Potresti programmare un microcontrollore senza un computer?

Supponiamo che tu abbia un microcontrollore piuttosto semplice e piccolo e che non abbia avuto interfacce, computer, debugger, compilatore o assemblatore. Potresti scrivere il codice nell'assembly, convertirlo (manualmente) in codice macchina e quindi applicare l'alimentazione ai pin appropriati utilizzando una sorgente di tensione?

Capisco che avresti davvero bisogno di I / O e memoria adeguati fare qualsiasi cosa, ma se tu fossi così incline e avessi il tempo, potresti farlo? Immagino, storicamente, come è stato fatto quando all'inizio non c'erano computer / compilatori / assemblatori? Sentiti libero di collegarmi a una risorsa esterna. Grazie! :)

Potresti scrivere il tuo codice nell'assembly, convertirlo (manualmente) in codice macchina,

Sì!
Il codice può essere scritto "fuori di testa" in binario, se lo si desidera.
Molto (molto lungo) fa è così che ho iniziato a usare (poi) i microprocessori.
Io e i miei amici scriveremmo il codice nel linguaggio assembly, lo compileremmo manualmente nel codice macchina (cosa che si può fare "mediante ispezione" dopo un po 'di pratica), quindi inserirlo nel processore in vari modi. Su un sistema che abbiamo creato avremmo impostato l'indirizzo su interruttori binari (on off) o utilizzato una funzione di incremento automatico del processore, immettendo 8 bit di dati su interruttori binari e quindi premendo un interruttore "clock" per inserire i dati in memoria.

La funzionalità equivalente potrebbe essere raggiunta con un numero ancora inferiore di interruttori su un moderno microcontrollore mediante la programmazione seriale SPI - vedere di seguito.

... e quindi alimentare i pin appropriati usando una fonte di tensione?

Sì!
Ma sarebbe incredibilmente lento da fare!
Molti microcontrollori moderni consentono l'uso di un'interfaccia "SPI" per la programmazione.
In genere si tratta di righe di dati di input e output e di una riga "clock" e di solito di una riga di reset.

Molti processori consentono all'orologio SPI e ai dati di essere "statici", il che significa che non vi è alcun limite al tempo necessario per impostare i dati tra i bit. È possibile programmare un tale processore utilizzando una linea dati e una linea di clock gestite da switch gestiti manualmente. La linea di clock deve essere "senza rimbalzo" - è necessario essere in grado di impostarla su alta o bassa in una singola transizione per operazione - quindi potrebbe essere necessario che un'interfaccia minima includa un gate attivato da Schmitt. Puoi "cavartela" solo con un ritardo RC e un interruttore a pulsante, ma un ingresso innescato Schmitt è più sicuro. Non è necessario che la riga di dati sia libera da rimbalzi poiché il suo stato viene letto solo sul bordo dell'orologio.

Alcune interfacce sono interattive: i dati vengono emessi dal processore durante la programmazione (ad es. Dati in uscita = MISO = Master In Serial Out su processori AVR). Per leggere questo, è necessario aggiungere ad esempio un LED e un resistore (e forse solo un buffer o un transistor se la capacità del convertitore era VERAMENTE bassa).

MC6800:

Dalla memoria semi-sbiadita (quasi 40 anni!)

LDI A, $ 7F ...... 86 7F ...... 1000 0110 0111 1111
STA, $ 1234 ...... B7 12 34 ... 1011 0111 0001 0010 0011 0100
LDI X, $ 2734 .. CE 27 34 ... 1100 1110 0010 0111 0011 0100
...

Inizialmente, nelle macchine programmabili, i programmi venivano punzonati manualmente su nastro di carta o carte. Più tardi usarono una specie di macchina da scrivere per fare i pugni, e anche più tardi i computer (come ormai erano conosciuti) potevano perforare il loro nastro di carta.

Era, letteralmente, seduto lì con una carta e facendo manualmente buchi in essa.

Ogni colonna è un'istruzione o un bit di dati che viene interpretato dalla macchina a stati della CPU per eseguire attività.

Ora, se ovviamente è tutta memoria flash, e sì, ottenere i dati lì in primo luogo normalmente richiede un computer per farlo. Ma questo non è rigorosamente vero al 100%.

Dopotutto, cosa fa un programmatore di computer e hardware se non impostare lo stato dei pin IO al momento giusto? Quindi, se sei abbastanza masochista, puoi costruire un sistema che ti consenta di inviare le giuste istruzioni ai pin di programmazione del microcontrollore nel modo giusto per installare alcune istruzioni nella memoria flash per l'esecuzione.

Forse qualcosa che coinvolge molti interruttori, alcuni registri a scorrimento, un generatore di clock, ecc.

Ricordo che al college avevamo un nuovo sistema di programmazione basato su Z80: un'unità delle dimensioni di una valigia con uno Z80, una piccola quantità di RAM, un gruppo di display a LED a 7 segmenti e una grande fila di interruttori. Programmalo caricando manualmente le istruzioni nella RAM usando gli switch.

Hai detto "piccolo microcontrollore e senza interfaccia, computer, debugger, compilatore o assemblatore". Bene, puoi cavartela senza computer, debugger, compilatore o assemblatore, ma devi caricare una sorta di interfaccia per connetterti al microcontrollore per caricare il programma.

Prima di tutto, dimentica qualsiasi linguaggio di alto livello come C. Quindi il modo più semplice è scrivere il tuo programma in linguaggio assembly, ma non usare l'assemblatore per tradurlo in codice macchina. Invece, cerca ciascuna delle istruzioni di assemblaggio nel manuale di programmazione, trova la loro codifica esadecimale equivalente e scrivila.

Dovrai allocare le tue variabili, in modo da poter inserire gli indirizzi appropriati nella parte dell'operando delle istruzioni. Dimentica anche l'uso dello stack e dell'heap, troppo lavoro. Al termine, avrai un programma macchina che può essere caricato direttamente nella memoria flash del microcontrollore, senza bisogno di linker.

A causa della mancanza di indirizzo esterno e bus dati su quasi tutti i microcontrollori (poiché occuperebbero troppi pin necessari per le porte e le periferiche I / O), praticamente tutti i microcontrollori sono programmati tramite un'interfaccia speciale come questa:

Normalmente il "programmatore" a sinistra verrebbe collegato a un PC, che scarica un file macchina generato da un compilatore / linker.

Tuttavia, se il programmatore ha una tastiera, come quella qui sotto:

quindi si possono inserire i codici esadecimali per un programma generato manualmente direttamente nel programmatore e programmare il dispositivo senza bisogno di un compilatore, linker o PC che era ciò di cui si stava chiedendo. (La tastiera viene anche utilizzata per modificare file esadecimali e generare checksum.)

Concesso pochissimi programmatori hanno tastiere come questa. Questo non sarebbe adatto per un hobbista in quanto probabilmente costa un paio di migliaia di dollari.

Questo particolare programmatore programma le parti prima che vengano messe su una scheda; interfacce e socket sono disponibili per diversi PIC e anche per AVR Atmel.

In pratica, qualcosa come l'attivazione manuale dei pin JTAG sarebbe soggetto a errori. Inserire un programma di qualsiasi dimensione decente richiederebbe migliaia di interruttori. Ma in teoria è possibile.

Se ti è permesso preparare in anticipo il microcontrollore (o scrivere una ROM di avvio per esso), potresti facilmente implementare qualcosa come gli interruttori a levetta esterni utilizzati sui primi mainframe. Se si consente la logica esterna, è anche possibile utilizzare una tastiera esadecimale per accelerare le cose.

Infine, anche se al giorno d'oggi non è così comune, è possibile acquistare un microcontrollore basato su ROM con codice personalizzato. Dovresti offrire un po 'di soldi in anticipo e garantire un certo volume, ma ho visto i clienti farlo per risparmiare denaro sulla produzione ad alto volume. In tal caso, non sarebbero necessari segnali esterni per programmare il microcontrollore. Il codice verrebbe incorporato nel layout fisico del chip.

Ovviamente, puoi anche usare un microcontrollore che esegue il codice da un'interfaccia di memoria esterna, ma è un imbroglio. :-)

Assolutamente. In effetti, il primo corso a microprocessore che ho seguito (circa 87) ha utilizzato una scheda Motorola 68000. Elaboravamo il codice nell'assembly, cercavamo l'esagono per l'assemblaggio e digitavamo l'esagono in un terminale per programmare la scheda. Se hai modificato, dovevi assicurarti che il codice inserito fosse più corto del codice che stavi sostituendo, quindi bufferizzare il resto con i NOP. Se il coDE fosse più lungo, dovresti digitare nuovamente tutto! Abbiamo imparato ad aggiungere molti NOP.

Assolutamente. Una volta che hai un formato binario delle istruzioni effettive (facile da fare per set di istruzioni ben specificate), tutto ciò che serve è implementare il protocollo di programmazione.

Ad esempio, prendi qualcosa di piccolo come un AVR Tiny 4 . La sezione 14 descrive in dettaglio l'interfaccia di programmazione incluso il protocollo e il livello fisico. È relativamente semplice e hai solo bisogno di alcuni pulsanti e resistori pullup / down per inviare / ricevere un 1 o uno 0. Se ti senti ambizioso, aggiungi alcuni LED per rileggere l'output.

L'ultimo problema rimanente è se riesci a farlo abbastanza velocemente, che per fortuna * per AVR Tiny 4 (sezione 16), non ha alcuna frequenza minima quando si tratta di programmarlo.

* nota: per quanto specificato nella scheda tecnica. Questo può differire nella realtà ... Dubito che qualcuno abbia provato a programmarlo a velocità di clock in mHz.

Sentiti libero di automatizzare tutto il processo / quanto desideri. Questo è ciò che fa comunque la maggior parte dei dispositivi di programmazione: automatizzare il processo.

Indipendentemente dal modo in cui si immette il programma nell'UC, ci si "interfaccia" con esso, perché questo è ciò che significa interfacciarsi. Anche un sacco di interruttori che lanci manualmente sono una "interfaccia".

Quindi tratterò questa domanda come "come posso interfacciarmi con un uC con hardware di interfaccia largamente meccanico (piuttosto che elettronico) e nel modo più cool possibile?"

A cui è la mia risposta, inserisci il programma come piano roll. La "barra del tracker" del piano roll di un piano del lettore fornisce fondamentalmente almeno 65 bit (a seconda del formato) che è possibile attivare e disattivare in modo indipendente in base alle perforazioni nella carta. Il resto è un lavoro impegnativo con un coltello Exacto. Ma almeno il tuo programma, una volta avviato, è (in qualche modo) memorizzato in modo permanente (a differenza di un approccio flip-the-switch-manual).

Non solo è possibile programmare un microcontrollore senza un computer, ma oggi è possibile acquistare un computer appositamente progettato per essere programmato con interruttori a levetta hardware. Il kit si chiama tessera associativa ed è una ricostruzione del computer elfo COSMAC degli anni '70. Il kit è stato descritto in un recente articolo sulla rivista IEEE Spectrum . È anche possibile programmare versioni più recenti della tessera associativa da un PC.

Va bene. Che ne dici di questo: scrivi il programma in assembler e cerchi tu stesso i codici operativi, come suggerito in precedenza. Come ottenerlo sul computer: prendi un vecchio riproduttore, rimuovi la testina di riproduzione, ma lascia il cabestano e il rullo di presa. Questo sarà il tuo trasporto. Se si dispone di un lettore bobina a bobina, è possibile lasciare la testina di riproduzione in posizione.

Quindi prendi una striscia di carta lunga e stretta o, ancora meglio, un nastro trasparente. Qui è dove codifichi il tuo programma. Usi tante tracce quante sono le spille da programmare. Su una traccia metti punti neri a intervalli regolari; questo è il tuo orologio. Sulle altre tracce metti punti o strisce neri e lasci spazi vuoti in base ai dati e ai segnali. Accendi una luce nel complesso e la rilevi con piccoli fototransistor (o illumina un LED sul nastro e rilevi la luce con altri simili) e guida l'orologio e le linee di segnale con i transistor. Ciò richiede un po 'di spazio sul lettore di cassette, motivo per cui potrebbe essere necessario rimuovere la testina di riproduzione.

Ovviamente puoi anche codificare i segnali come audio, ma è un po 'più complicato decodificare. Oppure puoi rilevare la luce riflessa invece della luce trasmessa. Oppure puoi praticare i fori nel nastro scuro o nel nastro di carta, invece di fare segni neri su nastro trasparente. Qualunque cosa. Il riproduttore a nastro guida il nastro a velocità costante, pertanto è possibile immettere un segnale con clock senza un computer.

Sì. Il problema principale potrebbe essere l'interazione con l'interfaccia di programmazione. Se hai un indirizzo semplice e un bus dati, le cose sono un po 'più facili. Hai mai visto alcuni dei primi computer? I programmi vengono immessi un'istruzione alla volta nella RAM con interruttori nella parte anteriore.

I mincomputer PDP-8 di Digital Equipment di oltre 40 anni fa non avevano capacità di avvio automatico. I programmi venivano solitamente caricati da nastri di carta perforata ma il caricatore per caricare i nastri di carta doveva essere inserito manualmente sugli interruttori del pannello frontale.

Nei siti di clienti Digital e PDP-8 come OEM che li utilizzavano come controller integrati del giorno, non era insolito che gli utenti memorizzassero i bootloader e competessero tra loro per il tempo più veloce impiegato per entrare nel boot caricatore nella macchina. Le macchine utilizzavano memorie a nucleo magnetico (infilate a mano nelle parti più lontane del mondo, da donne con dita minuscole, usando aghi e filo sottile).

Poiché il contenuto della memoria magnetica non è volatile, i caricatori di avvio sono sopravvissuti a uno spegnimento e l'immissione manuale è stata necessaria solo dopo l'assemblaggio iniziale, il caricatore è stato cancellato da un bug del programma o un programma necessario per utilizzare lo spazio del caricatore.

La risposta è sì , potresti programmare un microcontrollore senza un computer, un debugger, ecc. Ciò di cui avresti bisogno sarebbe fornire le varie tensioni, dati, clock e sequenze di programmazione specificate dal produttore degli uC (non un lavoro facile).