芯片烧录的原理

芯片烧录（也称为编程或烧写）的本质是将编译后的机器码程序和配置信息通过特定协议写入芯片内部的非易失性存储器（通常是Flash或OTP存储器）的过程。其核心原理涉及硬件接口、通信协议、存储单元结构和高压电子学。以下是详细解析：

一、 物理基础：非易失性存储器（NVM）

芯片程序存储在Flash存储器（可重复擦写）或OTP存储器（一次性可编程）中：

Flash存储单元结构

基于浮栅晶体管（Floating Gate Transistor）。

写入（编程）：在控制极施加高压（通常12V），使电子穿越绝缘层（隧穿效应）注入浮栅，改变晶体管的阈值电压（表示0或1）。

擦除：施加反向高压，将电子从浮栅拉出（恢复为1）。

读取：施加低压检测晶体管通断状态。

OTP存储器

通常使用熔丝（Fuse）或反熔丝（Antifuse）：

熔丝型：高压烧断熔丝（开路代表0）。

反熔丝型：高压击穿绝缘层形成通路（短路代表1）。

不可擦除，适合存储密钥或配置字。

二、 烧录过程的核心步骤

连接与供电

烧录器通过编程接口（如ICSP、SWD、JTAG）连接到目标芯片的专用引脚（VDD、GND、CLK、DATA、RESET）。

烧录器提供稳定的编程电压（VPP）（高于芯片工作电压，用于Flash写入/擦除）。

通信协议

烧录器与芯片通过同步串行协议通信（如SPI、I²C或厂商私有协议）。

典型指令：

Chip Erase（全片擦除）

Program Memory（写入程序）

Read Memory（校验）

Write Configuration Bits（写配置字）

数据写入流程

配置字（Configuration Bits）

独立于程序存储区的特殊寄存器，控制芯片底层行为（如时钟源、看门狗、代码保护）。

错误配置会导致芯片无法工作（如选错时钟源）。

三、 烧录器的关键作用

协议转换器

将PC端的USB/UART信号转换为芯片能识别的编程协议信号（如ICSP的PGD/PGC时序）。

高压生成器

集成DC-DC升压电路，生成Flash编程所需的高压（5V芯片可能需要12V编程电压）。

时序控制器

精确控制编程脉冲的宽度和时序（纳秒级精度），防止过写损坏存储单元。

数据校验器

烧录后自动读取芯片内容，与原始文件比对（校验和或逐字节比对）。

四、 不同烧录方式的区别

方式	原理	典型接口	适用场景
离线烧录	烧录器自带存储，脱机操作	专用夹具	量产批量烧录
在线烧录(ICSP)	通过PCB预留接口烧录已焊芯片	ICSP/SWD/JTAG	研发调试、小批量生产
Bootloader	芯片通过UART/USB自更新程序	UART/USB	固件远程升级

五、 为什么需要专用烧录器？

高压需求：普通IO口无法提供Flash编程所需高压。

协议私有化：不同芯片厂商（如硕飞、Microchip、ST）使用私有编程算法（如PIC的LVPP协议）。

时序严苛：编程脉冲宽度、时钟频率需严格符合芯片手册要求。

安全机制：绕过代码保护区需特殊指令序列。

六、 典型错误与物理限制

错误类型：

通信失败（接线错误/电压不稳）

校验错误（存储单元损坏/时序偏差）

配置字错误（芯片锁死）

物理限制：

Flash寿命：约10万次擦写（超出后存储单元失效）。

OTP熔丝：烧断后不可逆。

高压损伤：编程电压过高或时间过长会击穿绝缘层。

审核编辑 黄宇