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Atmel Corporation es un fabricante estadounidense de semiconductores, fundado en 1984. La empresa se enfoca en soluciones de sistemas embebidos construidas alrededor de microcontroladores flash. Sus productos incluyen microcontroladores (AVR de 8 bits, AVR de 32 bits, basados en ARM, grado automotriz y derivados 8051), dispositivos de radiofrecuencia (RF) que incluyen Wi-Fi, memorias EEPROM y flash, chips de seguridad simétricos y asimétricos, sensores y controladores táctiles, y una serie de productos específicos para aplicaciones.
Atmel suministra sus dispositivos como productos estándar, ASIC o ASSP según los requisitos de sus clientes. Atmel atiende una variedad de aplicaciones que incluyen consumo, comunicaciones, redes informáticas, industrial, médico, automotriz, aeroespacial y militar. Es un líder en la industria de microcontroladores y sistemas táctiles, especialmente para sistemas embebidos, como los famosos kits de desarrollo Arduino.
La sede corporativa de Atmel está en San José, California. Tiene grandes ubicaciones en Trondheim, Noruega; Colorado Springs, Colorado; Chennai, India; Shanghái, China; Taipéi, Taiwán; Rousset, Francia; Heilbronn, Alemania; Whiteley, Reino Unido y Múnich, Alemania, además de otros sitios en todo el mundo. Atmel sigue una estrategia "fab-lite", fabricando gran parte de su línea de productos en fundiciones externas. Posee una instalación en Colorado Springs que fabrica su línea de sensores táctiles flexibles XSense.
ATF16V8 Dispositivos de 20 pines y 8 macrocélulas
ATF16V8, ATF16V8B, ATF16V8C
ATF16V8BQ, ATF16V8BQL, ATF16V8CZ
ATF16LV8, ATF16LV8C
ATF20V8 Dispositivos de 24 pines y 8 macrocélulas
ATF20V8, ATF20V8B, ATF20V8C
ATF20V8BQ, ATF20V8BQL
ATF20LV8, ATF20LV8C
ATF22V10 SPLD Variable Insignia
ATF22V10, ATF22V10B, ATF22V10C
ATF22V10CQ, ATF22V10CQZ
ATF22LV10, ATF22LV10C
SPLD Extendidos de Alta Densidad
ATF28V12, ATF29M16
2. CPLD ATF15xx con JTAG ISP
ATF1500 CPLD de entrada de 32 macrocélulas
ATF1500A, ATF1500AL
ATF1502 CPLD de densidad media de 32 macrocélulas
ATF1502AS, ATF1502ASL, ATF1502ASV, ATF1502ASVL
ATF1504 CPLD de densidad media de 64 macrocélulas
ATF1504AS, ATF1504ASL, ATF1504ASV, ATF1504ASVL
ATF1508 CPLD de alta densidad de 128 macrocélulas
ATF1508AS, ATF1508ASL, ATF1508ASV, ATF1508ASVL
CPLD de densidad media antiguos
ATF750C, ATF750CL, ATF750LVC
ATF2500C, ATF2500CL, ATF2500LVC
3. Serie EPLD ATV borrable por UV
ATV750, ATV750B
ATV2500, ATV2500B
Atmel AVR
Atmel ATmega8 en DIP estrecho de 28 pines. El AVR es un microcontrolador RISC de 8 bits con arquitectura Harvard modificada, desarrollado por Atmel en 1996. El AVR fue una de las primeras familias de microcontroladores en utilizar memoria flash en el chip para almacenamiento de programa, en lugar de ROM programable de una sola vez, EPROM o EEPROM utilizadas por otros microcontroladores en ese momento.
Breve historia [editar] La arquitectura AVR fue concebida por dos estudiantes del Instituto Noruego de Tecnología (NTH), Alf-Egil Bogen y Vegard Wollan.[1][2]
El MCU AVR original fue desarrollado en una casa ASIC local en Trondheim, Noruega, llamada Nordic VLSI en ese momento, ahora Nordic Semiconductor, donde Bogen y Wollan trabajaban como estudiantes. Era conocido como μRISC (Micro RISC) y estaba disponible como IP/silicio de Nordic VLSI. Cuando la tecnología fue vendida a Atmel desde Nordic VLSI, la arquitectura interna fue desarrollada por Bogen y Wollan en Atmel Norway, una subsidiaria de Atmel. Los diseñadores trabajaron en estrecha colaboración con los compiladores de IAR Systems para asegurar que el conjunto de instrucciones proporcionara una compilación más eficiente de lenguajes de alto nivel.[3] Atmel dice que el nombre AVR no es un acrónimo y no significa nada en particular. Los creadores del AVR no dan una respuesta definitiva sobre qué significa el término "AVR".[2] Sin embargo, se acepta comúnmente que AVR significa Alf (Egil Bogen) y Vegard (Wollan)'s RISC processor.[4]
Tenga en cuenta que el uso de "AVR" en este artículo generalmente se refiere a la línea RISC de 8 bits de los microcontroladores Atmel AVR.
Entre los primeros de la línea AVR se encontraba el AT90S8515, que en un encapsulado DIP de 40 pines tiene la misma configuración de pines que un microcontrolador 8051, incluido el bus de direcciones y datos multiplexado externo. La polaridad de la línea RESET era opuesta (la del 8051 tiene RESET activo en alto, mientras que el AVR tiene RESET activo en bajo), pero aparte de eso, la configuración de pines era idéntica.
Descripción general del dispositivo [editar] El AVR es una máquina con arquitectura Harvard modificada donde el programa y los datos se almacenan en sistemas de memoria física separados que aparecen en diferentes espacios de direcciones, pero con la capacidad de leer datos de la memoria del programa usando instrucciones especiales.
Familias básicas [editar] Los AVR se clasifican generalmente en seis grupos amplios:
tinyAVR — serie ATtiny
0.5–16 kB de memoria de programa
Encapsulado de 6–32 pines
Conjunto periférico limitado
megaAVR — serie ATmega
4–512 kB de memoria de programa
Encapsulado de 28–100 pines
Conjunto de instrucciones extendido (instrucciones de multiplicación e instrucciones para manejar memorias de programa más grandes)
Conjunto periférico extenso
XMEGA — serie ATxmega
16–384 kB de memoria de programa
Encapsulado de 44–64–100 pines (A4, A3, A1)
Características de rendimiento extendidas, como DMA, "Event System" y soporte de criptografía.
Conjunto periférico extenso con ADC
AVR de aplicación específica
megaAVR con características especiales no encontradas en otros miembros de la familia AVR, como controlador LCD, controlador USB, PWM avanzado, CAN, etc.
FPSLIC (AVR con FPGA)
FPGA de 5K a 40K puertas
SRAM para el código del programa AVR, a diferencia de todos los otros AVR
El núcleo AVR puede funcionar hasta 50 MHz [5]
AVR de 32 bits
Artículo principal: AVR32
En 2006, Atmel lanzó microcontroladores basados en la nueva arquitectura AVR32 de 32 bits. Incluyen instrucciones SIMD y DSP, junto con otras características de procesamiento de audio y video. Esta familia de dispositivos de 32 bits está destinada a competir con los procesadores basados en ARM. El conjunto de instrucciones es similar a otros núcleos RISC, pero no es compatible con el AVR original ni con ninguno de los diversos núcleos ARM.
Arquitectura del dispositivo [editar] La memoria flash, EEPROM y SRAM están integradas en un solo chip, eliminando la necesidad de memoria externa en la mayoría de las aplicaciones. Algunos dispositivos tienen una opción de bus externo paralelo para permitir la adición de memoria de datos adicional o dispositivos mapeados en memoria. Casi todos los dispositivos (excepto los chips TinyAVR más pequeños) tienen interfaces seriales, que se pueden usar para conectar EEPROM o chips flash seriales más grandes.
Memoria de programa [editar] Las instrucciones del programa se almacenan en memoria flash no volátil. Aunque los MCU son de 8 bits, cada instrucción ocupa una o dos palabras de 16 bits.
El tamaño de la memoria de programa generalmente se indica en el nombre del dispositivo (por ejemplo, la línea ATmega64x tiene 64 kB de flash mientras que la línea ATmega32x tiene 32 kB).
No hay provisión para memoria de programa fuera del chip; todo el código ejecutado por el núcleo AVR debe residir en la flash del chip. Sin embargo, esta limitación no se aplica a los chips AT94 FPSLIC AVR/FPGA.
Memoria de datos interna [editar] El espacio de direcciones de datos consiste en el archivo de registros, los registros de E/S y la SRAM.
Registros internos [editar]
Atmel ATxmega128A1 en encapsulado TQFP de 100 pines. Los AVR tienen 32 registros de un solo byte y se clasifican como dispositivos RISC de 8 bits.
En la mayoría de las variantes de la arquitectura AVR, los registros de trabajo se asignan como las primeras 32 direcciones de memoria (000016–001F16) seguidas de los 64 registros de E/S (002016–005F16).
La SRAM real comienza después de estas secciones de registros (dirección 006016). (Tenga en cuenta que el espacio de registros de E/S puede ser mayor en algunos dispositivos más extensos, en cuyo caso los registros de E/S mapeados en memoria ocuparán una parte del espacio de direcciones SRAM).
Aunque existen esquemas de direccionamiento separados y opcodes optimizados para el acceso al archivo de registros y a los registros de E/S, todos pueden ser direccionados y manipulados como si estuvieran en SRAM.
En la variante XMEGA, el archivo de registros de trabajo no está mapeado en el espacio de direcciones de datos; por lo tanto, no es posible tratar ninguno de los registros de trabajo del XMEGA como si fueran SRAM. En su lugar, los registros de E/S se mapean en el espacio de direcciones de datos comenzando al principio del espacio de direcciones. Además, la cantidad de espacio de direcciones de datos dedicado a los registros de E/S ha crecido sustancialmente a 4096 bytes (000016–0FFF16). Como con las generaciones anteriores, sin embargo, las instrucciones rápidas de manipulación de E/S solo pueden alcanzar las primeras 64 ubicaciones de registros de E/S (las primeras 32 ubicaciones para instrucciones de bits). Después de los registros de E/S, la serie XMEGA reserva un rango de 4096 bytes del espacio de direcciones de datos que se puede usar opcionalmente para mapear la EEPROM interna al espacio de direcciones de datos (100016–1FFF16). La SRAM real se encuentra después de estos rangos, comenzando en 200016.
EEPROM [editar] Casi todos los microcontroladores AVR tienen EEPROM interna para almacenamiento de datos semipermanente. Como la memoria flash, la EEPROM puede mantener su contenido cuando se retira la alimentación eléctrica.
En la mayoría de las variantes de la arquitectura AVR, esta memoria EEPROM interna no está mapeada en el espacio de memoria direccionable del MCU. Solo se puede acceder a ella de la misma manera que a un dispositivo periférico externo, utilizando registros puntero especiales e instrucciones de lectura/escritura, lo que hace que el acceso a la EEPROM sea mucho más lento que a otras RAM internas.
Sin embargo, algunos dispositivos de la familia SecureAVR (AT90SC) [6] utilizan un mapeo especial de EEPROM a la memoria de datos o de programa según la configuración. La familia XMEGA también permite que la EEPROM se mapee en el espacio de direcciones de datos.
Dado que el número de escrituras en la EEPROM no es ilimitado (Atmel especifica 100,000 ciclos de escritura en sus hojas de datos), una rutina de escritura EEPROM bien diseñada debe comparar el contenido de una dirección EEPROM con el contenido deseado y solo realizar una escritura real si es necesario cambiar el contenido.
Tenga en cuenta que el borrado y la escritura se pueden realizar por separado en muchos casos, byte por byte, lo que también puede ayudar a prolongar la vida útil cuando los bits solo necesitan ser puestos a 1 (borrado) o selectivamente a 0 (escritura).
Ejecución del programa [editar] Los AVR de Atmel tienen un diseño de pipeline de dos etapas y un solo nivel. Esto significa que la siguiente instrucción de la máquina se obtiene mientras se ejecuta la actual. La mayoría de las instrucciones toman solo uno o dos ciclos de reloj, lo que hace que los AVR sean relativamente rápidos entre los microcontroladores de ocho bits.
Los procesadores AVR fueron diseñados pensando en la ejecución eficiente del código C compilado y tienen varios punteros integrados para esta tarea.
Conjunto de instrucciones [editar] Artículo principal: Conjunto de instrucciones Atmel AVR
El conjunto de instrucciones AVR es más ortogonal que el de la mayoría de los microcontroladores de ocho bits, en particular los clones 8051 y los microcontroladores PIC con los que AVR compite hoy en día. Sin embargo, no es completamente regular:
Los registros puntero X, Y y Z tienen capacidades de direccionamiento diferentes entre sí.
Las ubicaciones de registros R0 a R15 tienen capacidades de direccionamiento diferentes que las ubicaciones de registros R16 a R31.
Los puertos de E/S 0 a 31 tienen capacidades de direccionamiento diferentes que los puertos de E/S 32 a 63.
CLR afecta a las banderas, mientras que SER no, aunque son instrucciones complementarias. CLR pone todos los bits a cero y SER los pone a uno. (Tenga en cuenta que CLR es un pseudo-op para EOR R, R; y SER es una abreviatura de LDI R, $FF. Las operaciones matemáticas como EOR modifican las banderas mientras que los movimientos/cargas/almacenamientos/saltos como LDI no lo hacen).
El acceso a datos de solo lectura almacenados en la memoria de programa (flash) requiere instrucciones LPM especiales; el bus flash está reservado para la memoria de instrucciones.
Además, algunas diferencias específicas del chip afectan la generación de código. Los punteros de código (incluidas las direcciones de retorno en la pila) son de dos bytes en chips con hasta 128 kBytes de memoria flash, pero de tres bytes en chips más grandes; no todos los chips tienen multiplicadores de hardware; los chips con más de 8 kBytes de flash tienen instrucciones de salto y llamada con rangos más largos; y así sucesivamente.
El conjunto de instrucciones mayormente regular hace que programarlo con C (o incluso Ada) sea bastante sencillo. GCC ha incluido soporte para AVR durante bastante tiempo, y ese soporte es ampliamente utilizado. De hecho, Atmel solicitó la opinión de los principales desarrolladores de compiladores para microcontroladores pequeños para determinar las características del conjunto de instrucciones que eran más útiles en un compilador para lenguajes de alto nivel.
Velocidad del MCU [editar] La línea AVR normalmente puede soportar velocidades de reloj de 0 a 20 MHz, con algunos dispositivos alcanzando 32 MHz. El funcionamiento de menor potencia generalmente requiere una velocidad de reloj reducida. Todos los AVR recientes (Tiny, Mega y Xmega, pero no 90S) cuentan con un oscilador en el chip, eliminando la necesidad de relojes externos o circuitos de resonador. Algunos AVR también tienen un prescaler de reloj del sistema que puede dividir el reloj del sistema hasta 1024. Este prescaler puede ser reconfigurado por software durante la ejecución, permitiendo optimizar la velocidad del reloj.
Dado que todas las operaciones (excepto literales) en los registros R0 - R31 son de un solo ciclo, el AVR puede alcanzar hasta 1 MIPS por MHz, es decir, un procesador de 8 MHz puede alcanzar hasta 8 MIPS. Las cargas y almacenamientos en memoria toman dos ciclos, los saltos toman dos ciclos. Los saltos en las últimas partes "3-byte PC" como ATmega2560 son un ciclo más lentos que en dispositivos anteriores.
Desarrollo [editar]
Placa de desarrollo Atmel STK500. Los AVR tienen un gran número de seguidores debido a las herramientas de desarrollo gratuitas y económicas disponibles, incluyendo placas de desarrollo a precios razonables y software de desarrollo gratuito. Los AVR se venden bajo varios nombres que comparten el mismo núcleo básico, pero con diferentes combinaciones de periféricos y memoria. La compatibilidad entre chips de cada familia es bastante buena, aunque las características del controlador de E/S pueden variar.
Consulte los enlaces externos para sitios relacionados con el desarrollo AVR.
Características [editar] Los AVR actuales ofrecen una amplia gama de características:
Puertos de E/S de propósito general bidireccionales y multifunción con resistencias de pull-up configurables integradas
Múltiples osciladores internos, incluido oscilador RC sin partes externas
Memoria flash de instrucciones interna autoprogramable de hasta 256 kB (384 kB en XMega)
Programable en sistema mediante interfaces seriales/paralelas propietarias de bajo voltaje o JTAG
Sección de código de arranque opcional con bits de bloqueo independientes para protección
Soporte de depuración en chip (OCD) a través de JTAG o debugWIRE en la mayoría de los dispositivos
Las señales JTAG (TMS, TDI, TDO y TCK) están multiplexadas en GPIO. Estos pines se pueden configurar para funcionar como JTAG o GPIO según la configuración de un bit de fusible, que se puede programar vía ISP o HVSP. Por defecto, los AVR con JTAG vienen con la interfaz JTAG habilitada.
debugWIRE utiliza el pin /RESET como canal de comunicación bidireccional para acceder al circuito de depuración en el chip. Está presente en dispositivos con menos pines, ya que solo requiere un pin.
EEPROM de datos interna de hasta 4 kB
SRAM interna de hasta 16 kB (32 kB en XMega)
Espacio de datos externo de 64 kB little endian en ciertos modelos, incluyendo Mega8515 y Mega162.
El espacio de datos externo se superpone con el espacio de datos interno, de modo que el espacio de direcciones completo de 64 kB no aparece en el bus externo y los accesos a, por ejemplo, la dirección 010016 accederán a la RAM interna, no al bus externo.
En ciertos miembros de la serie XMega, el espacio de datos externo se ha mejorado para admitir SRAM y SDRAM. Además, los modos de direccionamiento de datos se han ampliado para permitir direccionar directamente hasta 16 MB de memoria de datos.
Los AVR generalmente no admiten la ejecución de código desde memoria externa. Algunos ASSP que utilizan el núcleo AVR admiten memoria de programa externa.
Temporizadores de 8 y 16 bits
Salida PWM (algunos dispositivos tienen un periférico PWM mejorado que incluye un generador de tiempo muerto)
Captura de entrada que registra una marca de tiempo activada por un flanco de señal
Comparador analógico
Convertidores A/D de 10 o 12 bits, con multiplexor de hasta 16 canales
Convertidores D/A de 12 bits
Una variedad de interfaces seriales, incluyendo
Interfaz de dos hilos compatible con I²C (TWI)
Periféricos seriales síncronos/asíncronos (UART/USART) (usados con RS-232, RS-485, y más)
Bus de interfaz periférica serial (SPI)
Interfaz serial universal (USI) para transferencia de datos síncrona de dos o tres hilos
Detección de subtensión
Temporizador watchdog (WDT)
Múltiples modos de suspensión para ahorro de energía
Modelos de controlador para iluminación y control de motores (PWM específico)
Soporte de controlador CAN
Soporte de controlador USB
Hardware completo de velocidad completa (12 Mbit/s) y controlador Hub con AVR embebido.
También emulaciones de software bitbanging de baja velocidad (1.5 Mbit/s) (HID) disponibles gratuitamente
Soporte de controlador Ethernet
Soporte de controlador LCD
Dispositivos de bajo voltaje que funcionan hasta 1.8 V (hasta 0.7 V para partes con convertidor elevador DC-DC integrado)
Dispositivos picoPower
Controladores DMA y "event system" para comunicación periférica.
Soporte de criptografía rápida para AES y DES
Interfaces de programación [editar] Hay muchas formas de cargar el código de programa en un chip AVR. Los métodos para programar chips AVR varían de una familia AVR a otra.
Arduino Uno
Arduino Nano
Arduino Nano
Arduino Nano
Arduino LilyPad
Arduino Mega 2560
Arduino Ethernet
Arduino Due
Arduino Leonardo
ArduinoYún [6-7]
ISP [editar]
El método de programación en sistema (ISP) se realiza funcionalmente a través de SPI, más algunas manipulaciones de la línea Reset. Mientras los pines SPI del AVR no estén conectados a nada disruptivo, el chip AVR puede permanecer soldado en un PCB mientras se reprograma. Todo lo que se necesita es un conector de 6 pines y un adaptador de programación. Esta es la forma más común de desarrollar con un AVR.
El dispositivo Atmel AVR ISP mkII se conecta al puerto USB de una computadora y realiza la programación en sistema utilizando el software de Atmel.
AVRDUDE (AVR Downloader/UploaDEr) se ejecuta en Linux, FreeBSD, Windows y Mac OS X, y admite una variedad de hardware de programación en sistema, incluyendo Atmel AVR ISP mkII, Atmel JTAG ICE, programadores antiguos de Atmel basados en puerto serie, y varios programadores de terceros y "hágalo usted mismo".[7]
Arduino GSM Shield
Arduino GSM Shield Front
Arduino GSM Shield Front
Arduino Ethernet Shield
Arduino Ethernet Shield
Arduino Ethernet Shield
Arduino WiFi Shield
Arduino Wireless SD Shield
Arduino USB Host Shield
Arduino Motor Shield
Arduino Wireless Proto Shield
Arduino Proto Shield
PDI [editar] La Interfaz de Programa y Depuración (PDI) es una interfaz propietaria de Atmel para la programación externa y la depuración en chip de dispositivos XMEGA. El PDI admite la programación de alta velocidad de todos los espacios de memoria no volátil (NVM); flash, EEPROM, fusibles, bits de bloqueo y la Fila de Firmas de Usuario. Esto se hace accediendo al controlador NVM XMEGA a través de la interfaz PDI y ejecutando comandos del controlador NVM. El PDI es una interfaz de 2 pines que utiliza el pin Reset para la entrada de reloj (PDI_CLK) y un pin de datos dedicado (PDI_DATA) para entrada y salida.[8]
Alto voltaje serial [editar] La programación serial de alto voltaje (HVSP)[9] es principalmente el modo de respaldo en AVR más pequeños. Un encapsulado AVR de 8 pines no deja muchas combinaciones de señales únicas para poner el AVR en modo de programación. Sin embargo, una señal de 12 voltios es algo que el AVR solo debería ver durante la programación y nunca durante el funcionamiento normal.
Alto voltaje paralelo [editar] La programación paralela de alto voltaje (HVPP) se considera el "último recurso" y puede ser la única forma de reparar chips AVR con configuraciones de fusible defectuosas.
Bootloader [editar] La mayoría de los modelos AVR pueden reservar una región de bootloader, de 256 B a 4 KB, donde puede residir el código de reprogramación. En el reinicio, el bootloader se ejecuta primero y realiza una determinación programada por el usuario de si reprogramar o saltar a la aplicación principal. El código puede reprogramar a través de cualquier interfaz disponible, podría leer un binario cifrado a través de un adaptador Ethernet como PXE. Atmel tiene notas de aplicación y código relacionado con muchas interfaces de bus.[10][11][12][13]
ROM [editar] La serie AT90SC de AVR está disponible con máscara-ROM de fábrica en lugar de flash para la memoria de programa.[14] Debido al gran costo inicial y la cantidad mínima de pedido, una máscara-ROM solo es rentable para series de producción alta.
aWire [editar] aWire es una nueva interfaz de depuración de un hilo disponible en los nuevos dispositivos AVR32 UC3L.
Interfaces de depuración [editar] El AVR ofrece varias opciones para la depuración, que involucran principalmente la depuración en chip mientras el chip está en el sistema objetivo.
debugWIRE [editar] debugWIRETM es la solución de Atmel para proporcionar capacidades de depuración en chip a través de un solo pin del microcontrolador. Es particularmente útil para obtener el código de la memoria flash, leer el HEX protegido, extraer datos ROM, extraer código (datos+código+fusibles), desbloquear bloqueados, proteger el borrado en partes de menos pines que no pueden proporcionar los cuatro pines "libres" necesarios para JTAG. El JTAGICE mkII, mkIII y el AVR Dragon admiten debugWIRE. debugWIRE se desarrolló después del lanzamiento del JTAGICE original, y ahora los clones lo admiten.
JTAG [editar] La funcionalidad del Grupo de Acción de Prueba Conjunta (JTAG) proporciona acceso a la funcionalidad de depuración en chip mientras el chip está funcionando en el sistema objetivo.[15] JTAG permite acceder a la memoria y registros internos, establecer puntos de interrupción en el código y ejecutar paso a paso para observar el comportamiento del sistema.
Atmel proporciona una serie de adaptadores JTAG para el AVR:
1. El JTAGICE 3[16] es el miembro más reciente de la familia JTAGICE (JTAGICE mkIII). Admite interfaces JTAG, aWire, SPI y PDI.
2. El JTAGICE mkII[17] reemplaza al JTAGICE y tiene un precio similar. El JTAGICE mkII se conecta a la PC vía USB y admite tanto JTAG como la nueva interfaz debugWIRE. Numerosos clones de terceros del dispositivo Atmel JTAGICE mkII comenzaron a enviarse después de que Atmel lanzara el protocolo de comunicación.[18]
3. El AVR Dragon[19] es un sustituto de bajo costo (aproximadamente $50) del JTAGICE mkII para ciertas partes objetivo. El AVR Dragon proporciona programación serial en sistema, programación serial de alto voltaje y programación paralela, así como emulación JTAG o debugWIRE para partes con 32 KB de memoria de programa o menos. ATMEL cambió la función de depuración de AVR Dragon con el último firmware de AVR Studio 4 - AVR Studio 5 y ahora admite dispositivos de más de 32 KB de memoria de programa.
4. El adaptador JTAGICE se conecta a la PC a través de un puerto serie estándar. Aunque el adaptador JTAGICE ha sido declarado "fin de vida" por Atmel, todavía es compatible con AVR Studio y otras herramientas.
JTAG también se puede usar para realizar una prueba de barrido de límites,[20] que prueba las conexiones eléctricas entre AVR y otros chips capaces de barrido de límites en un sistema.
Herramientas de desarrollo y kits de evaluación [editar] Las herramientas de desarrollo y kits de evaluación oficiales de Atmel AVR contienen varios kits de inicio y herramientas de depuración con soporte para la mayoría de los dispositivos AVR:
Kit de inicio STK600 [editar] El kit de inicio y sistema de desarrollo STK600 es una actualización del STK500.[21] El STK600 utiliza una placa base, una placa de enrutamiento de señales y una placa objetivo.
La placa base es similar al STK500, en que proporciona una fuente de alimentación, reloj, programación en sistema, un puerto RS-232 y un puerto CAN (Controller Area Network, un estándar automotriz) a través de conectores DE9, y pines para todas las señales GPIO del dispositivo objetivo.
Las placas objetivo tienen zócalos ZIF para encapsulados DIP, SOIC, QFN o QFP, según la placa.
La placa de enrutamiento de señales se encuentra entre la placa base y la placa objetivo, y enruta las señales al pin correcto en la placa del dispositivo. Hay muchas placas de enrutamiento de señales diferentes que podrían usarse con una sola placa objetivo, dependiendo del dispositivo que esté en el zócalo ZIF.
El STK600 permite la programación en sistema desde la PC a través de USB, dejando el puerto RS-232 disponible para el microcontrolador objetivo. Un cabezal de 4 pines en el STK600 etiquetado como 'RS-232 spare' puede conectar cualquier puerto USART de nivel TTL en el chip a un chip MAX232 para traducir las señales a niveles RS-232. Las señales RS-232 están conectadas a los pines RX, TX, CTS y RTS en el conector DB-9.
Kit de inicio STK500 [editar] El kit de inicio y sistema de desarrollo STK500 cuenta con programación ISP y de alto voltaje (HVP) para todos los dispositivos AVR, ya sea directamente o a través de placas de extensión. La placa está equipada con zócalos DIP para todos los AVR disponibles en encapsulados DIP.
Módulos de expansión STK500: Hay varios módulos de expansión disponibles para la placa STK500:
STK501 - Agrega soporte para microcontroladores en encapsulados TQFP de 64 pines.
STK502 - Agrega soporte para AVR LCD en encapsulados TQFP de 64 pines.
STK503 - Agrega soporte para microcontroladores en encapsulados TQFP de 100 pines.
STK504 - Agrega soporte para AVR LCD en encapsulados TQFP de 100 pines.
STK505 - Agrega soporte para AVR de 14 y 20 pines.
STK520 - Agrega soporte para microcontroladores de 14, 20 y 32 pines de las familias AT90PWM y ATmega.
STK524 - Agrega soporte para la familia ATmega32M1/C1 de 32 pines CAN/LIN/Motor Control.
STK525 - Agrega soporte para microcontroladores AT90USB en encapsulados TQFP de 64 pines.
STK526 - Agrega soporte para microcontroladores AT90USB en encapsulados TQFP de 32 pines.
Kit de inicio STK200 [editar] El kit de inicio y sistema de desarrollo STK200 tiene un zócalo DIP que puede albergar un chip AVR en un encapsulado de 40, 20 u 8 pines. La placa tiene una fuente de reloj de 4 MHz, 8 diodos emisores de luz, 8 botones de entrada, un puerto RS-232, un zócalo para una SRAM de 32k y numerosas E/S generales. El chip se puede programar con un dongle conectado al puerto paralelo.
Microcontroladores compatibles (según el manual) Chip Tamaño flash EEPROM SRAM Frecuencia
[MHz] Encapsulado
AT90S1200 1k 64 0 12 PDIP-20
AT90S2313 2k 128 128 10 PDIP-20
AT90S/LS2323 2k 128 128 10 PDIP-8
AT90S/LS2343 2k 128 128 10 PDIP-8
AT90S4414 4k 256 256 8 PDIP-40
AT90S/LS4434 4k 256 256 8 PDIP-40
AT90S8515 8k 512 512 8 PDIP-40
AT90S/LS8535 8k 512 512 8 PDIP-40
AVR ISP y AVR ISP mkII [editar] El AVR ISP y AVR ISP mkII son herramientas económicas que permiten programar todos los AVR a través de ICSP.
El AVR ISP se conecta a una PC a través de un puerto serie y obtiene alimentación del sistema objetivo. El AVR ISP permite usar cualquiera de las configuraciones de pines ICSP "estándar", ya sea el conector de 10 pines o de 6 pines. El AVR ISP ha sido descontinuado, reemplazado por el AVR ISP mkII.
El AVR ISP mkII se conecta a una PC a través de USB y obtiene alimentación de USB. Los LED visibles a través de la carcasa translúcida indican el estado de la alimentación del objetivo.
AVR Dragon [editar]
AVR Dragon con cable de programación ISP y zócalo ZIF azul adjunto. El Atmel Dragon es una herramienta económica que se conecta a una PC a través de USB. El Dragon puede programar todos los AVR a través de JTAG, HVP, PDI,[22] o ICSP. El Dragon también permite la depuración de todos los AVR a través de JTAG, PDI o debugWIRE; una limitación anterior a dispositivos con 32 kB o menos de memoria de programa se eliminó en AVR Studio 4.18.[23] El Dragon tiene una pequeña área de prototipos que puede albergar un AVR de 8, 28 o 40 pines, incluyendo conexiones a alimentación y pines de programación. No hay área para ningún circuito adicional, aunque esto puede ser proporcionado por un producto de terceros llamado "Dragon Rider".[24]
JTAGICE mkI [editar] La herramienta de depuración JTAG In Circuit Emulator (JTAGICE) admite la depuración en chip (OCD) de AVR con interfaz JTAG. El JTAGICE mkI original utiliza una interfaz RS-232 a una PC y solo puede programar AVR con interfaz JTAG. El JTAGICE mkI ya no está en producción, sin embargo, ha sido reemplazado por el JTAGICE mkII.
JTAGICE mkII [editar] La herramienta de depuración JTAGICE mkII admite la depuración en chip (OCD) de AVR con interfaces SPI, JTAG, PDI y debugWIRE. La interfaz debugWire permite la depuración usando un solo pin (el pin Reset), permitiendo la depuración de aplicaciones que se ejecutan en microcontroladores de pocos pines.
El JTAGICE mkII se conecta usando USB, pero hay una conexión alternativa a través de un puerto serie, que requiere usar una fuente de alimentación separada. Además de JTAG, el mkII admite programación ISP (usando adaptadores de 6 o 10 pines). Tanto el enlace USB como el serie usan una variante del protocolo STK500.
JTAGICE3 [editar] El JTAGICE3 actualiza el mkII con capacidades de depuración más avanzadas y programación más rápida. Se conecta vía USB y admite las interfaces JTAG, aWire, SPI y PDI.[25] El kit incluye varios adaptadores para usar con la mayoría de las configuraciones de pines de interfaz.
AVR ONE! [editar] El AVR ONE! es una herramienta de desarrollo profesional para todos los dispositivos AVR de 8 y 32 bits de Atmel con capacidad de depuración en chip. Admite modos de programación SPI, JTAG, PDI y aWire, y depuración usando interfaces debugWIRE, JTAG, PDI y aWire.[26]
Placa de demostración Butterfly [editar]
Atmel ATmega169 en encapsulado MLF de 64 pads en la parte posterior de una placa Atmel AVR Butterfly. Artículo principal: AVR Butterfly.
La muy popular placa de demostración AVR Butterfly es una computadora autónoma alimentada por batería que ejecuta el microcontrolador Atmel AVR ATmega169V. Fue construida para mostrar la familia AVR, especialmente una nueva interfaz LCD integrada. La placa incluye la pantalla LCD, joystick, altavoz, puerto serie, reloj en tiempo real (RTC), chip de memoria flash y sensores de temperatura y voltaje. Las versiones anteriores del AVR Butterfly también contenían un fotorresistor CdS; no está presente en las placas Butterfly producidas después de junio de 2006 para cumplir con RoHS.[27] La pequeña placa tiene un pin de camisa en su parte posterior para que pueda usarse como un distintivo con el nombre.
El AVR Butterfly viene precargado con software para demostrar las capacidades del microcontrolador. El firmware de fábrica puede desplazar su nombre, mostrar las lecturas de los sensores y mostrar la hora. El AVR Butterfly también tiene un transductor piezoeléctrico que se puede usar para reproducir sonidos y música.
El AVR Butterfly demuestra el manejo de LCD mediante una pantalla de seis caracteres alfanuméricos de 14 segmentos. Sin embargo, la interfaz LCD consume muchos de los pines de E/S.
La CPU ATmega169 del Butterfly es capaz de velocidades de hasta 8 MHz, pero está configurada de fábrica por software a 2 MHz para preservar la vida de la batería de botón. Un programa bootloader preinstalado permite reprogramar la placa a través de un conector serie RS-232 estándar con nuevos programas que los usuarios pueden escribir con las herramientas IDE gratuitas de Atmel.
AT90USBKey [editar] Esta pequeña placa, de aproximadamente la mitad del tamaño de una tarjeta de presentación, tiene un precio ligeramente superior al de un AVR Butterfly. Incluye un AT90USB1287 con soporte USB On-The-Go (OTG), 16 MB de DataFlash, LED, un pequeño joystick y un sensor de temperatura. La placa incluye software que le permite actuar como un dispositivo de almacenamiento masivo USB (su documentación se envía en el DataFlash), un joystick USB, y más. Para admitir la capacidad de host USB, debe funcionar con una batería, pero cuando funciona como periférico USB, solo necesita la alimentación proporcionada a través de USB.
Solo el puerto JTAG utiliza la configuración de pines convencional de 2.54 mm. Todos los demás puertos de E/S AVR requieren cabezales más compactos de 1.27 mm.
El AVR Dragon puede programar y depurar desde que se eliminó la limitación de 32 KB en AVR Studio 4.18, y el JTAGICE mkII es capaz de programar y depurar el procesador. El procesador también se puede programar a través de USB desde un host Windows o Linux, utilizando los protocolos "Device Firmware Update" de USB. Atmel envía programas de ejemplo propietarios (código fuente incluido pero distribución restringida) y una pila de protocolos USB con el dispositivo.
LUFA[28] es una pila de protocolos USB de terceros de software libre (licencia MIT) para el USBKey y otros AVR USB de 8 bits.
Kit inalámbrico Raven [editar] El kit RAVEN admite el desarrollo inalámbrico utilizando los conjuntos de chips IEEE 802.15.4 de Atmel, para ZigBee y otras pilas inalámbricas. Se asemeja a un par de tarjetas Butterfly inalámbricas más potentes, más un USBKey inalámbrico; y cuesta aproximadamente eso (menos de $100 USD). Todas estas placas admiten el desarrollo basado en JTAG.
El kit incluye dos placas AVR Raven, cada una con un transceptor de 2.4 GHz compatible con IEEE 802.15.4 (y una pila ZigBee con licencia gratuita). Las radios se manejan con procesadores ATmega1284p, que son compatibles con una pantalla LCD segmentada personalizada manejada por un procesador ATmega3290p. Los periféricos Raven se asemejan al Butterfly: piezoeléctrico, DataFlash (más grande), EEPROM externa, sensores, cristal de 32 kHz para RTC, y así sucesivamente. Estos están destinados a ser utilizados en el desarrollo de nodos sensores remotos, para controlar relés, o cualquier cosa que se necesite.
El stick USB utiliza un AT90USB1287 para conexiones a un host USB y a los enlaces inalámbricos de 2.4 GHz. Estos están destinados a monitorear y controlar los nodos remotos, dependiendo de la alimentación del host en lugar de baterías locales.
Programadores de terceros [editar] Hay una amplia variedad de herramientas de programación y depuración de terceros disponibles para el AVR. Estos dispositivos utilizan varias interfaces, incluyendo RS-232, puerto paralelo de PC y USB. AVR Freaks tiene una lista completa.
Uso de Atmel AVR [editar]
Atmel AVR Atmega328 DIP de 28 pines en una placa Arduino Duemilanove
Atmel AVR Atmega8 DIP de 28 pines en una placa de desarrollo personalizada. Los AVR se han utilizado en diversas aplicaciones automotrices como seguridad, sistemas de propulsión y entretenimiento. Atmel ha lanzado recientemente una nueva publicación "Atmel Automotive Compilation" para ayudar a los desarrolladores con aplicaciones automotrices. Algunos usos actuales son en BMW, Daimler-Chrysler y TRW.
La plataforma de computación física Arduino se basa en un microcontrolador ATmega328 (ATmega168 o ATmega8 en versiones de placa anteriores a la Diecimila). El ATmega1280 y ATmega2560, con más pines y capacidades de memoria, también se han empleado para desarrollar la plataforma Arduino Mega. Las placas Arduino se pueden usar con su lenguaje e IDE, o con entornos de programación más convencionales (C, ensamblador, etc.) como plataformas AVR estandarizadas y ampliamente disponibles.
Los AVR basados en USB se han utilizado en los controladores de mano de Microsoft Xbox. El enlace entre los controladores y la Xbox es USB.
Numerosas empresas producen placas basadas en microcontroladores AVR destinadas a ser utilizadas por aficionados, constructores de robots, experimentadores y desarrolladores de sistemas pequeños, incluyendo: Cubloc,[29] gnusb,[30] BasicX,[31] Oak Micros,[32] ZX Microcontrollers,[33] y myAVR.[34] También hay una gran comunidad de placas compatibles con Arduino que admiten usuarios similares.
Schneider Electric produce el chip M3000 Motor and Motion Control, que incorpora un núcleo Atmel AVR y un controlador de movimiento avanzado para su uso en una variedad de aplicaciones de movimiento.[35]
Clones FPGA [editar] Con la creciente popularidad de los FPGA entre la comunidad de código abierto, la gente ha comenzado a desarrollar procesadores de código abierto compatibles con el conjunto de instrucciones AVR. El sitio web OpenCores enumera los siguientes proyectos principales de clonación de AVR:
pAVR,[36] escrito en VHDL, tiene como objetivo crear el procesador AVR más rápido y con más características, implementando técnicas no encontradas en el procesador AVR original, como canalización más profunda.
avr_core,[37] escrito en VHDL, es un clon destinado a ser lo más cercano posible al ATmega103.
Navré[38] escrito en Verilog, implementa todas las instrucciones del núcleo clásico y está destinado a alto rendimiento y bajo uso de recursos. No admite interrupciones.
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Flujos de trabajo de decapsulación invasiva para la recuperación de código y claves de MCU industriales bloqueados. Entre todas las metodologías de ataque a la seguridad de MCU existentes, la decapsulación y la recuperación de código siguen siendo los métodos más fiables y totalmente efectivos para derrotar las configuraciones de bloqueo de MCU permanentemente quemadas en microcontroladores embebidos de grado industrial. Los MCU industriales desplegados en maquinaria de fabricación, sistemas de control de procesos e infraestructura de redes inteligentes implementan el nivel más alto de protección de bloqueo OTP que no puede ser alterado, glitcheado o eludido a través de medios puramente software. Estos dispositivos cumplen con los estándares de ciberseguridad industrial IEC 62443, que exigen un bloqueo de depuración irreversible y dominios de memoria seguros aislados por defecto. Cuando los ataques de software y semi-invasivos de glitching fallan en eludir las barreras de bloqueo endurecidas, los investigadores de seguridad y los actores maliciosos deben recurrir al procesamiento invasivo físico a través de la decapsulación. El flujo de trabajo de decapsulación comienza con la preparación precisa del dispositivo para aislar el MCU objetivo de su placa de circuito impreso (PCB) anfitriona. Los técnicos desueldan el microcontrolador utilizando estaciones de rework con control de temperatura para evitar daños térmicos al dado de silicio y a los cables de unión internos. Una desoldadura inadecuada introduce estrés térmico que puede agrietar el dado, corromper las celdas de bloqueo OTP o destruir las matrices de memoria EEPROM delicadas antes de que comience el análisis. Una vez retirado del PCB, el MCU se somete a una inspección visual bajo un microscopio metalúrgico de alta magnificación para identificar el grosor del encapsulado, el tipo de compuesto epóxico y la posición del dado dentro de la cavidad. Esta inspección determina el agente químico óptimo y el tiempo de exposición requerido para la eliminación controlada del material. El método principal de decapsulación para MCU encapsulados en epóxico estándar es el ataque químico húmedo utilizando ácido nítrico fumante concentrado o mezclas de ácido sulfúrico. Estos productos químicos corrosivos disuelven el compuesto de moldeo epóxico sin dañar la capa de pasivación que cubre el dado de silicio subyacente. Los técnicos sumergen el MCU en soluciones químicas calentadas durante duraciones calibradas, eliminando pequeñas capas de material de encapsulado de manera incremental para evitar el sobregrabado. Después de completar el ataque químico, la superficie del dado, los cables de unión de aluminio y la circuitería periférica se vuelven completamente visibles bajo imágenes microscópicas. Los MCU de alta seguridad avanzados utilizan encapsulado hermético cerámico en lugar de epóxico, lo que requiere decapsulación por ablación láser seca en lugar de procesamiento químico. La ablación láser utiliza haces láser ultravioleta enfocados para vaporizar el material cerámico capa por capa con cero transferencia térmica a la superficie del dado. Esta precisión es fundamental para los MCU militares y aeroespaciales donde la exposición térmica corrompería las celdas de memoria sensibles y los datos OTP de bloqueo. Una vez completamente decapsulado, el dado de silicio se somete a una limpieza de superficie con enjuagues de solvente para eliminar los residuos de encapsulado y los subproductos del ataque. Un escaneo microscópico final mapea la disposición física de la circuitería crítica, incluyendo las compuertas lógicas de bloqueo, los buses del controlador de memoria, los periféricos de la matriz EEPROM y los módulos de aislamiento de memoria criptográfica. Con acceso físico directo a la circuitería del dado, los investigadores pueden colocar puntas de sonda de tungsteno a nanoescala en los nodos de bus internos que se encuentran aguas abajo de la lógica de bloqueo del MCU. Estos puntos de sonda eluden las restricciones de acceso al hardware impuestas por los bloqueos quemados, creando una vía de datos sin restricciones a todos los dominios de memoria internos. Esta capacidad de sondaje directo permite la lectura completamente sin filtros de los registros del núcleo del procesador EEPROM, las particiones de configuración ocultas y los datos de estado en tiempo de ejecución que están permanentemente bloqueados para las interfaces de depuración externas. Los registros de control internos del procesador EEPROM contienen desplazamientos de calibración de fábrica, valores de compensación de temperatura y tablas de permisos de acceso que dan forma al comportamiento general de la memoria. La extracción de estos registros permite a los analistas aplicar ingeniería inversa a las reglas de acceso a memoria no documentadas utilizadas por el MCU durante el funcionamiento normal. Después de la extracción de registros, los investigadores ejecutan secuencias de adquisición de datos sistemáticas para volcar completamente los datos binarios brutos de flash y EEPROM de todos los bancos de memoria no volátil en el dado. Los volcados de memoria flash capturan el firmware de control industrial completo responsable de regular el funcionamiento de la maquinaria, los enclavamientos de seguridad y los protocolos de comunicación. Los volcados de EEPROM recuperan registros operativos persistentes, identificadores únicos de dispositivos y registros de eventos de manipulación almacenados a lo largo de años de despliegue en campo. Estos volcados de memoria completos forman el conjunto de datos fundamentales necesario para la ingeniería inversa profunda y granular de dispositivos industriales bloqueados. Los ingenieros inversos utilizan el mapa de disposición física del dado junto con los datos binarios volcados para reconstruir conjuntos de instrucciones no documentados, módulos de firmware ocultos y protocolos de comunicación propietarios. El objetivo de mayor valor del análisis posterior a la decapsulación es acceder y copiar el contenido de la memoria criptográfica, la partición segura aislada por hardware que almacena las claves raíz industriales y los hashes de verificación de seguridad. A diferencia de los dominios de memoria de usuario, la memoria criptográfica no tiene conexiones de bus externas y solo se puede acceder a través del sondaje directo del dado de la circuitería del controlador de seguridad dedicado. Copiar con éxito estos contenidos permite a los actores descifrar actualizaciones de firmware cifradas, falsificar firmas de certificación de seguridad y clonar nodos de control industrial autenticados. Esta capacidad representa graves riesgos para la seguridad física de la infraestructura crítica al permitir la modificación no autorizada de dispositivos y la manipulación maliciosa de procesos. El pipeline completo de decapsulación y sondaje invasivo sigue siendo el estándar de oro para la extracción definitiva de firmware de MCU industriales heredados con protección de bloqueo OTP irreversible. Ninguna técnica no invasiva puede igualar su fiabilidad para recuperar el contenido completo de la memoria y los secretos criptográficos de los dispositivos embebidos más seguros. Para mitigar estas amenazas invasivas, los fabricantes de MCU industriales integran circuitos de detección de manipulación activa que activan el borrado de la memoria criptográfica si se detecta sondaje del dado o eliminación del encapsulado. Los sensores de manipulación monitorean la capacitancia, la exposición a la luz y el estrés mecánico para identificar intentos de decapsulación en tiempo real. Cuando se activa, el controlador de seguridad sobrescribe inmediatamente todo el contenido de la memoria criptográfica con ruido aleatorio, eliminando permanentemente el material de clave sensible antes de que pueda ocurrir la extracción. Esta seguridad física en capas complementa las barreras de bloqueo de MCU tradicionales para elevar el costo y la complejidad de los ataques invasivos más allá del alcance de la mayoría de los actores no estatales.
Años
28
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Países
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Clientes
5000
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Proyectos
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