Загрузка через программатор


В этом уроке мы рассмотрим загрузку прошивки в ардуино через внешние “программаторы”. Давайте вспомним, о чем уже говорили в одном из первых уроков: загрузка прошивки в Arduino возможна двумя способами:

  • “Напрямую” во flash память микроконтроллера при помощи ISP (In System Programming) внутрисистемного программатора.
  • При помощи загрузчика (bootloader), который живёт в начале flash памяти МК, принимает программный код по протоколу TTL (UART) и записывает его во flash память.

USB-TTL (UART)


Этот способ реализован прямо на платах Arduino при помощи USB-TTL (USB-UART) преобразователя, именно поэтому мы можем подключить плату к компьютеру и загрузить код. USB-TTL позволяет только загрузку данных во flash, остальные возможности (как у ISP программатора) ему недоступны. В то же время он ограничен только возможностями загрузчика, но в этом уроке мы рассматриваем только стандартные. Также USB-TTL мост позволяет микроконтроллеру общаться с компьютером по последовательному соединению (тот самый Serial и монитор com порта).

Есть платы без бортового USB-TTL, например Arduino Pro Mini. Для работы с ними нужно купить внешний USB-TTL преобразователь. Также загрузка прошивки через UART возможна и в “голый” микроконтроллер при условии наличия там загрузчика, который запишет принятый код во flash. Про запись загрузчика мы поговорим ниже.

UART “загружатор” подключается к пинам RX и TX Ардуино (или микроконтроллера), RX->TX и TX->RX, также обязательно подключается земля GND. Если у прошиваемой платы нет своего питания, то подключается и питание. Загрузчик отрабатывает при запуске МК, поэтому непосредственно перед загрузкой прошивки МК должен быть сброшен (перезагружен), и для этого на платах USB-UART есть вывод DTR (Data Terminal Ready), который подключается к пину RST (Reset) микроконтроллера и собственно выполняет сброс перед перед загрузкой прошивки.

USB-TTL Arduino
DTR DTR
RX TX
TX RX
GND GND
VCC/5V/3.3V VCC

Китайцы выпускают USB-TTL модули в широком ассортименте, но в целом они все одинаковые по своей сути. Ссылка на результат поиска на aliexpress, и ссылка на все USB-TTL в моём любимом магазине WAVGAT. Что использую я? В основном платку на CP2102. Перед заказом модуля обязательно убедитесь в том, что у него есть выход DTR, иначе этот модуль можно будет использовать только для “общения” с контроллером через COM порт.

Для работы с таким преобразователем нужно установить драйвер для чипа, на базе которого собран модуль, это может быть CP2102, CH340/341, FT232, PL2303 и другие. Прошивка загружается как обычно: выбираем порт, на котором сидит преобразователь, версию загрузчика и жмём загрузить, всё! Важный момент: на некоторых китайских версиях плат Arduino Pro Mini не распаян пин DTR, т.е. он не идёт на RST и автоматический сброс перед загрузкой прошивки не выполняется. В этом случае сброс нужно производить вручную, кнопкой RST, непосредственно перед загрузкой прошивки…

Загрузка прошивки посредством загрузчика (bootloader) возможна с любого UART устройства, даже через Bluetooth. Но об этом мы поговорим в отдельном уроке.

Фьюзы


Фьюзы (фьюз-биты) являются низкоуровневыми настройками микроконтроллера, которые хранятся в специальном месте в памяти и могут быть изменены только при помощи ISP программатора. Это такие настройки как выбор источника тактирования, размер области памяти под загрузчик, настройка отсечки по напряжению и прочее. Фьюз-биты собраны по 8 штук в байты (т.н. байты конфигурации), как типичный регистр микроконтроллера AVR. Таких байтов может быть несколько, они называются low fuses, high fuses, extended fuses. Для конфигурации байтов рекомендуется использовать калькулятор фьюзов (например, вот такой), в котором просто ставятся галочки на нужных битах, и на выходе получается готовый байт в hex виде. Рассмотрим на примере ATmega328p:

Важный момент: в AVR биты у нас инверсные, то есть 1 это выкл, 0 это вкл. Расставляя галочки в калькуляторе, мы формируем байт, галочка стоит – бит включен, но в результирующем байте включенные биты являются нулями. Об этом стоит задумываться при ручном составлении фьюз-байта, при использовании калькулятора можете об этом даже не вспоминать.

Что позволяют настроить биты?

  • CKSEL0CKSEL3 – выбор источника и частоты тактирования (уточняй в даташите на свой МК, какая конфигурация за что отвечает)
  • SUT0SUT1 – задержка старта МК после перезагрузки
  • CKOUT – дублирование тактирования на один из пинов (см. в даташите на какой)
  • CKDIV8 – делит тактовую частоту на 8
  • BOOTRST – если включен, МК запускается с загрузчика
  • BOOTSZ0BOOTSZ1 – задаёт размер сектора загрузчика
  • EESAVE – защита EEPROM от стирания во время выполнения полной очистки чипа
  • WDTON – если включить, то Watchdog будет принудительно включен без возможности отключения
  • SPIENопасный бит, при его отключении пропадает возможность прошивки через ISP, и возможность выключить этот бит в том числе*
  • DWEN – вкл/выкл отладочный интерфейс DebugWire. На других моделях бывает и JTAG, и его бит – JTAGEN
  • BODLEVEL0BODLEVEL3 – настройка контроля напряжения (МК сбросится при падении ниже установленного напряжения)

* – прошивка возможна при помощи высоковольтного программатора

Лок-биты


Лок-биты (lock-bits) позволяют управлять доступом к памяти микроконтроллера, что обычно используется для защиты устройства от копирования. Лок-биты собраны опять же в конфигурационный лок-байт, который содержит: BOOTLOCK01, BOOTLOCK02, BOOTLOCK11, BOOTLOCK12, LOCKBIT1, LOCKBIT2 (для ATmega328). Калькулятор лок-битов можно использовать этот.

BOOTLOCK биты позволяют запретить самому МК запись (самопрограммирование) во flash память (область программы и область загрузчика)А вот локбиты LOCKBIT позволяют запретить запись и чтение flash и EEPROM памяти извне, при помощи программатора, т.е. полностью защитить прошивку от скачивания и копирования:Таким образом включив LOCKBIT1 (лок-байт будет 0x3E) мы запретим внешнюю запись во Flash и EEPROM память, т.е. при помощи ISP программатора, а включив LOCKBIT1 и LOCKBIT2 (лок-байт: 0x3C) полностью заблокируем заодно и чтение данных из памяти микроконтроллера. Повторюсь, всё описанное выше относится к ATmega328p, для других моделей МК читайте в соответствующих даташитах.

ISP программатор


Помимо записи данных во flash память, ISP программатор позволяет считывать её содержимое, полностью очищать, записывать загрузчик, считывать/записывать EEPROM память, а также перенастраивать фьюзы (fuses, fuse-bits) и лок биты. Также ISP программатор ваш единственный друг при работе с “голым” микроконтроллером. Давайте обо всём по порядку.

USBasp


Дешёвые ISP программаторы также есть в ассортименте у китайцев, рекомендую брать USBasp как самый распространенный. Поискать на алиэкспресс, мне нравится версия в корпусе. USBasp имеет не очень удобный выход 10-пин на шлейфе, поэтому рекомендуется купить также переходник 10-пин на 6-пин, который позволяет сразу подключаться к ISP header’у, который есть на большинстве плат Arduino. Внимание! Очень часто встречается брак в виде непропая контактов, поэтому во избежание проблем рекомендуется пропаять переходник и отмыть флюс (зубная щётка + бензин калоша).Быстрый старт:

  • Подключить usbasp к компьютеру
  • Скачать и установить драйвера на usbasp (скачать с моего сайта, скачать с Яндекс диска, ещё есть тут и тут)
  • Открыть диспетчер устройств и убедиться, что программатор определился системой
  • Открыть Arduino IDE
  • Выбрать usbasp в Инструменты > Программатор

Решение большинства проблем с загрузкой через программатор (независимо от того, что написано в логе ошибки):

  • Вытащить и обратно вставить usbasp в usb порт
  • Вставить в другой usb порт
  • Переустановить драйвер на usbasp
  • Проверить качество соединения USBasp с МК
  • Перепаять переходник и отмыть флюс

Arduino as ISP


Почти любая другая плата Arduino может стать ISP программатором, для этого нужно просто загрузить в неё скетч ArduinoISP:

  • Открыть скетч Файл > Примеры > 11. ArduinoISP > ArduinoISP
  • Всё! Ваша Arduino теперь стала ISP программатором
  • Подключаем к ней другую Arduino или голый чип по схеме ниже
  • Выбираем Arduino as ISP в Инструменты > Программатор
  • И можем писать загрузчики, фьюзы или загружать прошивку напрямую во Flash

Решение проблем


Для прошивки микроконтроллера, тактирующегося низкой частотой (менее 1 МГц внутренний клок):

  • Arduino ISP: нужно изменить частоту загрузки прошивки в скетче Arduino ISP и снова прошить его в ардуино-программатор (см. строку в скетче 45 и ниже);
  • USBasp: на плате есть перемычка JP3, которая включает режим низкой скорости загрузки. В новых версиях прошивки для USBasp скорость выбирается автоматически, но китайцы продают старую версию. Как прошить новую – ищите в интернете.

Подключение


ISP программатор подключается к четырем пинам микроконтроллера, не считая питания, один из пинов передает сброс, остальные служат для передачи данных. В случае с Ардуино в роли программатора, на плату-программатор рекомендуется поставить конденсатор ёмкостью ~10 мкФ на пин RST.

Arduino IDE & ISP


Загрузчик

Из Arduino IDE при помощи ISP программатора мы можем записать другой загрузчик (по факту загрузчик + фьюзы) и загрузить скетч, а также настроить/прошить фьюзы и лок-биты, но не очень удобным способом. Когда мы выбираем плату в Инструменты > Плата и загрузчик в Инструменты > Плата (загрузчик, bootloader), Arduino IDE автоматически делает “активным” нужный загрузчик. Нажимая Инструменты > Записать загрузчик мы прошиваем загрузчик, соответствующий выбранной плате и её настройкам. Также одновременно с загрузчиком прошиваются фьюзы и лок-биты, соответствующие выбранной плате в Arduino IDE. Как и где их поменять, смотрите чуть ниже.

Рассмотрим на примере записи загрузчика для atmega328, стоящей на китайской плате Arduino NANO. На данный момент китайцы прошивают в МК старую версию загрузчика, которая называется old bootloader в меню платы. Оригинальные платы идут с более современным загрузчиком, поэтому при работе с китайскими платами нам приходится выбирать old bootloader для загрузки прошивки через бортовой usb порт. Подключим usbasp по схеме выше, выберем его как программатор в Инструменты > Программатор, выберем плату Arduino NANO, загрузчик для atmega328 (первый в списке). Нажмём записать загрузчик. Всё! Теперь плату можно шить через бортовой usb порт, выбирая первый загрузчик. Он кстати легче, быстрее “прошивает” и сама прошивка быстрее “запускается”.

Загрузка скетча

Через Arduino IDE можно зашить скетч через программатор, для этого надо нажать Скетч > Загрузить через программатор. Это очень удобно в том случае, когда МК используется без загрузчика.

Фьюзы

Конфигуратор платы в Arduino IDE устроен следующим образом: каждой плате в Инструменты > Плата соответствует свой набор настроек, включая фьюзы, которые прошиваются вместе с загрузчиком. Некоторые из них:

Загрузчик (путь к файлу)

  • Скорость загрузки (через загрузчик)
  • Объем доступной flash и sram памяти
  • Весь набор фьюзов и лок-биты

Файл конфигурации называется boards.txt и найти его можно в папке с ядром Arduino: C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\boards.txt. Документацию на boards.txt можно почитать здесь. При желании можно вывести нужные фьюзы через калькулятор (читайте выше), изменить их в boards.txt (главное не запутаться, для какой выбранной конфигурации платы делается изменение) и прошить в МК, нажав Инструменты > Записать загрузчик.

  • Фьюзы подписаны как low/high/extended fuses, можно вставлять полученное в калькуляторе значение.
  • Локбиты работают следующим образом: unlock_bits это локбиты, которые прошьются до записи загрузчика (при нажатии на кнопку Записать загрузчик). А вот после прошивки загрузчика будут автоматически прошиты lock_bits, которые и определят доступ к памяти контроллера во время его работы. Чтобы защитить прошивку от чтения – ставим lock_bits 0x3C.

Такая работа с фьюзами максимально неудобна, но есть и другие варианты:

  • Ядро GyverCore для atmega328, в нем мы сделали кучу готовых настроек фьюзов прямо в настройках платы, читайте в уроке про GyverCore. Несколько загрузчиков, включая вариант без загрузчика, выбор источника тактирования и другие настройки в один клик мышкой.
  • Программа AVRdudeprog, про нее поговорим ниже

Avrdudeprog


Avrdudeprog – утилита от нашего программиста, являющаяся удобной оболочкой для avrdudue. Скачать AVRDUDE_PROG можно с официального сайта, прямая ссылка на загрузку, на всякий случай зеркало на моём ЯД и FTP этого сайта. В рамках этого урока, программа умеет следующее:

  • Чтение/запись/очистка flash памяти
  • Чтение/запись/очистка eeprom памяти
  • Полная очистка чипа
  • Калькулятор фьюзов и локбитов (чтение/запись)

Более подробный обзор на avrdudeprog можно посмотреть здесь. Давайте посмотрим на калькулятор фьюзов. Выбираем свой микроконтроллер и программатор (можно добавить другие модели микроконтроллеров и программаторов, читай тут). Переходим во вкладку Fuses, нажимаем прочитать. При успешном чтении увидим текущий набор настроек своего чипа. Можно их поменять и загрузить. Важно! Галку инверсные биты не трогаем! Лок-биты и отключение RST заблокирует микроконтроллер, не трогайте их, если такой цели нет! Можно загружать прошивку или загрузчик из .hex файла, указав путь к ней на первой вкладке в окне Flash. Очень удобная утилита для низкоуровневой работы с МК.

Важные страницы


  • Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
  • Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
  • Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
  • Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
  • Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете