Проникновение в BIOS ROM: осваиваем SPI Flash №1

12 октября 2019, 07:50 | Подборки, перечисления, топ-10, и так далее

В жизни любого радиолюбителя наступает момент, когда собранный своими руками программатор хочется заменить на что-то купленное и с бОльшими возможностями. Или расширить номенклатуру совместимых кристаллов. На Алиэкспресс можно найти огромный ассортимент универсальных программаторов и готовые адаптеры для установки микросхем памяти и контроллеров. В подборке будут интересные модели для AVR (ATMega/ATTiny), для PIC, STM8/STM32, для EEPROM, для Zigbee контроллеров и адаптеры.

 С другими полезными обзорами и списками выгодных покупок вы можете ознакомиться по ссылке.

 Все больше становится доступного программного обеспечения, с помощью которого можно настраивать по себя различные модули и устройства. А конкретно, CC-Debugger может использоваться для программирования и отладки систем на базе 8051, например, модулей CC2531, на базе которых производятся гаджеты для умного дома и «интернета вещей». Работает с программным обеспечением IAR и SmartRF Studio.

Хороший пример использования предыдущего отладчика CC-Debugger — это заливка адаптированной прошивки в компактный USB донгл для сети Zigbee. С помощью модифицированного Zigbee трансмиттера можно привязывать устройства в свою сеть, создавать собственные Zigbee-мосты, анализировать протоколы датчиков и так далее.

 Один из лучших программаторов для AVR — это классический  USBASP, компактный и универсальный программатор, для загрузки программного обеспечения через интерфейс ISP. В комплекте есть кабель для загрузки через ISP на 10 контактов. Подходит не только для семейства ATMEGA8, но и для новых ATMEGA128. Работает в Win7.

А это еще один вариант USB ISP программатора для AVR (семейства ATMega и ATTiny). В отличие от предыдущего имеет выбор питания кристалла (5V или 3.3V джампером), а также в два раза меньшую стоимость. Интерфейс для программирования ISP, но есть смысл воспользоваться отдельным адаптером с ISP10 на ISP6 для удобства работы с компактными отладочными платами Arduino.

Устройство представляет собой полноценный uart-мост и эмулятор последовательного порта. Предназначен для прошивки микросхем памяти (24 EEPROM и 25 SPI flash 8pin/16pin) и микроконтроллеров по spi (AVR, PIC, Singlechip STC). Подходит для восстановления флэш-памяти BIOS USB. Для работы с контроллерами Атмел используется программное обеспечение AVR CH341A или AVRDUDE

Для работы с устройствами от STMicroelectronics рекомендую использовать программатор ST LINK. По ссылке версия ST-Link V2, который подходит для чипов семейств STM8 и STM32. Удобен для загрузки встроенного программного обеспечения на контроллер прямо в составе схемы, а также для отладки работы и поиска ошибок. В комплекте есть 4-pin кабель. Цена смешная — полтора бакса.

А вот если нужен адаптер посерьезнее, то есть смысл посмотреть недорогой программатор SWD, который совместим со всеми функциями J-Link. В данной модели интерфейс упрощен до четырех линий: VCC, SWDIO, SWCLK, GND. Но, по сравнению с обычными, этот вариант быстрый и эффективный. Подключается через MicroUSB, корпуса, увы, не предусмотрено. Цена всего 2 бакса. 

Один из лучших  USB программаторов для PICmicro контроллеров и ключей KeeLOQ производства компании Microchip Technology. В лоте на выбор есть модели: PICKIT3, PICKIT2 или PICKIT 3,5. Лучше брать последние версии устройства. В комплекте идет плата расширения с ZIF-сокетом (PIC ICD2). Полный схемотехнический аналог фирменного программатора PICKIT 3 компании Microchip.

Новейшая версия универсального USB программатора EZP2019 с высокоскоростным интерфейсом SPI с большим набором адаптеров для EEPROM, клипсами и диском с программным обеспечением. Этот вариант несколько лучше дешевого программатора CH341A. Является усовершенствованной версией программаторов EZPO2010/EZP2013. В комплекте есть все необходимое для работы.

Есть еще один хороший вариант — универсальный программатор TL866II, но он не поместился в текст статьи, о нем будет позже.

Рекомендую ознакомиться с другими подборками по другим темам:

Ламповые аудиоусилители — лучшее с Алиэкспресс

10 идей для бизнеса с помощью Aliexpress: инструкция о том, как начать свое новое дело

Полезные автотовары и инструменты для каждого (с Алиэкспресс)

Не столь давно приключилась со мной одна неприятность. Нужно было обновить BIOS на материнской плате, но в процессе прошивки произошла ошибка, система зависла и перестала отвечать на любые команды. После вынужденной принудительной перезагрузки компьютер включился, крутил кулерами, но на экране ничего не отображалось и не было никаких звуковых сигналов. На лицо повреждение BIOS при записи.

Немного предыстории:

Материнская плата ASUS Commando, без, модного нынче, Dual BIOS. Только Boot Block – небольшая область BIOS, не затрагиваемая записью, которая позволяет, в случае необходимости, инициализировать минимальный набор компонентов, необходимых для включения компьютера, произвести поиск BIOS на съемных носителях. Обычно подходят Floppy или флешка с файлом прошивки, переименованным в AMIBOOT.ROM (зависит от BIOS и материнской платы, точнее написано в инструкции к плате), либо CD с драйверами из комплекта поставки. Обнаружив подходящий файл, boot block запишет его в BIOS и, если все прошло правильно, компьютер после перезагрузки оживет. Неплохая фишка, несколько раз выручала, но в данном случае она не сработала, видимо, оказался поврежден и boot block.

Пришлось искать другие решения. Так как в своем арсенале инструмента у меня не было паяльной станции и стационарного программатора для разных eeprom’ок, пришлось искать более доступные решения. Рассматривая плату, я обнаружил на ней небольшой разъем SPI_J1, а микросхема флеш памяти как раз с SPI интерфейсом. Поиск в Интернет показал, что существуют вполне приличные заводские девайсы и немало самоделок для прошивки SPI микросхем через USB (об универсальных программаторах с поддержкой SPI даже не говорю, это само собой). Правда, поиск по местным магазинам, СЦ и форумам в отличии от Google ничего не дал, а заказывать и ждать месяц очень не хотелось.

Еще немного поиска, и вот оно, решение – статья чешского комрада (на чешском) о предельно простом программаторе и софтине к нему для прошивки микросхем флеш памяти с SPI интерфейсом! Ничего сложного, минимум компонентов.

Технически это очень простой способ, и требует лишь базового понимания схемотехники, умения припаять пару проводков и воспользоваться командной строкой (cmd). Но если вы не уверены в своих силах, лучше не рискуйте. Кроме того, всегда можно попросить друга, дружащего с паяльником.

Сборка устройства

Для сборки нам понадобится:

• 1 разъем DB25P, можно отрезать от ненужного шнура от принтера
• 4 шт. резисторы по 150 Ом
• 1 любой электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ или более и рабочим напряжением на 6.3 В или больше (нужен при запитке от БП)
• Кусок плоского шлейфа с IDC разъемом на 10 контактов (он идеален при наличии SPI разъема на плате)
• Штекер molex (как на жестких дисках ATA), либо гнездо для батарейки CR2032

Ничего дефицитного нет, все можно найти в куче хлама или за копейки в любом радиомагазине. В худшем случае, можно попробовать обойтись вообще несколькими кусками провода, подсоединив контакты с SPI напрямую к LPT, однако, в данном случае нужно быть предельно острожным, да и правильность записи гарантировать сложно.

Схема с сайта автора, при подключении непосредственно к чипу (для флеш-памяти с рабочим напряжением 3 вольта):

Программатор SPIPGM может использоваться и для микросхем флеш-памяти с рабочим напряжением 1.8 Вольт. Автор применяет для этого дополнительный модуль (своего рода переходник), который подключается к основному модулю и состоит из дополнительных резисторов для гашения напряжения и каскада усиления на транзисторах BC547 для выходного сигнала чипа (схемы на сайты автора по ссылке выше). Ниже приводится адаптация схемы подключения, сразу предназначенная для работы с чипами на 1.8В. Для получения напряжения питания в 1.8 Вольта применен делитель напряжения (на схеме серые резисторы, желательно 1/4 Ватт), делитель при желании может быть пересчитан на другие номиналы (я указываю варианты 10 и 12 Ом, или 100 и 120 Ом), а еще лучше заменен подходящим DC-DC преобразователем (например, TLV70018). Диоды любые, нужны они для минимизации ошибок и, в принципе, можно обойтись без них.

Мы же будем подключать программатор не к чипу, а к разъему SPI_J1.

Если разъем 7 контактный, то подключается к нему следующим образом:

1. -> питание +3.3v 2. -> земля от питания и вывод 18 на LPT 3. -> резистор -> LPT 7 4. -> резистор -> LPT 8 5. -> резистор -> LPT 10 6. -> резистор -> LPT 9

Так же, на некоторых материнских платах бывают 9 контактные разъемы, там схема подключения немного отличается:

Разъем DB25P хорош тем, что внутри него можно разместить все необходимые детали. Желательно использовать максимально короткую длину кабеля, иначе будут ошибки записи. Неплохо было бы закрыть провода экраном, либо от антенного кабеля, либо просто обмотав фольгой от шоколадки, не забыв подсоединить экран к земле (GND).

При питании от батарейки конденсатор можно исключить. Лично я брал с +5 шины блока питания (

красный

провод), подключив к нему через разъем molex и погасив напряжение диодами до ~3.3v (двух-трех диодов будет достаточно).Блок питания все же надежней батарейки. Имея отдельный БП можно запитать напрямую от шины +3.3 (

оранжевый

провод ATX разъема). Чтобы запустить блок питания без компьютера нужно замкнуть

зеленый

и черный провода.

Девайс в сборе:

Программа SPIPGM

Теперь можно переходить к программному обеспечению.

Программа поддерживает большое количество чипов (полный список в файле Readme.txt) и по заявлению автора работает быстрей аналогов. Скачать свежую версию можно с сайта автора, либо отсюда:

Скачать SPIPGM(Версия 2.28, 123 KB, Скачан 16747)

Проект, кстати, развивается и по сей день, автор частенько выкладывает обновленные версии программы с информацией о новых чипах, доработками и исправлениями.

В архиве следующие файлы:

SPIPGM – исполняемый файл для LinuxSPIPGM.EXE – исполняемый файл для DOS/Win9xSPIPGMW.EXE – исполняемый файл для Win9x/NT/2k/XP/Vista/7 (только х32, поддержки х64 нет)IOPERM.DLL – библиотека для низкоуровневого доступа в Win9x/NT/2k/XP/Vista/7(без UAC)

Надежней всего прошивать из DOS, загрузившись с Hiren или любого другого подходящего загрузочного CD/Flash. Но можно и из Windows.

Синтаксис и основные команды:

Синтаксис: spipgmw /<команда> [имя файла] [адрес] [размер] [/l=адрес] [/d=задержка]

Основные команды:

i – идентификация флеш памяти d имя файла – считать содержимое флеш памяти в файл p имя файла – записать флеш память из файла прошивки (без стирания) v имя файла – сравнить содержимое флеш памяти с файлом прошивки e – полное стирание флеш памяти b – проверка стирания флеш памяти u – разблокировать защиту от записи (зависит от сигнала WP#)Имя файла — полное имя файла, например: file.bin, file.rom и т.п. Расширение роли не играет, главное чтобы это был корректный файл образа и правильно указано имя.

Прошивка BIOS через SPI:

spipgmw /i – идентификация чипа. Для проверки все ли правильно подключено, программа должна определить тип установленной памяти. Если этого не происходит, проверьте правильность подключения и поддержку чипа программой.

spipgmw /d BIOS.bak – если нужно сохранить резервную копию имеющегося BIOS.

spipgmw /u – разрешение записи.

spipgmw /e – стирание.

spipgmw /p FILE.rom – запись прошивки («FILE.rom» – имя файла прошивки, нужно чтобы файл находился в одной папке с программой)

…ждем процесс записи…

spipgmw /v FILE.rom – сравниваем записанные данные с файлом прошивки. Либо можно сделать дамп spipgmw /d test.rom и сравнить его содержимое с оригинальным файлом прошивки в каком-нибудь Hex-редакторе.

Возможно наличие небольшого количество ошибок. Зависит от длинны кабеля, стабильности питания, типа памяти. Конечно, желательно, чтобы ошибок не было вовсе, но даже с некоторым количеством ошибок компьютер скорей всего запустится, а там уже можно прошить BIOS штатными средствами.

Данный способ подходит не только для прошивки BIOS материнских плат, но и любых других устройств, имеющих SPI разъем, либо напрямую, любой поддерживаемой микросхемы.  Микросхемы памяти серий 24хх (EEPROM), 25хх (Serial Flash) широко используются в электронике. Такие чипы присутствуют в составе практически любой конструкции современной бытовой и промышленной аппаратуры, где есть процессоры и/или микроконтроллеры. Данный программатор имеет возможность работы с обоими типами памяти.

  В комплект поставки входят сам программатор и переходная плата с двумя посадочными местами под микросхемы памяти в SOIC корпусе.   Они дублируют имеющиеся на нижней стороне платы программатора, и если на плату программатора микросхемы памяти нужно обязательно припаивать, на переходнике можно попробовать прижать микросхему прищепкой или держателем для бумаг.   Так-же на переходнике есть посадочное место для разьема PLD-8 (в комплект не входит, я впаял 2хPLS-4), предназначенного для подключения прищепки или шлейфа программирования.Аппаратная часть (Hardware).   Программатор выполнен на базе микроконтроллера «USB Bus Convert Chip» серии CH341A. Он рассчитан на физическое подключение к порту USB 2.0 компьютера, при подключении через хаб-удлиннитель программатор у меня работал с ошибками (может у меня хаб такой). Модуль программирования памяти собран на плате размерами 63х27мм (без учета USB разьема, с разьемом 84х27мм) из черного стеклотекстолита. Схема программатора:   В распоряжении автора есть два экземпляра этого программатора, приобретенные в разное время, визуально их можно отличить по названию, один (более ранний) называется «CH341A Mini Programmer«, второй «CH341A MinProgramment«. Схемы одинаковые, различаются только цветом светодиода «RUN«. На первом зеленый, на втором желтый.   Некоторые схемные обозначения на конкретном программаторе могут немного отличаться, например самовосстанавливающийся предохранитель F1 (fuse) может обозначаться как R1. В инете встречались упоминания, что в эту позицию иногда ставят резистор нулевого сопротивления т.е. перемычку. У меня как и положено на обоих стоят предохранители ~400mA, сопротивление 0,92Ом, маркировка на корпусе «5». Также на плате часто отсутствует схемное обозначение резисторной сборки PR1. Более грамотное обозначение схемных элементов программатора можно посмотреть на изображении верхней стороны платы от магазина WAVGAT (на AliExpress):   Особых отличий от даташита схема не имеет, разве что на блокировочных конденсаторах по питанию сильно экономили. Питание 5V от USB подается на вывод 28, на выходе 9 внутреннего стабилизатора блокировочный конденсатор.   Т.к. на выводах ввода/вывода напряжение соответствует 5V уровням, в основном это устройство на 5V, правда в инете много упоминаний и о программировании им микросхем на 3.3V без каких либо ошибок и отрицательных последствий. Выход отдельного стабилизатора AMS1117-3.3 в схеме не задействован и просто выведен на выходной ZIF разьем и на контакт боковой гребенки SPI.   В даташите указан способ сделать уровни на выходах совместимыми с 3.3V. Для этого необходимо соединить выводы 28 и 9 и подать на них 3.3V, при этом внутренний стабилизатор просто не используется. Но при этом 3.3V уровни также будут на на переходнике USB <-> RS232, что иногда не приемлемо. Также на Ali сушествует другая версия этого программатора, скомпонованная немного по другому и выполненая на зеленом текстолите. Читал, что там на вывод 28 подается 3.3V от внешнего стабилизатора, но выводы 28 и 9 не соединены, и это нормально работает. В любом случае, уровни на переходнике USB <-> RS232 и здесь будут 3.3V.   Если планируется программирование флешек 1.8V через основной разьем необходимо дополнительно приобрести модуль 1.8V-adapter. Бонусом является то, что переделать его для поддержки и уровней 3.3V несложно, надо лишь закоротить вход/выход стабилизатора 1.8V дополнительным джампером.   Теперь при наличии джампера адаптер работает с логическими уровнями 3.3V, при отсутствии — 1.8V. Минус тут в том, что стоимость адаптера не намного меньше, чем самого программатора. Но если он уже есть, почему бы его не использовать по полной?   Если для программирования будет использована боковая гребенка SPI, можно поступить проще. На Ali много предложений 4-канального двунаправленного преобразователя уровней на МОП транзисторах за очень небольшие деньги.   Работа этого преобразователя подробно описана в статье «Согласование логических уровней 5В и 3.3В устройств». Схема отличается от рассмотренной в статье только номиналами резисторов (сопротивление меньше — увеличено быстродействие и энергопотребление). За счет добавления дополнительных джампера J1 и двух кремниевых диодов, можно будет программировать как 3.3V, так и 1.8V флешки.   Резисторы 2,2 кОм отделяют выводы #WP и #HOLD флешки от шины питания. Светодиод — индикатор наличия напряжения.Программная часть (Software), драйвер.   Перед применением программатора необходимо инсталировать в Windows его драйвер(а), легко находятся в инете, я брал из архива программы AsProgrammer. Программатор поддерживает два режима, они переключаются аппаратно джампером J1. Применен интересный прием, при переключении джампера у чипа меняется Device ID на шине USB. Это вынуждает Windows найти подходящий по VID/PID драйвер и подключить его.   При джампере в положении «1-2» по VID_1A86&PID_5512 подгружается драйвер «USB-EPP/I2C… CH341A«. Он создает в диспетчере устройств раздел «Interface» в который и устанавливается.   В этом случае чтение, верификация, запись чипов памяти должны осуществляться непосредственно через ZIF-панель программатора CH341A или через боковой разьем Р2 с интерфейсом SPI.   При джампере в положении «2-3» по VID_1A86&PID_5523 подгружается драйвер «USB-SERIAL CH341A«. В диспетчере устройств найти его можно в разделе «Порты (COM и LPT)«. Там же можно посмотреть и номер присвоенного СОМ порта.   При этом программирование может производиться только через интерфейс RS232 TTL на разьеме Р1 (там же где и джампер), если целевое устройство поддерживает такой способ (встроенный загрузчик или монитор).Программная часть (Software), программа прошивальщик.   С программатором CH341A на программном уровне обычно рекомендуется китайский (есть русификация) родственный софт «CH341A — USB Programmer». Но в то-же время в инете достаточно много жалоб на его глючность и нестабильность, особенно версий выше 1.18. CH341A — USB Programmer версий 1.30, 1.29 не может нормально работать (читать и записывать) с чипами памяти объемом более 8MByte/64MBit. Примерно после адреса 0800000 начинают сыпаться хаотичные ошибки.   Поэтому я не стал наступать на эти грабли повторно, и с самого начала использовал программу «AsProgrammer» от участника сообщества Tifa, последняя версия 1.4.0. Скачать можно на форуме, топик форума показывается в лог-окне программы при запуске. Если кто-то захочет полазить в исходниках, проект есть на GitHub (если правильно понял, проект на Free Pascal, Lazarus).   Кроме поддержки 24 и 25 серий микросхем памяти, программа работает и c 45 серией, поддерживает серию ST M95 и память microwire (только для данного программатора). Все схемы подключения есть в архиве программы. Полный список поддерживаемых микросхем памяти можно посмотреть в каталоге программы в файле chiplist.xml.   Программа не требует установки, включает в архив драйверы для обоих режимов программирования СН341А. Log-файл работы программы с флешкой W25Q128FW, 16Мб, 1.8V через «1.8V-adapter«:За все время работы с данной программой (прошивал ~5 вариантов BIOS) ни одного сбоя или ошибки.   Линуксоидам использовать стороннюю программу нет необходимости, стандартный прошивальщик Flashrom полностью поддерживает данный программатор (должен быть собран с поддержкой ключа «-ch341a»).Доработка 1. Подтяжка сигналов #WP и #HOLD.   В программаторе линии сигналов #WP и #HOLD посажены непосредственно на шину питания. Это мешает сбросить/установить бит QE во втором регистре статуса (25хх). В даташитах на микросхемы памяти есть предупреждения по этому поводу, вот из даташита на W25Q128FW:WARNING: If the /WP or /HOLD pins are tied directly to the power supply or ground during standard SPI or Dual SPI operation, the QE bit should never be set to a 1.   Для исправления этого недостатка надо отсоединить ноги #WP (pin 3) и #HOLD (pin7) от VCC и подключить их к VCC через резисторы 2.2-4.7 кОм.   На «чёрном программаторе» советуют это делать так (привязка к схеме, нумерация контактов относительно ZIF разьема), дорожка между контактами 11-12 перерезается (#HOLD), между контактами впаивается резистор, дорожка от 11 контакта ведущая к 7 (#WP) перерезается у 11 контакта, проводок напаивается с 12 контакта к отрезанной дорожке, та же дорожка перерезается перед 7 контактом, поверх разреза напаивается резистор:   Как по мне, проще сделать это на переходнике 1.8V-adapter, если задействовать его вторую незанятую половину разьема. Тем более при применении адаптера переделка на плате программатора становится бесполезной, порты у трансмиттера используются как однонаправленные.Доработка 2. Увеличение кол-ва блокировочных конденсаторов по питанию.   Участник сообщества «AlexX1810» предложил добавить на плату программатора три блокировочных конденсатора 0.1 мкФ. По его словам улучшается стабильность работы программатора. Если ориентироваться по схеме, первый конденсатор между 6-7 контактами разьема Р1 (5V), второй между 5-6 контактами разьема Р2 (3.3V), третий между 15-16 контактами ZIF панельки (7-8 контакты разьема I2C, 3.3V). Все впаяны со стороны контактов. У меня во время использования программатора сбоев не было, но хуже во всяком случае не будет.Используемые источники:

• https://www.ixbt.com/live/topcompile/top-10-luchshih-programmatorov-i-debaggerov-s-aliekspress.html
• https://www.toolgir.ru/proshivka-bios-cherez-spi-interface/
• http://we.easyelectronics.ru/part/programmator-spi-i-i2c-mikroshem-pamyati-ch341a-mini-programmer.html