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Programador SPI con Motherboard En este proyecto se intentó utilizar la interfaz SPI que utiliza una placa madre para leer el integrado que contiene el BIOS y posteriormente poder borrarlo y regrabarlo, todo esto sin interferir en el funcionamiento del equipo y permitiendo regrabar cualquier integrado de la familia 25XXX.

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Breve introducción teórica.

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Sería muy sencillo hacer un documento con los diagramas y alguna que otra explicación pero se dejaría atrás mucha información útil, se aprendería muy poco y solo le sería útil a un eventual flojo con pocas ganas de leer y aprender. Por lo tanto aquí se agrupa toda la información que utilice para desarrollar el programador, un poco resumida para no alargar tanto el documento pero suficiente para entender los principios que utilicé para construirlo.

Protocolo SPI (Serial Peripheral Interface) - Wikipedia

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El Bus SPI (del inglés Serial Peripheral Interface) es un estándar de comunicaciones, usado principalmente para la transferencia de información entre circuitos integrados en equipos electrónicos. El bus de interfaz de periféricos serie o bus SPI es un estándar para controlar casi cualquier dispositivo electrónico digital que acepte un flujo de bits serie regulado por un reloj (comunicación sincrónica). Incluye una línea de reloj, dato entrante, dato saliente y un pin de chip select, que conecta o desconecta la operación del dispositivo con el que uno desea comunicarse. De esta forma, este estándar permite multiplexar las líneas de reloj. Muchos sistemas digitales tienen periféricos que necesitan existir pero no ser rápidos. La ventajas de un bus serie es que minimiza el número de conductores, pines y el tamaño del circuito integrado. Esto reduce el coste de fabricar, montar y probar la electrónica. Un bus de periféricos serie es la opción más flexible cuando se tiene tipos diferentes de periféricos serie. El hardware consiste en señales de reloj, data in, data out y chip select para cada circuito integrado que tiene que ser controlado. Casi cualquier dispositivo digital puede ser controlado con esta combinación de señales. El diagrama básico de un sistema SPI es el siguiente, en él se tiene un dispositivo que actúa en modo Master y otro u otros que se comportan como Slave (Esclavo). Puntualmente en el caso de este proyecto el dispositivo que actúa como Master sería la placa madre de la PC mientras que el dispositivo Slave sería el integrado de la BIOS.

Como se ve en la imagen el protocolo SPI consta básicamente de 4 buses, aunque en el integrado de la placa veremos un total de 6 sin contar las líneas VCC y GND.

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SCLK: (Clock): Pulso que marca la sincronización. Con cada pulso se lee o se envía un bit. MOSI - DO: (Master Output Slave Input): Salida de datos del Master y entrada de datos al Slave. MISO - DI: (Master Input Slave Output): Salida de datos del Slave y entrada al Master. SS/Select o CS: Para seleccionar un Slave, o para que el Master le diga al Slave que se active. Esas serían básicamente las funciones de cada bus.

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En la siguiente imagen podemos ver la distribución de los pines de cualquier memoria utilizada en las placas madres de cualquier PC o Laptop. Como podemos ver se encuentran presentes los mismos buses aunque en las memorias para placa madre se agregan dos buses más, /WP (Pin 3) y HOLD (Pin 7). Se obviaron los pines 8 y 4 por ser los de alimentación y porque cumplen funciones obvias para cualquier circuito.

/WP: Se utiliza para evitar la escritura accidental de la memoria, lo que dañaría el contenido de la misma haciendo que el equipo no funcione. Durante la programación este pin se utiliza para desactivar la protección contra escritura y permitir la modificación del contenido de la misma. HOLD: Se podría decir que pausa el integrado cuando el mismo está seleccionado por el dispositivo Master como activo a través del pin /CS (Pin 1).

Ahora que se entendió muy básicamente el funcionamiento del protocolo vayamos a los que no importa, el programador.

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El programador surgió de la necesidad de programar ciertas memorias que en un programador CH341A presentaban múltiples errores de lectura, escritura y borrado. La idea es que sea lo más económico posible para su rápida implementación y que le envidie la menor cantidad de características posibles a un programador de los “Ad-Hoc”, modelos comerciales chinos. A continuación el circuito.

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Como se puede apreciar el circuito consta de solamente de cinco componentes, dos resistencias, dos memorias y un interruptor. El programador intenta interferir lo menos posible en el funcionamiento del equipo por lo tanto permite que el mismo arranque de manera normal y posteriormente poder grabar cualquier memoria. Para eso consta de dos zócalos, el zócalo A es fijo y contiene la memoria original de la placa madre con su BIOS original, esto permite el normal arranque, mientras que en el zócalo B se ubican las memorias a grabar, todo esto se conecta a la placa madre en el mismo lugar donde antes se ubicaba la memoria de la BIOS. (Sección verde) El interruptor lo que hace es intercambiar entre una memoria y la otra a través del pin 1 (Chip Select). Al memento de arrancar el equipo el interruptor se deja en la posición “A”, una vez arrancado se mueve a la posición “B” para grabar la memoria que se insertó, cuando el equipo se apaga o se reinicia se vuelve a colocar el interruptor en la posición del chip “A” para que la placa madre lea el integrado y arranque el equipo, en caso de encontrarse en la posición “B” el equipo simplemente no arranca y basta con colocar el interruptor en la posición “A” y reiniciar la placa para que se produzca el arranque de manera normal. Las resistencias de 10K se utilizan mientras cada integrado no está activo y mantienen el Pin 1 en un estado alto (Es decir que si el interruptor se encuentra en la posición “A” el Pin 1 del integrado “B” se mantiene en estado alto a través de la resistencia, desactivando totalmente el mismo. Lo que garantiza que en ningún momento se

habilite el integrado no seleccionado y así se evita que se puedan producir errores de programación o daños a la información de ambos integrados, solo se utiliza uno a la vez. Como verán el funcionamiento es extremadamente sencillo y fácil de implementar. No tiene mayores explicaciones ni hace falta incurrir en descripciones aún más técnicas. Básicamente todos tenemos un programador en nuestras PC’s. y podemos utilizarlo sin arriesgar tanto e invirtiendo muy poco dinero.

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Aquí una imagen del programador en funcionamiento.

Hasta aquí se describió el protocolo SPI y el programador que se construyó. Ahora solo queda describir el software y los pasos a seguir para programar una memoria.

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El programa que se utilizó es Flashrom v0.9.9, es una utilidad para identificar, leer, escribir, verificar y borrar chips flash. Está diseñado para grabación de imágenes BIOS, UEFI, Coreboot firmware u optionROM en placas madre, tarjetas de red, tarjetas gráficas y controladores de almacenamiento, su compatibilidad es realmente alta, es compatible con 476 chips flash, 291 chipsets, 500 placas madres, 79 dispositivos PCI y 17 programadores USB además de ser compatible con varios programadores por puerto paralelo y serie como el programador de Rayer. Es de código abierto y actualmente se encuentra en un grado bastante alto de madurez y estabilidad, es compatible con muchos modelos de chipsets, excepto los de laptop en donde no se garantiza su funcionamiento. No posee interfaz gráfica pero tampoco la necesita ya que es extremadamente fácil de utilizar y por líneas de comandos se pueden llevar a cabo todas sus funciones. Se ejecuta sobre sistemas Windows y Linux, este último fue el elegido para ejecutarlo. Ubuntu 14.04 LTS 32 bits por funcionar mucho mejor en Linux que en Windows. (Flashrom no es compatible con sistemas x64)

Ahora veamos cómo se programa una memoria. En primer lugar se enciende la PC con el interruptor en la posición “A” para que dicha memoria sea leída y permita el arranque, una vez arrancado y ya dentro del S.O se puede mover el interruptor a la posición “B” sin ningún riesgo, el equipo seguirá funcionando normalmente ya que la memoria solo se utiliza durante el arranque. Lo primero que hacemos es ejecutar Flashrom para comprobar su funcionamiento. Como vemos en la imagen Flashrom nos pide que como primera medida identifiquemos que programador

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vamos a utilizar ya es que compatible con muchos modelos inclusive el CH341A. En nuestro caso por ser una placa madre de PC el parámetro a usar es “internal” ya que no existe programador externo sino la misma interfaz que utiliza el chipset para leer la BIOS.

Una vez que ejecutamos Flashrom con el parámetro “internal” podemos ver cómo nos detecta el modelo del chipset, el de la memoria además de indicarnos su capacidad. En la imagen se pueden ver dos detecciones una corresponde a la BIOS original de la PC con el interruptor en posición “A” y vemos que el modelo detectado es MX25L4005 (512Kb, SPI). Luego se cambia el interruptor a la posición “B” y se vuelve a ejecutar el comando, en este caso detecta una memoria A25L40PT/PU. Justo en este caso no pudo especificar automáticamente si se trata de una memora A25L40PT o A25L40PU por lo tanto nos pide que a la hora de programar o leerla especifiquemos con el parámetro “-c <modelo>” el modelo de la memoria.

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Como podemos ver con solo cambiar el interruptor Flashrom puede detectar diferentes memorias sin necesidad de mayores esfuerzos. Ahora veamos cómo se realiza una backup.

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En la imagen podemos ver que se ejecuta flashrom “sudo ./flashrom”, se especifica que el programador es el interno “-p internal”, se especifica el modelo de la memoria (esto solo se realiza cuando Flashrom no puede determinar el modelo exacto) “-c A25L40PU” y por último se realiza la lectura y volcado a un archivo llamado “bios.bin” con el parámetro “-r bios.bin”. Más abajo podemos leer “Reading flash…done” lo que significa que leyó sin problemas toda la memoria. Inmediatamente después se procede a verificar que el contenido del archivo “bios.bin” coincida con los datos almacenados en la memoria. Para ello se ejecuta el mismo comando anterior pero en lugar del parámetro “-r bios.bin” se utiliza el parámetro “-v bios.bin”. Flashrom vuelve a leer el contenido y realiza la comparación, si los datos coinciden más abajo se puede leer “ing flash…VERIFIED” lo que significa que los datos son iguales tanto en la memoria como en el archivo.

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Por último se procede al borrado y grabación de la memoria con la actualización correspondiente.

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Se ejecuta flashrom, se especifica la memoria pero se agrega el parámetro “-E” el cual produce el borrado de toda la memoria (este proceso es irreversible). Más abajo podemos leer “Erasing and writing flash chip…Erase/write done.” Lo que significa que la memoria se borró sin problemas. Por último se vuelven a ejecutar los mismos comandos pero esta vez con el parámetro “-w update.bin” lo que hace que Flashrom grabe el archivo “update.bin” que se encuentra en la misma carpeta. Y para finalizar Flashrom vuelve a leer el contenido y lo compara con el del archivo elegido para la grabación, si todo salió bien podemos leer “ing flash…VERIFIED” y con eso concluye la programación. Una vez realizado esto ya podemos apagar el equipo, no sin antes volver el interrutor a la posición “A” el interruptor. Aclaraciones y ventajas encontradas: La lectura y programación es extremadamente rápida en comparación a un programador USB como el CH341A, con la placa madre utilizada “Gigabyte GA-945GCM-S2C” pude alcanzar tasas de lectura del orden de 1Mb/s (Se leyó una memoria 25Q128 en 15 segundos y se la grabó en aproximadamente 30 segundos. (Una de las características que no esperaba y me parecieron excelentes) La interfaz es completamente nativa del protocolo SPI lo que garantiza programaciones perfectas el 100% de las veces, sin errores. Podría decirse que el programador es “marca Intel”.

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Su implementación es rápida y muy económica, cualquier persona tiene una placa antigua que puede reciclar para este fin con muy buenos resultados. Se necesita muy poca experiencia, solo electrónica básica y conocimientos de Linux básicos. Como “desventaja” se podría decir que no posee interfaz gráfica pero como dije anteriormente tampoco le hace tanta falta, la lectura y escritura es realmente rápida, en caso de que se demore más de un minuto en leer o escribir sabríamos que hay un problema porque en condiciones normales jamás demora tanto (Eso al menos en la placa que yo utilicé, en otra placa donde realicé las mismas pruebas los tiempos fueron un tanto mayores pero en ningún caso demoró lo que demora un CH341A. Hasta acá llegamos, espero que les haya sido de utilidad y puedan implementarlo. Saludos. Elvis.