芯片燒錄（也稱為編程或燒寫）的本質(zhì)是將編譯后的機器碼程序和配置信息通過特定協(xié)議寫入芯片內(nèi)部的非易失性存儲器（通常是Flash或OTP存儲器）的過程。其核心原理涉及硬件接口、通信協(xié)議、存儲單元結(jié)構(gòu)和高壓電子學(xué)。以下是詳細解析：

一、 物理基礎(chǔ)：非易失性存儲器（NVM）

芯片程序存儲在Flash存儲器（可重復(fù)擦寫）或OTP存儲器（一次性可編程）中：

Flash存儲單元結(jié)構(gòu)

基于浮柵晶體管（Floating Gate Transistor）。

寫入（編程）：在控制極施加高壓（通常12V），使電子穿越絕緣層（隧穿效應(yīng)）注入浮柵，改變晶體管的閾值電壓（表示0或1）。

擦除：施加反向高壓，將電子從浮柵拉出（恢復(fù)為1）。

讀取：施加低壓檢測晶體管通斷狀態(tài)。

OTP存儲器

通常使用熔絲（Fuse）或反熔絲（Antifuse）：

熔絲型：高壓燒斷熔絲（開路代表0）。

反熔絲型：高壓擊穿絕緣層形成通路（短路代表1）。

不可擦除，適合存儲密鑰或配置字。

二、 燒錄過程的核心步驟

連接與供電

燒錄器通過編程接口（如ICSP、SWD、JTAG）連接到目標芯片的專用引腳（VDD、GND、CLK、DATA、RESET）。

燒錄器提供穩(wěn)定的編程電壓（VPP）（高于芯片工作電壓，用于Flash寫入/擦除）。

通信協(xié)議

燒錄器與芯片通過同步串行協(xié)議通信（如SPI、I2C或廠商私有協(xié)議）。

典型指令：

Chip Erase（全片擦除）

Program Memory（寫入程序）

Read Memory（校驗）

Write Configuration Bits（寫配置字）

數(shù)據(jù)寫入流程

配置字（Configuration Bits）

獨立于程序存儲區(qū)的特殊寄存器，控制芯片底層行為（如時鐘源、看門狗、代碼保護）。

錯誤配置會導(dǎo)致芯片無法工作（如選錯時鐘源）。

三、 燒錄器的關(guān)鍵作用

協(xié)議轉(zhuǎn)換器

將PC端的USB/UART信號轉(zhuǎn)換為芯片能識別的編程協(xié)議信號（如ICSP的PGD/PGC時序）。

高壓生成器

集成DC-DC升壓電路，生成Flash編程所需的高壓（5V芯片可能需要12V編程電壓）。

時序控制器

精確控制編程脈沖的寬度和時序（納秒級精度），防止過寫損壞存儲單元。

數(shù)據(jù)校驗器

燒錄后自動讀取芯片內(nèi)容，與原始文件比對（校驗和或逐字節(jié)比對）。

四、 不同燒錄方式的區(qū)別

五、 為什么需要專用燒錄器？

高壓需求：普通IO口無法提供Flash編程所需高壓。

協(xié)議私有化：不同芯片廠商（如碩飛、Microchip、ST）使用私有編程算法（如PIC的LVPP協(xié)議）。

時序嚴苛：編程脈沖寬度、時鐘頻率需嚴格符合芯片手冊要求。

安全機制：繞過代碼保護區(qū)需特殊指令序列。

六、 典型錯誤與物理限制

錯誤類型：

通信失敗（接線錯誤/電壓不穩(wěn)）

校驗錯誤（存儲單元損壞/時序偏差）

配置字錯誤（芯片鎖死）

物理限制：

Flash壽命：約10萬次擦寫（超出后存儲單元失效）。

OTP熔絲：燒斷后不可逆。

高壓損傷：編程電壓過高或時間過長會擊穿絕緣層。

審核編輯 黃宇