává velikost obrazu aplikace v bytech. Parametr má formu celého cˇ´ısla bez znaménka o délce 32 bit˚u s organizac´ı typu nejménˇe významný byt prvn´ı (little-endian). Pro potvrzen´ı pˇr´ıkazu plat´ı stejné pravidlo jako v pˇr´ıpadˇe mazán´ı. Odpovˇed´ı na kl´ıcˇ je potvrzen´ı cˇ i zam´ıtnut´ı pˇr´ıkazu. T´ım m˚uzˇ e být nesouhlas kl´ıcˇ e, nebo chybná velikost obrazu (vˇetˇs´ı neˇz aplikaˇcn´ı sekce). Je-li pˇr´ıkaz potvrzen, odeˇsle bootloader velikost svého pˇrij´ımac´ıho bufferu jako celé cˇ´ıslo bez znaménka o délce 16 bit˚u. Tento parametr definuje velikost blok˚u, po kterých bude pˇrenásˇen obraz aplikace pˇri zápisu. Master tak vˇzdy odeˇsle blok dat a cˇ eká na potvrzen´ı jeho zápisu. Délka bloku odpov´ıdá velikosti pˇrij´ımac´ıho bufferu. Menˇs´ı m˚uzˇ e být pouze, je-li zbývaj´ıc´ı poˇcet dat menˇs´ı, neˇz velikost bufferu. Po zápisu posledn´ıho bloku dat oˇcekává bootloader kontroln´ı souˇcet obrazu aplikace. Ten je pˇrenásˇen celoˇc´ıselnou hodnotou bez znaménka o délce 16 bit˚u. Jako kontroln´ı souˇcet byl zvolen standardn´ı polynom CRC16-CCITT daný rovnic´ı x16 + x12 + x5 + 1. Kontroln´ı souˇcet se vypoˇc´ıtá z binárn´ıho obrazu uˇzivatelské aplikace, pˇriˇcemˇz na zaˇca´ tku výpoˇctu mus´ı být kontroln´ı souˇcet inicializován hodnotou FFFFhex . Odpovˇed´ı na kontroln´ı souˇcet je bud’ potvrzen´ı u´ spˇesˇného zápisu, nebo chyba ovˇeˇren´ı CRC, jak popisuje tabulka 3.11.

3.5.6


Kódem pro cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u je hodnota 10hex . Odpovˇed´ı jsou cˇ tyˇri byty v poˇrad´ı Fuse Low, Lock, Extended Fuse a Fuse High. Nen´ı-li nˇekterý z konfiguraˇcn´ıch byt˚u u daného MCU dostupný, vrac´ı bootloader hodnotu FFhex .

3.5.7

ˇ Cten´ ı podpisu MCU

Kódem ke cˇ ten´ı podpisu mikrokontroléru je hodnota 11hex a poˇrad´ı odpovˇedi definuje tabulka 3.13. U mikrokontrolér˚u, které neumoˇznˇ uj´ı cˇ ten´ı signature bootloaderem (napˇr´ıklad ATmega16), vrac´ı funkce hodnotu FFFFFFhex .

52


k

Pˇr´ıkaz

Odpovˇed’

(master)

(slave)

1

0Fhex

2

S[0..3]

Pˇr´ıkaz zápisu aplikace Velikost aplikace (uint32, S0 = LSB, S3 = MSB)

3 4

K[0..1]

Kl´ıcˇ pro potvrzen´ı (uint16, K0 = LSB, K1 = MSB) Potvrzen´ı pˇr´ıkazu

R[0..1]

5

6 7

Popis

00hex

Velikost pˇrijata

02hex


20hex

Velikost odm´ıtnuta

B[0..1] D[N]

Velikost pˇrij´ımac´ıho bufferu B (uint16, B0 = LSB, B1 = MSB) Blok dat o velikosti N N = B je-li zbývaj´ıc´ı poˇcet dat >= B, jinak N = zbývaj´ıc´ı poˇcet dat

8

00hex

9 10

Blok dat zapsán

Kroky 7 a 8 se opakuj´ı, dokud nen´ı zapsána celá aplikace CRC[0..1]

Kontroln´ı souˇcet aplikace (uint16, CRC0 = LSB, CRC1 = MSB)

11

00hex

Aplikace u´ spˇesˇnˇe zapsána

21hex

Zápis aplikace se nezdaˇril (nesouhlas´ı kontroln´ı souˇcet)

Tabulka 3.11: Formát komunikace pˇri zápisu do aplikaˇcn´ı sekce k

1

Pˇr´ıkaz

Odpovˇed’

(master)

(slave)

Popis ˇ adost o cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u Z´

10hex

2

FL

Konfiguraˇcn´ı byt Fuse Low

3

L

Konfiguraˇcn´ı byt Lock

4

EF

Konfiguraˇcn´ı byt Extended Fuse

5

FH

Konfiguraˇcn´ı byt Fuse High

Tabulka 3.12: Formát komunikace pˇri cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u k

1

Pˇr´ıkaz

Odpovˇed’

(master)

(slave)

Popis ˇ adost o cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u Z´

11hex

2

S1

Signature Byte 1

3

S2

Signature Byte 2

4

S3

Signature Byte 3

Tabulka 3.13: Formát komunikace pˇri cˇ ten´ı podpisu MCU

53


3.5.8 Zápis konfiguraˇcn´ıch bitu˚ pamˇeti programu Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu má kód 12hex Za kódem pˇr´ıkazu následuje hodnota, která má být nastavena. Z principu funkce lock bit˚u je moˇzné pouze nastavit bity s hodnotou 1 na hodnotu 0 (viz. odstavec 3.3.2), a proto chován´ı odpov´ıdá logické funkci AND. Z toho vyplývá, zˇ e hodnota FFhex neprovede zˇ a´ dnou zmˇenu a hodnota 00hex nastav´ı vˇsechny dostupné lock bity. Z d˚uvodu zachován´ı funkce uˇzivatelské aplikace mus´ı být blokováno nastaven´ı bitu

BLB02. Jeho aktivován´ı má za následek nemoˇznost cˇ ten´ı aplikaˇcn´ı sekce bootloaderem, coˇz vede k selhán´ı systému ovˇeˇren´ı CRC. V koneˇcném výsledku by tak nastaven´ı bitu BLB02 zabránilo spuˇstˇen´ı uˇzivatelské aplikace, coˇz znamená nefunkˇcnost celého systému. Tento bit proto nebude bootloaderem nikdy nastaven. Komunikaci a návratové kódy popisuje tabulka 3.14. Jelikoˇz se jedná o zápis, mus´ı být operace potvrzena obvyklým zp˚usobem. k

Pˇr´ıkaz

Odpovˇed’

(master)

(slave)

1

12hex

2

LB

3 4 5

Popis ˇ adost o zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u Z´ Zapisovaná hodnota

K[0..1]

Kl´ıcˇ pro potvrzen´ı (uint16, K0 = LSB, K1 = MSB) Odpovˇed’ na kl´ıcˇ K (uint16, R0 = LSB, R1 = MSB)

R[0..1] 00hex

Operace u´ spˇesˇnˇe provedena

02hex


03hex

Funkce zablokována

Tabulka 3.14: Formát komunikace pˇri zápisu konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu

3.5.9 Neplatný pˇr´ıkaz Nen´ı-li kód pˇr´ıkazu rozpoznán, odpov´ıdá bootloader chybovým kódem 01hex a vrac´ı se do stavu cˇ ekán´ı na pˇr´ıkaz. Popis komunikace popisuje tabulka 3.15.

54


k

1 2

Pˇr´ıkaz

Odpovˇed’

(master)

(slave)

Popis

E = neplatný kód pˇr´ıkazu

E

Neplatný pˇr´ıkaz

x01

Tabulka 3.15: Odpovˇed’ na neplatný pˇr´ıkaz

3.6 Firmware Pro vývoj firmware mikrokontroléru byl zvolen jazyk C. Oproti assembleru vykazuje nesrovnatelnˇe jednoduˇssˇ´ı vývoj aplikace s ohledem na pˇr´ıpadné zmˇeny, rozˇs´ıˇren´ı a pˇredevˇs´ım snadnˇejˇs´ı kontrolu ˇreˇsen´ı. Výhodou programovac´ıho jazyka na vyˇssˇ´ı u´ rovni je také menˇs´ı návaznost na hardware, a tak lze snadnˇeji dosáhnout pouˇzit´ı stejného kódu pro r˚uzné typy MCU. Cenou za to je hlavnˇe m´ırné zvˇetˇsen´ı výsledného strojového kódu a niˇzsˇ´ı stupeˇn optimalizace. Vzhledem k u´ zké návaznosti problematiky bootloaderu na hardware mus´ı být brán ohled na specifické vlastnosti pˇrekladaˇce. Z tohoto d˚uvodu bude zdrojový kód firmware navrˇzen pro konkrétn´ı pˇrekladaˇc. Z volnˇe dostupných byl vybrán nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı pˇrekladaˇc AVR-GCC, protoˇze podporuje vˇetˇsinu mikrokontrolér˚u Atmel AVR, je stále aktivnˇe rozv´ıjen a disponuje dobrou dokumentac´ı.

3.6.1 Struktura projektu Na základˇe zvoleného komunikaˇcn´ıho protokolu, principu funkc´ı bootloaderu a poˇzadavk˚u diskutovaných v pˇredchoz´ıch cˇ a´ stech projektu byl vytvoˇren firmware bootloaderu. Kód ˇreˇsen´ı byl v zájmu pˇrehlednosti dekomponován na elementárn´ı funkce a rozdˇelen dle logické struktury na nˇekolik samostatných cˇ a´ st´ı. Celý projekt se tak skládá z dev´ıti soubor˚u, jejichˇz názvy a hrubý popis udává tabulka 3.16.

3.6.2 Start bootloaderu Start popisuje vývojový diagram hlavn´ı funkce programu na obrázku 3.13. Vstupn´ım bodem je vektor resetu mikrokontroléru nastavený konfiguraˇcn´ım bitem BOOTRST do

55


Soubor

Popis

Makefile

Skript pro pˇreklad projektu

aebl.c

Hlavn´ı zdrojový kód. Implementace funkc´ı bootloaderu.

uart.c

Zdrojový kód komunikaˇcn´ıch funkc´ı.

watchdog.c

Zdrojový kód funkc´ı pro obsluhu extern´ıho WDT.

aebl.h

Hlavn´ı hlaviˇckový soubor bootloaderu.

options.h

Hlaviˇckový soubor s konfiguraˇcn´ımi parametry bootloaderu.

rand.h

Hlaviˇckový soubor s inline funkcemi generátoru kl´ıcˇ e.

uart.h

Hlaviˇckový soubor komunikaˇcn´ıch funkc´ı.

watchdog.h

Hlaviˇckový soubor funkc´ı WDT. Tabulka 3.16: Struktura projektu firmware

sekce bootloaderu. Zde leˇz´ı hlavn´ı funkce programu s prototypem: void

attribute

( ( n o r e t u r n , naked , s e c t i o n ( ” . v e c t o r s ” ) ) ) main ( v o i d ) ;

Atribut section(”.vectors”) zaruˇcuje um´ıstˇen´ı funkce linkerem na poˇzadovanou adresu. Atributy noreturn a naked optimalizuj´ı velikost výsledného kódu. Protoˇze hlavn´ı funkce bootloaderu nikdy nevrac´ı hodnotu a nepotˇrebuje standardn´ı inicializaci, jsou tyto vlastnosti zablokovány. Z d˚uvodu optimalizace nejsou pouˇzity ani standardn´ı inicializaˇcn´ı funkce zprostˇredkované pˇrekladaˇcem, cˇ ehoˇz je dosaˇzeno parametrem linkeru -nostartfiles. Jako prvn´ı krok se tedy mus´ı inicializovat d˚uleˇzité registry MCU, o jejichˇz nastaven´ı se obvykle stará pˇrekladaˇc. Tˇemi jsou v pˇr´ıpadˇe pˇrekladaˇce AVR-GCC registr R1, stavový registr SREG a ukazatel zásobn´ıku SP. Registr R1 je pˇrekladaˇcem vyuˇz´ıván jako nulový registr, proto mus´ı být inicializován na hodnotu 00hex . Jelikoˇz pˇr´ıstup k tˇemto registr˚um nen´ı z jazyka C pˇr´ımo moˇzný, byla vloˇzena instrukce CLR (Clear Register) prostˇrednictv´ım inline assembleru. Parametr volatile zabraˇnuje pˇrekladaˇci instrukci vypustit v rámci optimalizace. Stavový registr SREG poˇc´ıtá ve výchoz´ım stavu s nulovou hodnotu. Zde jiˇz pouˇzit´ı assembleru nen´ı nutné. Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ım krokem je inicializace ukazatele zásobn´ıku SP. Mikrokontroléry AVR pouˇz´ıvaj´ı zpˇetný posun ukazatele pˇri ukládán´ı na zásobn´ık (adresa je dekrementována).

56


Pˇrekladaˇc AVR-GCC tak ve výchoz´ım nastaven´ı poˇc´ıtá s poˇca´ tkem zásobn´ıku na posledn´ı adrese pamˇeti dat. Po inicializaci watchdog cˇ asovaˇce pˇricház´ı na ˇradu kontrola podm´ınky pro spuˇstˇen´ı uˇzivatelské aplikace. Ta je definována jako logický signál na vstupn´ım pinu MCU. Jeli hodnota 0, pokraˇcuje se ve spouˇstˇen´ı bootloaderu. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe se poˇzaduje spuˇstˇen´ı uˇzivatelské aplikace, coˇz je podm´ınˇeno správným kontroln´ım souˇctem. V pˇr´ıpadˇe platného kontroln´ıho souˇctu dojde ke spuˇstˇen´ı uˇzivatelské aplikace skokem na adresu 0000hex . Toho je doc´ıleno deklarac´ı ukazatele na imaginárn´ı funkci leˇz´ıc´ı na poˇzadované adrese a následným volán´ım této funkce: v o i d ( ∗ j u m p t o a p p ) ( v o i d ) = 0 x0000 ; jump to app ( ) ;

Je-li kontroln´ı souˇcet neplatný, generuje se pˇr´ıznak chyby nastaven´ım pinu ERROR jako výstup s logickou hodnotu 0 a spuˇstˇen´ı uˇzivatelské aplikace nen´ı dovoleno. Program konˇc´ı v nekoneˇcné smyˇcce, ve které docház´ı k periodickému resetován´ı WDT, který by jinak zp˚usobil neustálé resetován´ı MCU.

Obrázek 3.13: Vývojový diagram spuˇstˇen´ı bootloaderu

3.6.3

ˇ an´ı na pˇr´ıkaz Cek´

Tuto u´ lohu zajiˇst’uje funkce (vývojový diagram na obrázku 3.14):

57


s t a t i c i n l i n e v o i d WaitForCommand ( v o i d ) ;

Jako prvn´ı krok po vstupu do bootloaderu se inicializuje generátor potvrzovac´ıch kl´ıcˇ u˚ . Dále mus´ı být zahájena komunikace s klientským software prostˇrednictv´ım sériového kanálu. To vyˇzaduje inicializaci sériového kanálu UART na poˇzadované pa´ esˇné dokonˇcen´ı inicializace je signalizováno odeslán´ım identirametry pˇrenosu. Uspˇ fikaˇcn´ıho bloku dat. Ten obsahuje definovanou konstantn´ı sekvenci a verzi firmware bootloaderu, jak bylo specifikováno v odstavci 3.5.2. Následnˇe bootloader vstupuje do nekoneˇcné smyˇcky, kde cˇ eká na pˇrijet´ı pˇr´ıkazu od klientské aplikace, na jehoˇz základˇe jsou volány patˇriˇcné funkce. Je-li pˇrijat neplatný pˇr´ıkaz, vrac´ı bootloader chybový kód. Kaˇzdá platná funkce dále vrac´ı kód u´ spˇesˇného proveden´ı, pˇr´ıpadnˇe specifický chybový kód identifikuj´ıc´ı d˚uvod selhán´ı. Z hlavn´ı smyˇcky bootloaderu jiˇz nen´ı moˇzné softwarovˇe spustit uˇzivatelskou aplikaci. Tato strategie byla zvolena, aby po zaveden´ı uˇzivatelské aplikace bylo nutné provést hardwarový reset mikrokontroléru, coˇz zaruˇcuje uveden´ı jeho stavu do výrobcem definovaného výchoz´ıho stavu.

Obrázek 3.14: Vývojový diagram cˇ ekán´ı na pˇr´ıkaz

58


3.6.4 Vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce Vývojový diagram, který specifikuje jednotlivé elementárn´ı kroky pˇri mazán´ı aplikaˇcn´ı sekce pamˇeti programu je na obrázku 3.15. V programu mu odpov´ıdá funkce: s t a t i c i n l i n e void F l a s h E r a s e ( void ) ;

Pˇred zapoˇcet´ım mazán´ı se mus´ı nejdˇr´ıve odeslat a pˇrijmout ovˇeˇrovac´ı kl´ıcˇ . Porovnán´ım se potvrd´ı proveden´ı operace. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe je generován chybový kód a funkce ukonˇcena. Celý proces se dále skládá ze dvou krok˚u. V prvn´ım dojde k postupnému vymazán´ı pˇr´ısluˇsných stránek pamˇeti programu a v druhém prob´ıhá ovˇeˇren´ı u´ spˇesˇnosti této operace. Vlastn´ı proces mazán´ı s vyuˇzit´ım instrukce SPM se realizuje makrem boot page erase() z hlaviˇckového souboru boot.h, který je souˇca´ st´ı standardn´ıch knihoven pˇrekladaˇce. Makro obsahuje pˇr´ısluˇsné instrukce v inline assembleru odpov´ıdaj´ıc´ı popisu v sekci 3.3.6. Následuje cˇ ekán´ı na dokonˇcen´ı mazán´ı prostˇrednictv´ım cˇ ten´ı stavu bitu SPMEN (viz. sekce 3.3.5). Po vymazán´ı stránky je nezbytné okamˇzitˇe resetovat WDT, protoˇze operace mazán´ı trvá ˇra´ dovˇe 5 ms. ˇ ı Pouˇzit´ım instrukce mazán´ı dojde k zablokován´ı cˇ ten´ı z RWW sekce pamˇeti. Cten´ mus´ı být obnoveno volán´ım makra boot rww enable(). Fáze ovˇeˇren´ı pak spoˇc´ıvá ve zpˇetném naˇcten´ı obsahu pamˇeti programu. Je-li vymazána, mus´ı vˇsechny pamˇet’ové buˇnky obsahovat hodnotu FFhex . V takovém pˇr´ıpadˇe funkce vrac´ı potvrzovac´ı kód, jinak chybový kód mazán´ı pamˇeti.

3.6.5 Zápis do aplikaˇcn´ı sekce Zápis obrazu uˇzivatelské aplikace do pamˇeti programu mikrokontroléru m˚uzˇ eme opˇet dekomponovat na jednoduˇssˇ´ı celky, jak udává vývojový diagram na obrázku 3.16. Prakticky je u´ loha rozloˇzena do funkc´ı: s t a t i c i n l i n e void F l a s h W r i t e ( void ) ; s t a t i c i n l i n e void Flash ReceiveAndWriteImage ( a e b l c n t t DataToWrite ) ; s t a t i c i n l i n e void F l a s h W r i t e I m a g e I n f o ( const u i n t 3 2 t ImageSize , const u i n t 1 6 t CRC) ;

59


Obrázek 3.15: Vývojový diagram vymazán´ı aplikaˇcn´ı sekce

60


V u´ vodu je prvnˇe pˇrijata informace o velikosti obrazu aplikace. Jako odpovˇed’ odes´ılá bootloader potvrzovac´ı sekvenci a po pˇrijet´ı jej´ı odpovˇedi generuje pˇr´ısluˇsný kód. Pro pokraˇcován´ı zápisu mus´ı souhlasit odeslaný kl´ıcˇ s pˇrijatým a velikost aplikace s velikost´ı pamˇeti. Nesouhlas´ı-li kl´ıcˇ e, nebo je-li aplikace vˇetˇs´ı neˇz dostupná pamˇet’, dojde k vygenerován´ı chybového kódu a operace ukonˇcena. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe dojde k potvrzen´ı velikosti a odeslán´ı informace o pˇrij´ımac´ım bufferu bootloaderu. Velikost pˇrij´ımac´ıho bufferu je d˚uleˇzitá pro dalˇs´ı komunikaci, kdy bootloader pˇrij´ımá obraz aplikace v bloc´ıch o maximáln´ı délce odpov´ıdaj´ıc´ı velikosti bufferu. Je-li poˇcet zbývaj´ıc´ıch byt˚u pro zapsán´ı vˇetˇs´ı neˇz nula, je oˇcekáván blok dat. A to o velikosti pˇrij´ımac´ıho bufferu v pˇr´ıpadˇe, zˇ e zbývaj´ıc´ı poˇcet byt˚u je vˇetˇs´ı nebo roven jeho velikosti. Obsah bufferu je následnˇe po jednotlivých stránkách zapsán do pamˇeti a dokonˇcen´ı potvrzeno pˇr´ısluˇsnou odpovˇed´ı. Klientská aplikace tak cˇ eká na potvrzen´ı zápisu, cˇ´ımˇz je dosaˇzeno ˇr´ızen´ı toku dat. Plnˇen´ı doˇcasného bufferu pro zápis stránky provád´ı makro boot page fill(), jenˇz obsahuje pˇr´ısluˇsné volán´ı instrukce SPM v inline assembleru. Po naplnˇen´ı stránky mus´ı být proveden reset WDT a teprve potom inicializován zápis stránky makrem boot page write(). Na dokonˇcen´ı zápisu se cˇ eká obdobným zp˚usobem jako v pˇr´ıpadˇe mazán´ı stránky, a to cˇ ten´ım stavu bitu SPMEN. Po zapsán´ı stránky je opˇet resetován WDT. Následnˇe za potvrzen´ım u´ spˇesˇného zapsán´ı posledn´ı stránky oˇcekává bootloader pˇrijet´ı kontroln´ıho souˇctu obrazu aplikace, který slouˇz´ı k ovˇeˇren´ı zápisu. Pˇrijatý kontroln´ı souˇcet se nejdˇr´ıve zap´ısˇe spolu s velikost´ı obrazu aplikace do vyhrazené posledn´ı stránky aplikaˇcn´ı sekce. Dále se mus´ı obnovit schopnost cˇ ten´ı ze sekce RWW volán´ım makra boot rww enable(). Teprve potom se m˚uzˇ e vypoˇc´ıtat kontroln´ı souˇcet zpˇetným pˇreˇcten´ım pamˇeti programu a porovnat jej s pˇrijatou hodnotou. V pˇr´ıpadˇe souladu je odesláno potvrzen´ı správného zápisu, v pˇr´ıpadˇe rozd´ılného kontroln´ıho souˇctu se vrac´ı chybový kód.

61


Obrázek 3.16: Vývojový diagram zápisu do aplikaˇcn´ı sekce

62


3.6.6


ˇ Cinnost funkce s t a t i c i n l i n e void Config Read ( void ) ;

vycház´ı z diagramu na obrázku 3.17(a). Na základˇe adresy odpov´ıdaj´ıc´ı tablulce 3.6 jsou postupnˇe cˇ teny jednotlivé konfiguraˇcn´ı byty instrukc´ı LPM (s patˇriˇcným nastaven´ım registru SPMCSR) a pr˚ubˇezˇ nˇe odes´ılány. Funkce vyuˇz´ıvá inline assembleru.

3.6.7

ˇ Cten´ ı podpisu MCU

Vývojový diagram funkce s t a t i c void Signature Read ( void ) ;

znázorˇnuje obrázek 3.17(b). Rozd´ıl oproti cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u spoˇc´ıvá pouze v nastaven´ı registru SPMCSR a inkrementován´ı adresy.

3.6.8 Zápis konfiguraˇcn´ıch bitu˚ pamˇeti programu Princip funkce s t a t i c void Lock Write ( void ) ;

znázorˇnuje diagram na obrázku 3.17(c). Stejným zp˚usobem, jako u mazán´ı pamˇeti a zápisu pamˇeti programu, se potvrd´ı proveden´ı operace. Následnˇe je z d˚uvod˚u popsaných v odstavci 3.5.8 maskován bit BLB02. Instrukce SPM inicializuje zápis hodnoty a následuje cˇ ekán´ı na dokonˇcen´ı operace. Nezbytné u´ kony uzav´ırá reset WDT. Konfiguraci registr˚u SPMCSR, Z a vloˇzen´ı instrukce SPM zprostˇredkovává makro boot lock bits set().

3.6.9 Pomocné funkce Výpoˇcet kontroln´ıho souˇctu Tato skupina pomocných funkc´ı obstarává výpoˇcet kontroln´ıho souˇctu kódu uˇzivatelské aplikace. Do n´ı spadaj´ı funkce:

63


ˇ ı konfiguraˇcn´ıch (a) Cten´

ˇ ı podpisu MCU (b) Cten´

byt˚u

(c) Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu

Obrázek 3.17: Vývojové diagramy cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch byt˚u, podpisu MCU a zápisu konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu

64


65

s t a t i c u i n t 1 6 t GetFlashCRC ( a e b l c n t t L e n g t h ) ; s t a t i c i n l i n e b o o l Flash CheckCRC ( v o i d ) ;

Prvn´ı funkce vrac´ı kontroln´ı souˇcet pamˇeti programu, a to pro blok zaˇc´ınaj´ıc´ı na adrese 0000hex o délce specifikované parametrem Length, který vyjadˇruje poˇcet byt˚u. Je sd´ılena funkcemi Flash CheckCRC() a Flash Write(void). Vyuˇz´ıvá makra crc ccitt update() z hlaviˇckového souboru crc16.h, který obsahuje bal´ık pˇrekladaˇce AVR-GCC. Makro vkládá optimalizovaný výpoˇcet bez pouˇzit´ı lookup tabulky v inline assembleru. Kód se vyznaˇcuje malými nároky na pamˇet’ programu (ve srovnán´ı s tabulkovou metodou) a relativnˇe vysokým výkonem. Volba byla provedena na základˇe test˚u, jejichˇz výsledky popisuje tabulka 3.17. Srovnán´ı bylo provedeno pro blok dat o délce 63232 B, coˇz odpov´ıdá maximáln´ı velikosti aplikaˇcn´ı sekce u ATmega644. Poˇcet strojových cykl˚u odpov´ıdá pˇri taktu MCU 1 MHz dobˇe výpoˇctu v µ s. Zde je patrné, zˇ e implementace kontroln´ıho souˇctu o vyˇssˇ´ım poˇctu bit˚u narázˇ´ı na n´ızký výpoˇcetn´ı výkon MCU a vede na neúnosnou délku výpoˇctu. Jako kompromisn´ı ˇreˇsen´ı mezi rychlost´ı výpoˇctu a velikost´ı výsledného kódu byl zvolen výpoˇcet CRC-16-CCITT bez lookup tabulky. Pˇri taktu 18,432 MHz, který pouˇz´ıvá modul CPU unit, tak dostáváme dobu výpoˇctu 125 ms. Strojových cyklu˚

Velikost kódu

C (lookup tabulka)

1 965 628

804 B

CRC-16-CCITT

crc16.h (avr-gcc)

2 358 744

314 B

CRC-32-IEEE 802.3

assembler (výpoˇcet)

6 158 531

226 B

CRC-32-IEEE 802.3

C (výpoˇcet)

9 303 029

320 B

Typ CRC

Implementace

CRC-16-CCITT

Tabulka 3.17: Srovnán´ı nárok˚u výpoˇct˚u kontroln´ıho souˇctu (63232 B, ATmega644) Druhá funkce ovˇeˇruje kontroln´ı souˇcet uˇzivatelské aplikace oproti u´ daj˚um zapsaným v posledn´ı stránce aplikaˇcn´ı sekce. Funkci volá pouze hlavn´ı funkce main(), a proto byla oznaˇcena atributem inline, cˇ´ımˇz se eliminuje volán´ı a návrat z funkce. Potvrzen´ı operace ´ Ulohu potvrzen´ı proveden´ı operace, kterou vyˇzaduj´ı funkce Flash Erase(), Flash Write() a Lock Write(), byla sdruˇzena do pomocné funkce:


s t a t i c bool ConfirmOperation ( void ) ;

Ta je navázána na generován´ı kl´ıcˇ e funkcemi: s t a t i c i n l i n e void a e b l R a n d I n i t ( void ) ; s t a t i c i n l i n e u i n t 1 6 t aebl Rand ( void ) ;

Prvn´ı spouˇst´ı volnˇe bˇezˇ´ıc´ı sˇestnáctibitový cˇ asovaˇc pˇri startu bootloaderu. Druhá generuje hodnotu na základˇe stavu cˇ asovaˇce v okamˇziku volán´ı funkce ConfirmOperation(). Dle dˇr´ıve popsaného algoritmu se následnˇe vypoˇc´ıtá odpovˇed’ na vygenerovaný kl´ıcˇ a ovˇeˇr´ı proti pˇrijaté odpovˇedi. Watchdog cˇ asovaˇc Z hlediska moˇznosti volby intern´ıho nebo extern´ıho WDT vyuˇz´ıvaj´ı tyto funkce hojnˇe podm´ınˇený pˇreklad, cˇ´ımˇz je dosaˇzeno pˇrizp˚usoben´ı bootloaderu na m´ıru danému WDT. K resetován´ı WDT slouˇz´ı v celém programu makro WDT Reset(). Na reset intern´ıho WDT staˇc´ı pouze jedna instrukce WDR, a tak se vkládá pˇr´ımo jako pˇr´ıkaz inline assembleru. Resetován´ı extern´ıho WDT typu MB3773 z hlediska cˇ asován´ı (odstavec 3.2.2) vycház´ı znaˇcnˇe sloˇzitˇejˇs´ı, a tak je implementováno jako funkce: e x t e r n v o i d WDT ResetExt ( v o i d ) ;

Obvod MB3773 reaguje podle obrázku 3.2 na sestupnou hranu signálu CK. Ze specifikac´ı [14] vycház´ı nejkratˇs´ı moˇzná perioda signálu CK TCK = 20 µ s a nejmenˇs´ı sˇ´ıˇrka impulzu TCKW = 3,0 µ s. V návaznosti na pˇrenosovou rychlost sériové komunikace byla prodlevami nastavena minimáln´ı perioda signálu CK TCK = 30 µ s a sˇ´ıˇrka impulzu TCKW = 15 µ s. Pˇri bitové rychlosti 115200 bit/s a deseti bitech jednoho rámce (1 start, 8 datových a 1 stop bit) tak pˇripadaj´ı dva resetovac´ı impulzy na cˇ asový interval potˇrebný k jejich pˇrenesen´ı. ´ Ukony nezbytné k inicializaci cˇ asovaˇce pˇri startu bootloaderu a souˇcasnˇe prvn´ı reset obsahuje funkce: s t a t i c i n l i n e v o i d WDT Init ( v o i d ) ;

U extern´ıho WDT MB3773 spoˇc´ıvá inicializace v nastaven´ı pinu MCU pro ovládán´ı vstupu CK do funkce výstupu. Intern´ı WDT inicializaci nevyˇzaduje.

66


Komunikace Obsluhu sériového portu pro pˇrenos dat zprostˇredkovávaj´ı pomocné funkce: extern void u a r t W r i t e B y t e ( const u i n t 8 t Data ) ; extern void u a r t I n i t ( void ) ; s t a t i c i n l i n e void uart WriteWord ( const u i n t 1 6 t Data ) ; extern u i n t 8 t uart ReadByte ( void ) ; s t a t i c i n l i n e u i n t 1 6 t uart ReadWord ( void ) ; s t a t i c i n l i n e u i n t 3 2 t uart ReadDWord ( v o i d ) ; extern void u a r t W r i t e B l o c k P ( u i n t 1 6 t Bytes , const void ∗ p B u f f e r ) ;

Komunikace prob´ıhá v blokuj´ıc´ım reˇzimu bez vyuˇzit´ı pˇreruˇsen´ı. Vzhledem k nezanedbatelnému cˇ asu, který je nutný na odeslán´ı cˇ i pˇr´ıjmu jednoho bytu, mus´ı být brán ohled na souˇcinnost s watchdog cˇ asovaˇcem. Základem vˇsech funkc´ı jsou elementárn´ı uart WriteByte() pro vys´ılán´ı a uart ReadByte() pro pˇr´ıjem. Staˇc´ı tak ovládán´ı WDT implementovat v nich.

3.6.10 Konfigurace bootloaderu Pˇri implementaci bootloaderu byla snaha o moˇznost jeho pouˇzit´ı i v jiném hardwarovém ˇreˇsen´ı, neˇz je modul CPU unit. Pro pˇrizp˚usoben´ı danému hardwaru slouˇz´ı konfiguraˇcn´ı soubor options.h a skript pˇrekladaˇce Makefile. Soubor Makefile obsahuje tˇri d˚uleˇzitá nastaven´ı, kterými jsou: MCU = a t m e g a 6 4 4 p F CPU = 18432000 BOOT ADDRESS = 0 xF800

Jak jiˇz názvy napov´ıdaj´ı, parametr MCU definuje konkrétn´ı typ pouˇzitého mikrokontroléru a F CPU jeho taktovac´ı kmitoˇcet v Hz. Takt závis´ı na pouˇzitém oscilátoru a pˇr´ıpadnˇe nastaven´ı pˇreddˇeliˇcky. Parametr BOOT ADDRESS odpov´ıdá poˇca´ teˇcn´ı adrese bootloaderu v bytech, která se odv´ıj´ı od nastaven´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u BOOTSZ. Ostatn´ı nastaven´ı definuje soubor options.h. Prvn´ı skupinu tvoˇr´ı konfigurace sériové komunikace: # d e f i n e UART

0

# d e f i n e UART BAUD RATE

115200

67


# d e f i n e UART USE U2X

Parametr UART má význam pouze u mikrokontrolér˚u vybavených v´ıce rozhran´ımi UART (napˇr´ıklad ATmega644P) a vyb´ırá, které rozhran´ı bude pouˇzito ke komunikaci bootloaderu. Parametr UART BAUD RATE nastavuje komunikaˇcn´ı rychlost. Sniˇzován´ı rychlosti pˇrenosu nemá omezen´ı, ale pˇri zvyˇsován´ı se mus´ı poˇc´ıtat s cˇ asem potˇrebným k resetován´ı extern´ıho watchdog cˇ asovaˇce, je-li pouˇzit. Pˇri pˇr´ıliˇs velké pˇrenosové rychlosti tak m˚uzˇ e doj´ıt k pˇreteˇcen´ı pˇrij´ımac´ıho bufferu. Parametr UART USE U2X definuje, je-li nastaven bit U2X v konfiguraˇcn´ım registru rozhran´ı UART. Druhá skupina nastaven´ı definuje pouˇzitý watchdog cˇ asovaˇc. M˚uzˇ e být vybrána pouze jedna z moˇznost´ı: # d e f i n e WATCHDOG INTERNAL # d e f i n e WATCHDOG MB3773

Dále následuje volba mapován´ı vstupnˇe-výstupn´ıch signál˚u, jenˇz závis´ı na konkrétn´ım zapojen´ı. Pin ERROR signalizuje chybný kontroln´ı souˇcet uˇzivatelské aplikace: # d e f i n e AEBL ERROR PIN

4

# d e f i n e AEBL ERROR PORT

PORTD

# d e f i n e AEBL ERROR DDR

DDRD

Parametr AEBL ERROR PIN udává cˇ´ıslo pinu, AEBL ERROR PORT výstupn´ı registr a AEBL ERROR DDR registr nastavuj´ıc´ı funkci pinu. Druhým závazným signálem je BOOT , definuj´ıc´ı podm´ınku vstupu do bootloaderu: # d e f i n e AEBL BOOT PIN

3

# d e f i n e AEBL BOOT PORT

PIND

Parametr AEBL BOOT PIN odpov´ıdá cˇ´ıslu pinu a AEBL BOOT PORT pˇr´ısluˇsnému vstupn´ımu registru. Posledn´ı signál CK mus´ı být nastaven pouze v pˇr´ıpadˇe, je-li pouˇzit extern´ı WDT typu MB3773: # d e f i n e MB3773 CK PIN

2

# d e f i n e MB3773 CK DDR

DDRD

# d e f i n e MB3773 CK PORT

PORTD

MB3773 CK PIN odpov´ıdá cˇ´ıslu pinu, MB3773 CK PORT výstupn´ımu registru a parametr MB3773 CK DDR konfiguraˇcn´ımu registru.

68


Posledn´ı sekce dovoluje povolen´ı cˇ i zakázán´ı mazán´ı uˇzivatelského programu a zápisu konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu: # d e f i n e ENABLE ERASE FLASH # d e f i n e ENABLE WRITE LOCK

3.6.11 Kompilace Kód byl pˇrekládán a testován ve verzi pˇrekladaˇce AVR-GCC 4.3.2 s parametry, které jsou definovány ve skriptu Makefile. Podstatné parametry pˇrekladaˇce popisuje tabulka 3.18, parametry linkeru pak tabulka 3.19. Zdrojový kód je psán v jazyce C, který vyuˇz´ıvá rozˇs´ıˇren´ı C99 (deklarace, inline funkce, typ bool), GNU (inline assember) a parametry specifické pro pˇrekladaˇc. Jejich podporu zap´ıná parametr -std=gnu99. C´ılem ostatn´ıch parametr˚u je pˇredevˇs´ım um´ıstˇen´ı strojového kódu bootloaderu na pˇr´ısluˇsnou adresu v pamˇeti programu a minimalizace jeho výsledné velikosti. Toho bylo dosaˇzeno pˇredevˇs´ım vypuˇstˇen´ım linkován´ı standardn´ıch knihoven a nevyuˇzitých funkc´ı, které mohou vzniknout následkem podm´ınˇeného pˇrekladu v závislosti na konfiguraci. Parametr

Popis

-std=gnu99

povoluje standard C99 s GNU rozˇs´ıˇren´ımi

-Os

optimalizace na velikost výsledného kódu

-funsigned-char

definuje typ char jako neznaménkový

-ffunction-sections

um´ıst´ı kaˇzdou funkci do samostatné sekce

-fdata-sections

um´ıst´ı kaˇzdou nelokáln´ı promˇennou do samostatné sekce Tabulka 3.18: Parametry pˇrekladaˇce AVR-GCC

3.6.12 Konfigurace mikrokontroléru Ke správné funkci bootloaderu mus´ı být patˇriˇcnˇe nakonfigurován pouˇzitý MCU prostˇrednictv´ım svých fuse bit˚u. Pro vˇsechny typy MCU plat´ı nastaven´ı bitu

BOOTRST = 0, který po resetu zajist´ı start MCU na adrese bootloaderu.

69


Parametr

Popis

–section-start=.text=

um´ıst´ı poˇca´ tek kódu na poˇzadovanou adresu

–gc-sections

odstran´ı nevyuˇzité funkce a promˇenné

-nostartfiles

zakázˇ e vkládán´ı standardn´ıch inicializaˇcn´ıch sekc´ı

-nodefaultlibs

zakázˇ e vkládán´ı výchoz´ıch knihoven

-nostdlib

zakázˇ e vkládán´ı standardn´ıch knihoven Tabulka 3.19: Parametry linkeru AVR-GCC

Na konkrétn´ım typu MCU závis´ı nastaven´ı bit˚u BOOTSZ, které definuj´ı velikost sekce bootloaderu a souˇcasnˇe jej´ı poˇca´ tek. Bootloader vyˇzaduje sekci o velikosti 2048 B, coˇz u ATmega644 odpov´ıdá nastaven´ı bit˚u BOOTSZ1 = 1 a BOOTSZ0 = 0. Pro zvýsˇen´ı funkˇcn´ı bezpeˇcnosti by mˇely být patˇriˇcnˇe nastaveny i konfiguraˇcn´ı bity pamˇeti programu (lock), a to s c´ılem zamezit poˇskozen´ı bootloaderu uˇzivatelskou aplikac´ı. Zápis i cˇ ten´ı zakázˇ e nastaven´ı bit˚u BLB11 = BLB12 = 0. Je-li poˇzadována ochrana proti modifikaci cˇ i cˇ ten´ı obsahu pamˇeti programu a nonvolatiln´ı pamˇeti dat programátorem (paraleln´ım cˇ i sériovým), mohou být nastaveny bity

LB1 = LB2 = 0. Bit LB1 brán´ı zápisu, LB2 cˇ ten´ı. Tato funkce spadá do problematiky informaˇcn´ı bezpeˇcnosti, protoˇze m˚uzˇ eme jednoduˇse zamezit zpˇetnému z´ıskán´ı strojového kódu uˇzivatelské aplikace z MCU. Doporuˇcené nastaven´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u mikrokontroléru ATmega644 v modulu CPU unit udává tabulka 3.20. Zohlednˇen je krystalový oscilátor, extern´ı WDT a poˇzadavky na zabezpeˇcen´ı.

3.6.13 Konfigurace NE-4100T Nezbytný krok k uveden´ı celého systému do provozu spoˇc´ıvá v nastaven´ı embedded serveru NE-4100T. Toho lze doc´ılit jednou z metod zm´ınˇených v odstavci 2.1.5. Parametry NE-4100T m˚uzˇ eme rozdˇelit do dvou základn´ıch skupin na nezbytné a volitelné, podle jejich návaznosti na funkˇcnost bootloaderu. Prvn´ı skupina parametr˚u mus´ı být vˇzdy správnˇe nakonfigurována a jejich nastaven´ı udává tabulka 3.21. Z pohledu bezpeˇcnosti patˇr´ı k nezbytným opatˇren´ım nastaven´ı povolených IP adres, které maj´ı právo komunikovat se ser-

70


Parametr

Hodnota

Popis

Fuse Low

11010111bin

Oscilátor s plným rozkmitem. Doba nábˇehu 16K/14 CK.

Fuse High

10011100bin

Bootloader 2048 B; SPI; JTAG;

Extended Fuse

11111111bin

BOD vypnut.

Lock

11001100bin

Zakázáno cˇ ten´ı i zápis programátorem. Zakázán zápis uˇzivatelské aplikace do bootloaderu.

Tabulka 3.20: Konfigurace MCU ATmega644 v modulu CPU unit verem, a hesla pro zmˇenu jeho konfigurace. Volitelné parametry mohou být nakonfigurovány podle potˇreby uˇzivatele. Do této skupiny patˇr´ı pˇredevˇs´ım volitelné zas´ılán´ı hlásˇen´ı na email cˇ i prostˇrednictv´ım SNMP. Povolen´ım události na zmˇenu signálu DCD tak m˚uzˇ eme dostat informaci v pˇr´ıpadˇe, zˇ e bootloader zablokuje spuˇstˇen´ı uˇzivatelské aplikace v d˚usledku chybného kontroln´ıho souˇctu. Aby zpráva obsahovala platnou cˇ asovou znaˇcku, mus´ı být nakonfigurován i vestavˇený klient cˇ asového serveru.

3.7 Softwarové vybaven´ı PC C´ılem aplikace pro PC je zpˇr´ıstupnˇen´ı funkc´ı vzdálené správy, které poskytuje bootloader, koncovému uˇzivateli. Aby se nejednalo o samoúcˇ elné ˇreˇsen´ı, byl celý problém rozdˇelen na nˇekolik hierarchicky navazuj´ıc´ıch cˇ a´ st´ı. Prvn´ı cˇ a´ st pˇredstavuje knihovnu základn´ıch funkc´ı pro Ethernetovou komunikaci protokolem TCP/IP a na ni navazuje knihovna k ovládán´ı uˇzivatelských vstup˚u-výstup˚u embedded serveru NE-4100T. Na jejich rozhran´ı pak stav´ı nejpodstatnˇejˇs´ı cˇ a´ st, kterou reprezentuje knihovna k ovládán´ı bootloaderu. Ta vytváˇr´ı jednotné aplikaˇcn´ı rozhran´ı. Knihovnu nakonec vyuˇz´ıvá výsledná uˇzivatelská aplikace. Výhoda tohoto dˇelen´ı spoˇc´ıvá v moˇznosti jednoduˇse vyuˇz´ıt knihovnu v jiném projektu, nebo ji portovat na odliˇsný operaˇcn´ı systém. Hierarchické dˇelen´ı nav´ıc napomáhá ke zvýsˇen´ı pˇrehlednosti kódu a v neposledn´ı ˇradˇe jednoduˇssˇ´ımu ladˇen´ı.

71


Network Settings dle poˇzadavk˚u uˇzivatele Serial Settings - Port 1 Baud Rate

115200 (nebo dle uˇzivatelské konfigurace bootloaderu)

Data Bits

8

Stop Bits

1

Parity

None

Flow Control

None

FIFO

Enable

Operating Settings - Port 1 Operation mode

TCP Server Mode

TCP alive check time

1 min

Max connection

1

Local TCP port

4001 (nebo dle poˇzadavk˚u uˇzivatele)

Delimiter 1, 2

Off

Digital IO - DIO Settings TCP Port

4002 (nebo dle poˇzadavk˚u uˇzivatele)

DIO 0

OUT - LOW

DIO 1

OUT - HIGH

SW Reset Function

Disable

Serial Command Mode

Disable

Accessible IP Settings, Password dle poˇzadavk˚u uˇzivatele Tabulka 3.21: Konfigurace NE-4100T - povinné parametry

72


Jelikoˇz tvorba uˇzivatelského rozhran´ı nen´ı zcela jádrem tohoto projektu, byla vytvoˇrena pouze jednoduchá konzolová aplikace, která vˇsak dovoluje vyuˇz´ıt veˇskeré funkce bootloaderu. Pro praktickou realizaci byl zvolen jazyk C++ s pˇrekladaˇcem Microsoft Visual Studio 2008 a jako c´ılový port operaˇcn´ı systém Microsoft Windows.

3.7.1 Knihovna pro TCP komunikaci Základem celé aplikace je právˇe knihovna pro komunikaci TCP protokolem. C´ılem bylo vytvoˇrit jednotné rozhran´ı pro zápis a cˇ ten´ı bloku dat. To reprezentuje tˇr´ıda CBlockTCP, jejiˇz veˇrejné metody jsou: v o i d C o n n e c t ( c o n s t char ∗ p A d d r e s s , WORD P o r t ) ; void Disconnect ( ) ; v o i d Recv ( char ∗ p B u f f e r , i n t Length , i n t TimeOut = INFINITE ) ; int

Send ( char ∗ p B u f f e r , i n t Length , i n t TimeOut = INFINITE ) ;

Tˇr´ıda CBlockTCP vycház´ı z bázové tˇr´ıdy CWinSock, která zaruˇcuje inicializaci a uvolnˇen´ı systémové knihovny WinSock. Jak vyplývá z názv˚u, metody Connect() a Disconnect() implementuj´ı pˇripojen´ı a odpojen´ı serveru na dané adrese a portu. Metody Recv() a Send() pak zprostˇredkovávaj´ı pˇr´ıjem a odeslán´ı bloku dat definovaného ukazatelem a délkou v bytech. Tˇret´ım parametrem je maximáln´ı cˇ asový interval v milisekundách pro vyprˇsen´ı operace. Knihovna tedy pracuje v blokuj´ıc´ım reˇzimu, protoˇze návrat z funkce probˇehne aˇz v okamˇziku, kdy je pˇrenesen poˇzadovaný blok dat, nebo dojde k chybˇe. Chybové stavy jsou oˇsetˇreny formou výjimek reprezentovaných tˇr´ıdou EWSAError, která oproti bázové tˇr´ıdˇe exception uchovává nav´ıc chybový kód. Vnitˇrnˇe komunikaˇcn´ı metody vyuˇz´ıvaj´ı funkce WSASend() a WSARecv() v tzv. over” lapped“ reˇzimu, který dovoluje definován´ı cˇ asového intervalu pro vyprˇsen´ı operace.

3.7.2 Knihovna k ovládán´ı DIO portu NE-4100T Ovládán´ı vstupnˇe-výstupn´ıch port˚u serveru NE-4100T vyˇzaduje zas´ılán´ı pˇr´ıkaz˚u ve formátu definovaném v uˇzivatelském manuálu [1] na patˇriˇcném TCP portu. Formát

73


pˇr´ıkazu a odpovˇedi specifikuje tabulka 3.22. Odpovˇed’ se liˇs´ı pouze v poli status, které obsahuje návratový kód a u pˇr´ıkazu nemá význam. V pˇr´ıpadˇe správného vykonán´ı pˇr´ıkazu vrac´ı server hodnotu 00hex , ostatn´ı hodnoty znamenaj´ı chybu, jak popisuje tabulka 3.23. #

Název

Hodnota

Popis

1

pˇr´ıkaz

2

Identifikátor pˇr´ıkazu (konstanta)

2

verze

2

Verze (konstanta)

3

status

[1..6, 255]

Návratový kód v pˇr´ıpadˇe odpovˇedi

4

délka dat

3

Délka dat (konstanta)

5

data

[0..3]

ˇ ıslo DIO kanálu C´

6

data

0, 1

Funkce (0 = vstup, 1 = výstup)

7

data

0, 1

´ Uroveˇ n výstupu (0 = low, 1 = high)

Tabulka 3.22: Formát pˇr´ıkazu a odpovˇedi pro nastaven´ı DIO signálu NE-4100T [1]

Status

Popis

00hex

Pˇr´ıkaz u´ spˇesˇnˇe vykonán

01hex

Neznámá chyba pˇr´ıkazu

02hex

Pˇr´ıkaz nen´ı podporován touto verz´ı

03hex

Nesouhlas´ı délka dat

04hex

Neplatný mód

05hex

Paket je pˇr´ıliˇs krátký

06hex

Neplatné cˇ´ıslo DIO portu

FFhex

Neznámá chyba

Tabulka 3.23: Návratové kódy pˇr´ıkazu pro nastaven´ı DIO signálu NE-4100T [1] Na základˇe popsané komunikace pracuje tˇr´ıda CMoxaGPIO, která slouˇz´ı k ovládán´ı DIO signál˚u NE-4100T veˇrejnými metodami: v o i d C o n n e c t ( c o n s t char ∗ p A d d r e s s , WORD P o r t ) ; void Disconnect ( void ) ; v o i d SetDIO ( char P o r t , GPIOMode Mode , G P I O S t a t e S t a t e , i n t TimeOut = INFINITE ) ;

74


Metody Connect() a Disconnect() zajiˇst’uj´ı sestaven´ı a uzavˇren´ı spojen´ı se serverem. Metoda SetDIO() má na starosti nastaven´ı stavu DIO signálu urˇceného parametrem Port. Funkci signálu definuje parametr Mode, který m˚uzˇ e nabývat hodnot CMoxaGPIO::Output a CMoxaGPIO::Input. V pˇr´ıpadˇe výstupn´ıho módu pak nabývá na funkˇcnosti parametr State, který urˇcuje stav výstupu CMoxaGPIO::Low nebo CMoxaGPIO::High. Chybové stavy jsou opˇet oˇsetˇreny metodou výjimek tˇr´ıdy EMoxaGPIOError.

3.7.3 Knihovna rozhran´ı bootloaderu Aplikaˇcn´ı rozhran´ı tˇr´ıdy CAEBLtcp pro ovládán´ı bootloaderu obsahuje dvˇe skupiny funkc´ı. Prvn´ı skupina sdruˇzuje metody, které mohou být volány pouze, nen´ı-li bootloader aktivn´ı: void SetTimeOut ( i n t Value ) ; v o i d R e s e t T a r g e t ( c o n s t char ∗ p A d d r e s s , WORD GPIOPort ) ; WORD E n t e r B o o t L o a d e r ( c o n s t char ∗ p A d d r e s s , WORD GPIOPort , WORD D a t a P o r t );

Metoda SetTimeOut() nastavuje globáln´ı dobu vyprˇsen´ı komunikace, kterou specifikuje parametr Value v ms. Metoda ResetTarget() vyvolá reset vzdáleného systému bez vstupu do bootloaderu. Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı metodou je EnterBootLoader() pro spuˇstˇen´ı bootloaderu. Parametry jsou adresa serveru NE-4100T, datový port a port uˇzivatelských vstup˚u-výstup˚u. Návratová hodnota funkce udává verzi bootloaderu vzdáleného systému. Ostatn´ı metody mohou být pouˇzity pouze po u´ spˇesˇném volán´ı EnterBootLoader(). V opaˇcném pˇr´ıpadˇe je generována patˇriˇcná výjimka. Do této skupiny patˇr´ı: void RunApplication ( void ) ; void F la sh Er as e ( void ) ; v o i d F l a s h W r i t e ( char ∗ pImage , i n t I m a g e S i z e ) ; v o i d L o c k W r i t e (BYTE Lock ) ; TAVRConfig C o n f i g R e a d ( v o i d ) ; DWORD S i g n a t u r e R e a d ( v o i d ) ;

Metoda RunApplication() je párový pˇr´ıkaz k EnterBootLoader(), který zajist´ı ukonˇcen´ı bootloaderu a spuˇstˇen´ı uˇzivatelské aplikace. Z tohoto d˚uvodu mus´ı být vˇzdy vykonán.

75


Metody FlashErase() a FlashWrite() slouˇz´ı ke správˇe obsahu pamˇeti programu. Prvn´ı provád´ı jej´ı vymazán´ı, druhá zápis binárn´ıho obrazu, který je dán ukazatelem pImage a velikost´ı ImageSize v bytech. Metoda LockWrite() provád´ı u´ lohu nastaven´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu na hodnotu danou parametrem Lock. Význam bit˚u odpov´ıdá chován´ı uvedenému v katalogovém listu, kdy hodnota 0 znamená aktivovaný bit a hodnota 1 neaktivovaný. Zbývaj´ıc´ı metody slouˇz´ı ke cˇ ten´ı konfigurace a podpisu MCU. Konfiguraci reprezentuje struktura TAVRConfig s patˇriˇcnými poloˇzkami. V pˇr´ıpadˇe chybových stav˚u bootloaderu je generována výjimka tˇr´ıdy EAEBLError, nebo nˇekterá z dˇr´ıve uvedených, dojde-li k chybˇe na niˇzsˇ´ı u´ rovni.

3.7.4 Konzolová aplikace Fináln´ı konzolová aplikace aebltool“ tedy vyuˇz´ıvá rozhran´ı tˇr´ıdy CAEBLtcp a je vy” tvoˇrena jako cˇ istá Win32 aplikace. Veˇskeré pˇr´ıkazy lze specifikovat z pˇr´ıkazové ˇra´ dky, a to ve formátu: aebltool.exe [options] kde povinný parametr target address specifikuje IP adresu c´ılového serveru NE-4100T. Druhou moˇznost´ı je zadán´ı adresy ve tvaru doménového jména, které se následnˇe pˇreloˇz´ı na IP adresu prostˇrednictv´ım systému DNS. Nepovinné parametry options udává tabulka 3.24. Jsou jimi cˇ´ısla TCP port˚u serveru NE-4100T v pˇr´ıpadˇe, liˇs´ı-li se od standardn´ıch hodnot pouˇz´ıvaných bootloaderem. Tˇret´ım parametrem je pˇr´ıkaz action, který definuje cˇ innost poˇzadovanou od bootloaderu. Dostupné pˇr´ıkazy uvád´ı tabulka 3.24 a vˇzdy mus´ı být definován pouze jeden pˇr´ıkaz. Pˇri zápisu uˇzivatelské aplikace následuje za pˇr´ıkazem název souboru, který má být pouˇzit jako obraz aplikace. Obsahuje-li název souboru mezery, mus´ı být opatˇren uvozovkami. Aplikace dovoluje pouˇz´ıt obraz v binárn´ım nebo Intel HEX formátu, pˇriˇcemˇz formát souboru je automaticky rozpoznán. Rozpoznán´ı typu souboru nen´ı zaloˇzené na pˇr´ıponˇe souboru, ale pracuje na principu testován´ı jeho obsahu. Nen´ı-li prvn´ı ˇra´ dek správnˇe dekódován, jako záznam typu Intel HEX, povaˇzuje se soubor za binárn´ı. U formátu Intel HEX je z rozˇs´ıˇrených adresován´ı (pro obsah vˇetˇs´ı neˇz 216 B) podporován pouze záznam typu Start Segment Address Record s kódem 03hex .

76


Pˇr´ıkaz zápisu konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu vyˇzaduje za pˇr´ıkazem hodnotu, která bude zapsána v hexadecimáln´ım formátu. Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u mus´ı být nav´ıc následnˇe opˇetovnˇe potvrzen uˇzivatelem, aby nedoˇslo k nechtˇenému zápisu, a tak zablokován´ı funkc´ı bootloaderu. Pˇr´ıkaz (action) -r

Reset vzdáleného zaˇr´ızen´ı

-e

Vymazán´ı uˇzivatelské aplikace

-f:

Zápis uˇzivatelské aplikace

-ef:

Vymazán´ı a zápis uˇzivatelské aplikace

-c

ˇ ı konfigurace MCU Cten´

-s

ˇ ı podpisu MCU Cten´

-wl: Zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu Volby (options) -gp:<port number>

DIO port serveru NE-4100T (výchoz´ı: 4002)

-dp:<port number>

Datový port serveru NE-4100T (výchoz´ı: 4001)

-t:

Doba vyprˇsen´ı komunikace [ms] (výchoz´ı: 5000)

Tabulka 3.24: Parametry pˇr´ıkazové ˇra´ dky uˇzivatelské aplikace

Pˇr´ıklady pouˇzit´ı Vymazán´ı uˇzivatelské aplikace bootloaderu s IP adresou 192.168.127.254: aebltool.exe 192.168.127.254 -e Zápis obrazu uˇzivatelské aplikace ze souboru demo.hex“ ve formátu Intel HEX: ” aebltool.exe 192.168.127.254 -f:"demo.hex" Vymazán´ı aplikace a zápis obrazu ze souboru demo.bin“ v binárn´ım formátu: ” aebltool.exe 192.168.127.254 -ef:"demo.bin" Nastaven´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u pamˇeti programu na hodnotu CChex : aebltool.exe 192.168.127.254 -wl:CC Nestandardn´ı nastaven´ı port˚u (datový port 5000, DIO port 6000): aebltool.exe 192.168.127.254 -dp:5000 -gp:6000 -ef:"demo.bin"

77


4 Výsledky Na základˇe zvoleného ˇreˇsen´ı bylo vytvoˇreno softwarové vybaven´ı PC, firmware mikrokontroléru a deska ploˇsných spoj˚u hardwarové cˇ a´ sti. Deska ploˇsných spoj˚u byla následnˇe osazena a zaˇr´ızen´ı oˇziveno. Pˇri testován´ı prototypu byly odhaleny drobné nedostatky na desce ploˇsných spoj˚u. Prvn´ım problémem bylo chybné zapojen´ı signalizaˇcn´ıch LED diod rozhran´ı Ethernet z d˚uvodu pouˇzit´ı nesprávné knihovny definuj´ıc´ı zapojen´ı LED na konektoru RJ-45. Druhý nedostatek spoˇc´ıval v nedefinovaném stavu signálu, který ovládá pomocný tranzistor pro resetován´ı c´ılového mikrokontroléru, v pr˚ubˇehu resetu modulu NE-4100T. Fináln´ı zapojen´ı bylo z tˇechto d˚uvod˚u patˇriˇcnˇe upraveno správným zapojen´ım signalizaˇcn´ıch LED a doplnˇen´ım o rezistor R6, který definuje klidovou u´ roveˇn tranzistoru T1. U modulu NE-4100T byly pˇri testován´ı pozorovány nepˇr´ıjemné vlastnosti. Za nejzávaˇznˇejˇs´ı lze povaˇzovat hodnoty logických u´ rovn´ı výstup˚u. Aˇckoliv má být modul napájen stabilizovaným napˇet´ım 5 V a dokumentace vˇsude uvád´ı u´ rovnˇe TTL [1], má logická u´ roveˇn 1 hodnotu 3,3 V. Mezi dalˇs´ı nevýhody patˇr´ı vysoký pˇr´ıkon, který témˇeˇr nezávis´ı na cˇ innosti serveru a bl´ızˇ´ı se v klidu maximáln´ımu deklarovanému pˇr´ıkonu 1,5 W [2]. Modul se nav´ıc znatelnˇe zahˇr´ıvá. Funkce bootloaderu byly prakticky ovˇeˇreny na modulu CPU unit s mikrokontrolérem ATmega644 a s extern´ım watch dog cˇ asovaˇcem, dále na MCU typu ATmega644 v konfiguraci s intern´ım WDT a nakonec na mikrokontroléru ATmega16 bez WDT. Posledn´ı MCU nav´ıc pracoval s niˇzsˇ´ım taktovac´ım kmitoˇctem o hodnotˇe 3,6864 MHz. Vyzkouˇseno bylo i sn´ızˇ en´ı pˇrenosové rychlosti na hodnotu 9600 bit/s. Komunikace byla testována jednak pˇri pˇr´ımém propojen´ı se s´ıt’ovou kartou PC a jednak pˇri vzdáleném spojen´ı prostˇrednictv´ım veˇrejné s´ıtˇe Internet. K ovˇeˇren´ı funkˇcnosti systému kontroluj´ıc´ıho integritu uˇzivatelské aplikace byl pouˇzit sériový programátor. Pamˇet’ programu typu flash dovoluje v´ıcenásobný zápis do stejné oblasti, ale lze mˇenit pouze stav bitu s hodnotou 1“ na hodnotu 0“. S vyuˇzit´ım tohoto ” ” principu byl pozmˇenˇen kód aplikace bez zásahu do ostatn´ıch cˇ a´ st´ı. ´ esˇnˇe fungoval Ve vˇsech pˇr´ıpadech bootloader pracoval dle navrˇzených poˇzadavk˚u. Uspˇ pˇri rekonfiguraci na HW s jiným MCU, jiným taktovac´ım kmitoˇctem i pˇrenosovou rych-

78


´ esˇný byl i test pˇri komunikaci s´ıt´ı Internet, kdy se na rozd´ıl od pˇr´ımého spojen´ı lost´ı. Uspˇ s´ıt’ových karet znaˇcnˇe prodluˇzuj´ı cˇ asové odezvy, protoˇze m˚uzˇ e doj´ıt i k poˇskozen´ı cˇ i zahozen´ı nˇekterých rámc˚u aktivn´ımi prvky na trase. Tyto stavy mus´ı být vyˇreˇseny transportn´ım protokolem TCP, coˇz ale ovlivn´ı cˇ asovou odezvu. V pˇr´ıpadˇe pozmˇenˇen´ı uˇzivatelské aplikace doˇslo ke správné identifikaci rozd´ılného kontroln´ıho souˇctu, a tak k zablokován´ı jej´ıho spuˇstˇen´ı. Pˇri správné konfiguraci monitorován´ı signálu DCD, který signalizuje chybu kontroln´ıho souˇctu, zas´ılá server NE-4100T hlásˇen´ı o zmˇenˇe na poˇzadovanou emailovou adresu.

79


5 Závˇer V projektu byla rozebrána problematika vzdálené správy firmware mikrokontrolér˚u ˇrady Atmel AVR s ohledem na zadané poˇzadavky. Na jejich základˇe pak byl navrˇzen poˇzadovaný hardware a software. Hardwarovou cˇ a´ st tvoˇr´ı modul propojuj´ıc´ı embedded server NE-4100T s deskou mikrokontroléru. Ten nav´ıc obsahuje sniˇzuj´ıc´ı mˇeniˇc napˇet´ı pro napájen´ı zbytku zaˇr´ızen´ı a hodiny reálného cˇ asu, které doplˇnuj´ı funkce modulu mikrokontroléru. Hardwarová cˇ a´ st proto u´ zce souvis´ı dodaným modulem CPU unit. Softwarové vybaven´ı se skládá z firmware mikrokontroléru a uˇzivatelského programu pro PC. Princip vzdálené správy firmware byl zaloˇzen na funkci Self Program Memory“, ” kterou disponuje vˇetˇsina mikrokontroléru Atmel AVR. Jedná se o princip mazán´ı a zápisu do pamˇeti programu prostˇrednictv´ım instrukce SPM vykonávané z vyhrazené oblasti programem zvaným bootloader. Bootloader dovoluje prostˇrednictv´ım konfiguraˇcn´ıch parametr˚u pro pˇreklad adaptaci na r˚uzné typy mikrokontrolér˚u rodiny Atmel AVR a s hardwarem je spjat pouze zp˚usobem propojen´ı se serverem NE-4100T. Teoreticky je tedy moˇzné pouˇz´ıt kterýkoliv typ vybavený funkc´ı Self Program Memory“ s velikost´ı sekce bootloaderu 2 kB a sériovým roz” hran´ım. Prakticky byly testovány obvody ATmega644P a ATmega16. Realizované ˇreˇsen´ı dovoluje mazán´ı a zápis pamˇeti programu, zápis konfiguraˇcn´ıch bit˚u (Lock Bits), cˇ ten´ı konfiguraˇcn´ıch bit˚u (Lock, Fuse Low, Fuse High, Extended Fuse) a cˇ ten´ı podpisu mikrokontroléru. Doplˇnkovou funkc´ı je kontrola integrity uˇzivatelské aplikace ovˇeˇren´ım kontroln´ıho souˇctu. C´ılem tohoto opatˇren´ı je zamezit spuˇstˇen´ı poˇskozeného programu, a tak zvýsˇit funkˇcn´ı bezpeˇcnost. Bootloader dále dovoluje pouˇzit´ı cˇ asovaˇce typu watch dog. T´ım m˚uzˇ e být integrovaná periferie, nebo extern´ı obvod typu MB3773. Z hlediska zabezpeˇcen´ı proti neoprávnˇenému pˇr´ıstupu nebylo nalezeno uspokojivé ˇreˇsen´ı. Problém spoˇc´ıvá pˇredevˇs´ım v embedded serveru NE-4100T, který nedovoluje vyˇssˇ´ı u´ roveˇn zabezpeˇcen´ı neˇz filtrován´ı povolených IP adres, coˇz tvoˇr´ı nejslabˇs´ı cˇ lánek. Veˇskerá uvaˇzovaná dodateˇcná opatˇren´ı pak jiˇz nedokázˇ´ı bezpeˇcnost zvýsˇit.

80


Reference [1] MOXA. NE-4100 Series User’s Manual. 2008/06. 121 s. [online]. [cit. 2009-03-03] URL: [2] MOXA. NE-4100 Series Datasheet. 2009/11. 2 s. [online]. [cit. 2010-01-03] URL: [3] MOXA. NE-4100 Series Serial Command Mode User’s Guide. 2004/11. 25 s. [online]. [cit. 2009-03-03] URL: [4] Tibbo Technology. Programmable Hardware Manual. 2010. 214 s. [online]. [cit. 2010-03-05] URL: [5] Soalle Systems. EZL-50M Datasheet. 2010. 2 s. [online]. [cit. 2010-03-05] URL: [6] AK-NORD. AK XXL Product Line Manual. Version 1.0. 91 s. [online]. [cit. 201003-05] URL: [7] FiveCo. FMod-TCP DB Datasheet. 2007/12. 1 s. [online]. [cit. 2010-03-05] URL: [8] Dostálek, L. Velký pr˚uvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. 5. vydán´ı. Computer Press, 2008, ISBN: 978-80-251-2236-5 [9] INFORMATION SCIENCE INSTITUTE. Transmission Control Protocol. RFC 793, 1981. [online]. [cit. 2010-04-09] URL: [10] INFORMATION SCIENCE INSTITUTE. User Datagram Protocol. RFC 768, 1980. [online]. [cit. 2010-04-09] URL: [11] ATMEL. ATmega644 Preliminary. 2008/07. 376 s. [online]. [cit.2010-01-20]. URL: [12] ATMEL. AVR Instruction Set. 2007/09. 155 s. [online]. [cit.2010-01-20]. URL:

81


[13] WIZnet. W3150A Datasheet. 2004. 65 s. [online]. [cit. 2009-03-03] URL: [14] FUJITSU SEMICONDUCTOR. Power Supply Monitor with Watch-Dog Timer MB3773. 2004/09. 29 s. [online]. [cit. 2009-03-03] URL: [15] NATIONAL SEMICONDUCTOR. LP2950/LP2951 Series of Adjustable Micropower Voltage Regulators. 2009/06. 26 s. [online]. [cit.2010-01-20]. URL: [16] MOXA. NE-4100T recommend circuit design. 2004/05. 8 s. [online]. [cit. 2009-0303] URL: [17] NXP Semiconductors. PCF8563 Product data sheet. 2008/02. 32 s. [online]. [cit. 2010-03-21] URL: [18] NXP Semiconductors. User Manual for NXP Real Time Clocks PCF85x3, PCA8565 and PCF2123, PCA2125. 2008/12. 32 s. [online]. [cit. 2010-03-21] URL: [19] NXP Semiconductors. BAV74 High-speed double diode. 2004/01. 9 s. [online]. [cit. 2010-03-21] URL: [20] EPSON TOYOCOM. MC-306 Datasheet. 2 s. [online]. [cit. 2010-03-21] URL: [21] National Semiconductor. LM2674 Datasheet. 2005/02. 26 s. [online]. [cit. 2010-0304] URL: [22] MATSUTA. SMD Power Inductor SC/SCD Series. 2010. 1 s. [online]. [cit. 2010-0304] URL: [23] Amphenol. Modular Jacks. 2010. 29 s. [online]. [cit. 2010-03-04] URL:

82


˚ veliˇcin a zkratek Seznam symbolu, DHCP Dynamic Host Control Protocol DIL Dual In Line DIO digitáln´ı vstup/výstup DLL dynamicky linkovaná knihovna DoS Denial Of Service ESD Electrostatic Discharge HAL zˇ a´ rové c´ınován´ı JTAG Joint Test Action Group MAC Media Access Control MCU mikrokontrolér NECI Network Enabler Configuration Interface NRWW No Read-While-Write RISC redukovaná instrukˇcn´ı sada RWW Read-While-Write SPI Serial Peripheral Interface SMTP Simple Mail Transfer Protocol SNMP Simple Network Management Protocol UART univerzáln´ı asynchronn´ı rozhran´ı WDT Watchdog Timer

83


84

Seznam pˇr´ıloh A Schéma zapojen´ı modulu CPU unit

85


86


87

D Seznam souˇca´ stek

89

E Pˇrehled MCU rˇ ady Atmel AVR 8-bit

90


A Schéma zapojen´ı modulu CPU unit

85



86



Obrázek C.1: Deska ploˇsných spoj˚u - vrstva Top“ ”

Obrázek C.2: Deska ploˇsných spoj˚u - vrstva Bottom“ ”

87


Obrázek C.3: Rozloˇzen´ı souˇca´ stek - vrstva Top“ ”

Obrázek C.4: Rozloˇzen´ı souˇca´ stek - vrstva Bottom“ ”

88


D Seznam souˇca´ stek Oznaˇcen´ı

Souˇca´ stka

Pouzdro

R3, R4

rezistor 33Ω 5% 0, 25W

0207

R5


SMD 1206

R7, R8


SMD 1206

R1, R2, R6, R9, R10

rezistor 10kΩ 5% 0, 25W

SMD 1206

C8

kondenzátor 12pF 5% 25V NP0

SMD 1206

C6, C7

kondenzátor 100pF 2kV keramický

rozteˇc 5mm

C1

kondenzátor 10nF 10% 50V X7R

SMD 1206

C2, C3, C9

kondenzátor 100nF 10% 25V X7R

SMD 1206

C4, C5

kondenzátor 22µ F 25V tantalový

SMD-D

C10

kondenzátor 100µ F 10V tantalový

SMD-C

L1

c´ıvka MATSUTA SC75F-680 (68µ H, 0, 22Ω)

SC75F

IC1

LM2674-5.0

SO8

IC2

MOXA NE-4100T + 2x dutinková liˇsta 1x13

IC3

PCF8563T

SO8

T1

tranzistor N-MOSFET typ BSS138

SOT23

D1

Schottkyho dioda KS24

DO-214AA

D2

dvojitá dioda BAV74

SOT23

Q1

krystal MC-306 32768Hz CL = 12, 5pF

MC-306

G1

lithiová baterie CR2032 do DPS vertikáln´ı

CR2032V

X1

napájec´ı konektor, vidlice 2, 1mm do DPS

SCD-016

X2

zásuvka RJ45 typ RJHS-5381

RJHS-5381

X4 aˇz X7

dutinková liˇsta 1x20 pin˚u

89


90

E Pˇrehled MCU rˇ ady Atmel AVR 8-bit Mikrokontrolér

Flash

EEPROM

SRAM

Self Program

UART

JTAG

[kB]

[kB]

[B]

Memory

ATtiny24 Automotive

2

0.125

128

Ano

0

Ano

ATtiny25 Automotive

2

0.125

128

Ano

0

Ne

ATtiny261 Automotive

2

0.125

128

Ano

0

Ne

ATtiny44 Automotive

4

0.25

256

Ano

0

Ne

ATtiny45 Automotive

4

0.25

256

Ano

0

Ne


4

0.25

256

Ano

0

Ne

ATtiny84 Automotive

8

0.5

512

Ano

0

Ne

ATtiny85 Automotive

8

0.5

512

Ano

0

Ne


8

0.5

512

Ano

0

Ne

ATmega16HVA

16

0.256

512

Ano

0

Ano

ATmega16HVB

16

0.512

1024

Ano

0

Ano

ATmega32HVB

32

1

2048

Ano

0

Ano

ATmega406

40

0.5

2048

Ano

0

Ne

ATmega4HVD

4

0.256

512

Ano

0

Ne

ATmega8HVA

8

0.256

512

Ano

0

Ne

ATmega8HVD

8

0.256

512

Ano

0

Ne

AT90PWM1

8

0.5

512

Ano

0

Ne

ATtiny12

1

0.0625

0

Ne

0

Ne

ATtiny13A

1

0.0625

64

Ano

0

Ne

ATtiny24

2

0.125

128

Ano

0

Ne

ATtiny24A

2

0.125

128

Ano

0

Ne

ATtiny25

2

0.125

128

Ano

0

Ne

ATtiny261

2

0.125

128

Ano

0

Ne

ATtiny28L

2

–

32

Ne

0

Ne

ATtiny43U

4

0.0625

256

Ne

0

Ne

ATtiny44A

4

0.25

256

Ano

0

Ne

ATtiny45

4

0.25

256

Ano

0

Ne

ATtiny461

4

0.25

256

Ano

0

Ne

ATtiny48

4

0.0625

256

Ano

0

Ne

ATtiny84

8

0.5

512

Ano

0

Ne

ATtiny85

8

0.5

512

Ano

0

Ne

ATtiny861

8

0.5

512

Ano

0

Ne


Mikrokontrolér

Flash

EEPROM

SRAM

Self Program

[kB]

[kB]

[B]

Memory

ATtiny88

8

0.0625

512

ATmega168 Automotive

16

0.5

ATmega169P Automotive

16

ATmega32C1 Automotive

91

UART

JTAG

Ano

0

Ne

1024

Ano

1

Ne

0.5

1024

Ano

1

Ano

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega32M1 Automotive

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega48 Automotive

4

0.25

512

Ano

1

Ne

ATmega64C1 Automotive

64

2

4096

Ano

1

Ano

ATmega64M1 Automotive

64

2

4096

Ano

1

Ano

ATmega88 Automotive

8

0.5

1024

Ano

1

Ne


16

0.5

512

Ano

1

Ne

ATmega169P

16

0.5

1024

Ano

1

Ano

ATmega329

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega3290

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega3290P

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega329P

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega649

64

2

4096

Ano

1

Ano

ATmega6490

64

2

4096

Ano

1

Ano

AT90PWM2

8

0.5

512

Ano

1

Ne

AT90PWM216

16

0.5

1024

Ano

1

Ne

AT90PWM2B

8

0.5

512

Ano

1

Ne

AT90PWM3

8

0.5

512

Ano

1

Ne

AT90PWM316

16

0.5

1024

Ano

1

Ne

AT90PWM3B

8

0.5

512

Ano

1

Ne

ATmega165P

16

0.5

1024

Ano

1

Ano

ATmega168

16

0.5

1024

Ano

1

Ne

ATmega168P

16

0.5

1024

Ano

1

Ne

ATmega16A

16

0.5

1024

Ano

1

Ano

ATmega325

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega3250

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega3250P

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega325P

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega328P

32

1

2048

Ano

1

Ne

ATmega32A

32

1

2048

Ano

1

Ano

ATmega48PA

4

0.25

512

Ano

1

Ne


Mikrokontrolér

Flash

EEPROM

SRAM

Self Program

[kB]

[kB]

[B]

Memory

ATmega644

64

2

4096

ATmega645

64

2

ATmega6450

64

ATmega8

92

UART

JTAG

Ano

1

Ano

4096

Ano

1

Ano

2

4096

Ano

1

Ano

8

0.5

1024

Ano

1

Ne

ATmega8515

8

0.5

512

Ano

1

Ne

ATmega8535

8

0.5

512

Ano

1

Ne

ATmega88P

8

0.5

1024

Ano

1

Ne

ATmega88PA

8

0.5

1024

Ano

1

Ne

ATtiny2313

2

0.125

128

Ano

1

Ne

AT90CAN128 Automotive

128

4

4096

Ano

2

Ano


32

1

2048

Ano

2

Ano


64

2

4096

Ano

2

Ano


16

0.5

1024

Ano

2

Ano


32

1

2048

Ano

2

Ano


64

2

4096

Ano

2

Ano

ATmega128

128

4

4096

Ano

2

Ano

ATmega1281

128

4

8192

Ano

2

Ano

ATmega1284P

128

4

16K

Ano

2

Ano

ATmega162

16

0.5

1024

Ano

2

Ano

ATmega164P

16

0.5

1024

Ano

2

Ano

ATmega164PA

16

0.5

1024

Ano

2

Ano

ATmega2561

256

4

8192

Ano

2

Ano

ATmega324P

32

1

2048

Ano

2

Ano

ATmega324PA

32

1

2048

Ano

2

Ano

ATmega64

64

2

4096

Ano

2

Ano

ATmega644P

64

2

4096

Ano

2

Ano

ATmega1280

128

4

8192

Ano

4

Ano

ATmega2560

256

4

8192

Ano

4

Ano

ATmega640

64

4

8192

Ano

4

Ano

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY

Recommend Documents