Программирование микросхем GAL и им подобных

Это будет рассказ о технологиях предков.

Статья скорее всего не будет иметь большой практической пользы для большинства читателей. Я начал ее писать только потому, что этой информации просто нет в Интернете. Я в этом уверен совершенно, потому что когда потребовалось сделать программатор, я потратил пару недель на поиски, но в итоге разобрался сам.  Просто хотел оставить след в Интернете. Но тут еще в комментариях к моей другой статье оказалось, что эта тема не совсем тухлая и небольшой интерес есть. В годы популярности GAL программаторы проходили сертификацию у производителя микросхем. Вероятно чтобы конечный пользователь не разочаровался в новой технологии. Примерно так объясняется закрытость этой информации.

Итак, микросхемы GAL. Здесь, на Хабре, уже были статьи про них. например эта. Хорошая статья, но как и все подобные, вопрос программирования микросхемы ограничен фразой “потребуется специальный программатор “. Эта статья именно про программирование. Но сначала все-таки немного про сами микросхемы.

Наверно лет 25 — 30 назад, когда GALы были популярны, покупка специального программатора имела смысл. Купить его можно и сейчас, на всяких маркетах достаточно предложений. Однако сами микросхемы продаются от 400 рублей за десяток, а программатор стоит от тысячи за конструктор до нескольких тысяч за готовый. Покупать такой, чтобы прошить одну-две микросхемы и забыть — совершенно нецелесообразно. Поэтому было принято решение сделать свой. Вот тут и оказалось, что это не так просто.  Официальные даташиты на микросхемы не содержат описаний процесса прошивки. Я нашел только одну достойную статью про это. Но информации в ней недостаточно для самостоятельной сборки программатора. Есть еще два проекта самодельных программаторов. Один на Ардуино и второй более древний GALBlast, который просто подключается и управляется через LPT-порт. Там целое семейство вариантов. Нет смысла глубоко изучать.

Ардуиновский совершенно явно написан по мотивам GALBlast. Код во всем его повторяет. Собственно изучение этого кода и позволило мне разобраться в этом вопросе.

Дальше все будет описано в отношении GAL16V8B. Другие GALки отличаются количеством ног и немного другой разводкой сигналов программирования по ним, но суть прожига одинаковая. Кроме того, есть еще древние одноразовые PAL и современные ATF. Функционально они не полностью аналогичные, но для программатора это не имеет значение.

Структурно для программатора микросхема GAL представляет собой матрицу фьюзов (плавких перемычек).  В GAL16V8 это матрица 64 строки на 64 бита (фьюза). Кроме строки 60, где длина 82 бита.

Пара слов про сами фьюзы. Название сложилось исторически от самых первых логических матриц (PAL), в которых это были реальные металлические перемычки, пережигаемые (расплавляемые) высоким напряжением. Точно как предохранитель в радиоаппаратуре. По сути это просто разрывало связь между “ножками” логических элементов внутри микросхемы так что в итоге оставалось только те, что требуются для реализации задуманной логики.

PAL были одноразовыми, поэтому им на смену пришли GAL, в которых ничего не плавилось. Фьюзы стали многоразовыми, но терминология уже закрепилась. Ресурс фьюзов в GAL невелик — гарантируется только 100 циклов восстановления. Сейчас им на смену пришли ATF. У них количество циклов может сильно отличаться в бОльшую сторону, но для ATF16V8 это те же 100 циклов.

У каждого фьюза есть свой номер или линейный адрес, если все фьюзы расположить в одну линию. Для GAL16V8 это диапазон от 0 до 2194.

Не все строки реально присутствуют в “адресном пространстве”. Часть строк зарезервирована, т.е. физически не существует. А те, что есть, распределены следующим образом:

32 - UES - строка для произвольной информации от пользователя.58 - PES - строка с информацией о микросхеме.54 - CLEARALL - стирание, т.е. восстановление фьюзов60 - CFG - строка конфигурации, здесь описываются вспомогательные соединения между выводами матрицы.61 - SECURITY - бит защиты информации от обратного прочтения.63 - CLEAR  - тоже стирание.

Матрица логических элементов представляет собой поле элементов И. Каждый элемент И в матрице имеет 32 входа. Вообще входных линий для элемента 16, но каждая имеет вариант входа через инвертор. Выход каждого элемента подключен к одному из входов большого макроэлемента, в котором есть прежде всего 8ИЛИ на входе и еще всякое по мелочи:

D-триггер может логически исчезать, если в строке конфигурации прошить соответствующий режим работы.

Всего таких макроэлементов 8 штук по числу пинов, которые могут быть выходами.

Таким образом, получается, что микросхема может реализовать произвольную функцию И от сигналов на входных пинах, а потом сделать функцию ИЛИ с результатом работы матрицы И. Сигнал с выхода макроячейки не только идет к выходу из корпуса, но также возвращается обратно в матрицу для использования в более сложных логических функциях.

Можно упрощенно сказать, что в исходном состоянии (до прошивки) каждый элемент в матрице соединен со всеми входами и выходами прямо и через инверторы, а потом со всеми выходами через ИЛИ. Прошивка обрывает ненужные соединения и в итоге матрица и выходные макроячейки вместе приобретают вид необходимой логической схемы. Кроме того, часть фьюзов в строке 60 может включать или выключать D-триггер или инвертор (XOR), которые видно на картинке и некоторые другие соединения.

Но вообще, эта теория не особо важна, потому что это знание никак не помогает создавать прошивку. Просто для информации.

В чем разница строк 63 и 54, я так и не понял. Обе стирают все.

Для строк 64, 61 и 63 данные не требуются. Важен сам факт записи в эти строки.

Теперь о главном. Как программируется микросхема. Здесь описан полный алгоритм для сертифицированного программатора. На практике для личного применения можно многое пропустить.

Сама прошивка создается в специализированных программах, которые “знают” описанную выше структуру GAL (ATF) и умеют применять это знание к разным видам микросхем. Проще всего использовать web-редактор прошивки — нормально работает и не требует установки. Есть еще десктопные, например, WinCUPL, но мне они как-то не понравились.

Вот пример реальной прошивки GAL16V8 для galasm-web  из моего самодельного XT:

GAL16V8UMB_DECODERNC A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 RW GNDNC NC NC NC NC NC VE WP NC VCCWP = A19 & A18 & /A17 & /A16 & /A15 & RW      # A19 & A18 & /A17 & /A16 & A15 & /A14 & /A13 & RW     # A19 & A18 & A17 & A16 & RW;                VE = A19 & /A18 & A17;DESCRIPTIONWrite protect for ROM areas only (C0000-CBFFF and F0000-FFFFF)UMB area CC000-EFFFF is unprotected (WP=0)VE = 1 if video VGA select

Сначала идет понятный заголовок, потом описание ножек микросхемы с 1 по 10 и с 11 по 20, потом сама логика. Синтаксис тут достаточно очевидный, как мне кажется. Символ # — это функция ИЛИ. Символ / — функция НЕ. Обратите внимание на “;” после строк с логикой. В других строках этого нет.

Потом еще необязательный блок описания.

Этот исходник компилируется в такую прошивку:

GAL-Assembler:  GALasm 2.1Device:         GAL16V8*F0*G0*QF2194*L0256 01110111101110111011111111110111*L0288 01110111101110110111101110110111*L0320 01110111011101111111111111110111*L0512 01111011011111111111111111111111*L2048 01100000*L2056 0101010101001101010000100101111101000100010001010100001101001111*L2120 00000000*L2128 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111*L2192 1*L2193 0*C1c00*5c61

Это текстовый файл, но имеет расширение jedec. Он передается программатору для прошивки.

Как программатор должен понимать этот файл:

1. Прочитать модель микросхемы (Device) и соответственно перекоммутировать панельку микросхемы по выбранный корпус. Для самоделки под одну микросхему это не важно. Там уже все скоммутировано.

2. *F0 (или *F1) — состояние фьюзов по умолчанию. Т.е. прожигать (0) или нет (1) те фьюзы, про которые не будет указания дальше.

3. *G0 — не активировать защиту от обратного чтения после прошивки, или активировать, если *G1.

4. *QF2194 — всего в микросхеме 2194 фьюза. Для самоделки не имеет значения.

5. *L — сама прошивка.

6. 5c61 — контрольная сумма прошивки. Для самоделки не имеет значения.

Теперь сам процесс. Если у вас самоделка для личного использования под один тип микросхем, то можно сразу переходить к пункту 6.

1. Перевести микросхему в режим чтения прошивки. Для этого подать на вход EDIT (2) напряжение VPP 12 Вольт.

2. Сделать такую конфигурацию сигналов:

   • Вход режима переключить на чтение: ножка P/V(19) — 0.

   • Вход стробирования прожига /STB (11) установить в 1.

   • Вход тактирования (стробирования) данных SCLK (8) установить в 0;

3. На входах RA0 — RA5 (18, 3 — 7) установить двоичный адрес строки PES (58).

4. Подать короткий импульс 0 на вход STB, около 10 мс. Выбранная строка загрузится во внутренний буфер, на выходе данных SDOUT (12) появится первый бит строки 58 (самый левый). Этот бит надо прочитать и далее короткими импульсами SCLK (лог 1 около 2 мкс, но точность тут не важна) проталкивать строку на выход и забирать биты. Повторять 64 раза.

5. Разобрать строку PES. В ней зашифрован алгоритм прошивки, т.е. величина VPP для прожига и длительность прожигающего импульса /STB, количество предыдущих прожигов. Для некоторых моделей GAL могут быть указаны дополнительные параметры прошивки. Настроить программатор по этим данным. Формат данных в строке может отличаться у разных моделей. Можно посмотреть все там же.

6. Перевести микросхему в режим записи:

   • VPP = 14.5 В (для ATF 12 В),

   • Вход режима переключить на запись: ножка P/V(19) — 1

   • Вход тактирования (стробирования) данных SCLK (8) установить в 0;

7. Стереть микросхему: Установить адрес 63, P/V = 1, подать импульс прожига: /STB = 0 длительностью из настроек PES или просто на 40 мс, если у вас самоделка.

8. Записать матрицу. Т.е. последовательно выставлять адреса от 0 до 31 и через вход SDIN (9) загрузить буфер данных битами соответствующей строки, стробируя биты импульсами SCLK. После чего прожечь строку импульсом на /STB = 0.

9. Записать cтроку UES — *L2056, если есть в прошивке.

10. Записать строку CFG — здесь 82 бита в отличии от предыдущих, где 64.

11. Записать обратно строку PES, но счетчик циклов записи в ней увеличить на 1.

12. Если в прошивке был указан бит защиты, то записать строку 61.

13. Снять VPP.

14. Там есть еще вычисление контрольной суммы по ходу прошивки. Должно сойтись.

15. Для чтения любой строки из микросхемы достаточно повторить пункты 1,2,3,4 выставляя нужный адрес.

На практике для личных проектов можно не читать и не писать PES. VPP для GAL16V8B и аналогичных равно 14.5 Вольт как для записи, так и для чтения, а прожигающий импульс 40 мс. Для микросхем ATF VPP = 12 В. Заниматься битом защиты и контрольной суммой тоже нет смысла. Строка UES тоже не имеет значения.

Теперь самое важное. Прошивка фьюзов передается в файле формата jedec. Принципиальное значение для прошивки имеют только строки *L. Это строки формата “*LAAAA bbbbbb…”:

*L2048 00100000*L2056 0101010101001101010000100101111101000100010001010100001101001111*L2120 00000000

AAAA — линейный адрес первого фьюза в этой строке, т.е. адрес просто по порядку от нулевого до самого последнего. bbb… — произвольное количество битов, отражающих состояние фьюзов после прошивки.

Пример реальной строки: “*L0256 01110111101110111011111111110111”. Здесь первый фьюз имеет адрес 256, состояние 0, второй 257-1 и т.д.

Первые 32 строки основной матрицы самые хитрые. Эту часть матрицы можно представить в виде таблицы 32 строки на 64 столбца. Фьюзы по порядку номеров расположены не в строках, а в столбцах — именно этот факт стал основным поводом для статьи. Этой информации я просто нигде не встретил. Дошел до нее сам. Чтобы было понятнее, если посмотреть на верхний левый угол этой матрицы, то там будет такое расположение фьюзов:

Соответственно при парсинге файла jedec нужно сначала залить всю матрицу состояниями фьюзов по умолчанию (*F0), а потом брать фьюзы по их номеру из строк *L и располагать их состояние в нужной ячейке этой таблицы, получая в конечном итоге строки для заливки в микросхему.

Строка 32, если есть желание, прошивается по порядку начиная от фьюза 2048 и далее вправо (единственная нормальная из всех).

Фьюзы строки 60 имеют следующий порядок слева направо:

2193,2120,2121,2122,2123,2128,2129,2130,2131,2132,2133,2134,2135,2136,2137,2138,2139,2140,2141,2142,2143,2144,2145,2146,2147,2148,2149,2150,2151,2152,2153,2154,2155,2156,2157,2158,2159,2160,2161,2162,2163,2164,2165,2166,2167,2168,2169,2170,2171,2172,2173,2174,2175,2176,2177,2178,2179,2180,2181,2182,2183,2184,2185,2186,2187,2188,2189,2190,2191,2124,2125,2126,2127,2192,2052,2053,2054,2055

Вот так бессистемно. В других GAL, не GAL16V8B, строка 60 будет иметь другую структуру и длину. Здесь есть подробности.

После того, как матрица в памяти программатора заполнена, можно брать строки из нее по порядку, выставлять адрес строки на входах микросхемы и заливать биты через пин входа начиная с самого левого.

Директива “*G0” или “*G1” выключает или включает защиту от чтения. Если включить, то все строки будут читаться как сплошные единицы. Думаю, что опция не актуальна, если вы не планируете какой-то эксклюзивный бизнес на этом, поэтому можно просто игнорировать эту строку. Снять защиту от чтения невозможно. Нужно стирать всю микросхему целиком и прошивать без защиты от чтения.

Все остальные строки в файле jedec носят служебный характер и на логику работы GAL после прошивки не влияют.

Реализация.

Совершенно очевидно, что реализовать описанное выше можно бесконечно большим количеством аппаратных вариантов. Я тут расскажу только про один, который показался оптимальным лично мне на тот момент, когда решил сделать.

Всего потребуется три готовых заводских модуля. Переходник USB-COM, микроконтроллер для процесса прошивки и повышающий преобразователь напряжения для получения VPP. Еще нужна удобная панелька для установки микросхемы и монтажная плата, чтобы собрать это все в единое целое. Для удобства я добавил еще простой цифровой вольтметр, чтобы настраивать величину VPP, но можно использовать любой обычный вольтметр с щупами.

В моем случае почти все у меня было в наличии, именно поэтому были выбраны конкретные модели модулей. А не потому что они лучше других подходят для задачи. Вот полный список с картинками с Алиэкспресса:

1. Микроконтроллер STC8G1K08

   

2. Повышающий преобразователь напряжения MT3608

   

3. Панелька для микросхемы

   

4. Вольтметр (не обязательно)

   

5. USB-COM (любой)

   

6. Макетная плата на свой вкус.

Преобразователь напряжения нужно слегка доработать, чтобы управлять напряжением. Для этого надо нагреть паяльником пин 1 самого чипа и приподнять его над контактной площадкой:

Это контакт управления EN. К нему надо припаять проводок и залить это все любым компаундом, чтобы не отвалилось.

Когда я уже все сделал, мне попалась схема, где этот модуль управлялся через средний контакт переменного резистора. Наверно такой вариант тоже допустим.

Схема всего устройства очень простая:

Подключение к COM-порту тут не нарисовано, оно происходит через стандартные контакты на платке микроконтроллера.

Две гребенки контактов здесь сделаны для отладки, когда я разбирался с тем , как оно работает. Можно не обращать внимания.

Код прошивки микроконтроллера лежит здесь. Его можно пересобрать под любую другую модель STC, реализующую 8-битный C51.

Для управления этим программатором написана еще программа для ПК (C#). Скачать можно здесь.

Здесь все просто.

• Установить правильный COM-порт.

• Включить VPP и настроить регулятором на MT3608 нужный уровень: 14.5 Вольт для GAL или 12 Вольт для ATF. Сверхточность тут не требуется.

• Выключить VPP.

• Теперь можно установить микросхему.

• В программе открыть прошивку, нажать “Прошить”.

• Дождаться завершения процесса.

Здесь же можно посмотреть карту фьюзов, как они будут прошиваться.

Вот в общем-то и все. В программе есть много разных кнопочек, которые появились в процессе изучения алгоритма. Можно поиграть с ними, но помнить, что ресурс прошивок в GAL очень мал.