РадиоКот >Статьи >
Про Arduino IDE, загрузчики (bootloader), программаторы (avrdude.exe), фьюзы, HEX-файлы. В одном флаконе. Не претендуя на оригинальность.
Про Arduino IDE, загрузчики (bootloader), программаторы (avrdude.exe), фьюзы, HEX-файлы. В одном флаконе. Не претендуя на оригинальность.
Для предметности разговора начну с картинки
Нет худа без добра (с).
Пока использовал заводские платы «Arduino UNO» и «Arduino MiniPRO», я не задумывался о том, как работает система в целом. Я просто писал код, нажимал кнопку «Вгрузить» и всё заливалось в микроконтроллер, далее МК, установленный на плате (ATmega328). В этом и заключается прелесть экосистемы «Arduino».
Сподвигла написать данный опус проблема. Никак мне удавалось залить исходную программу, далее СКЕТЧ, из Arduino IDE в нестандартный для неё МК «ATmega8L» с кварцем 8МГц стандартным способом, т.е. через USB-порт (на самом деле через преобразователь USB- UART). Это кратко. Теперь начну рассказывать, какую важную информацию я «наковырял» и как решил свою проблему.
Немного общей теории.
Для того, что бы залить (прошить, загрузить, UPLOAD) скетч в ATmega8L из Arduino IDE через USB-порт, нужен преобразователь, который преобразует информацию, передаваемую по USB-интерфейсу(каналу, дороге, линиям) в сигналы последовательного канала UART. Т.е. должны получиться определенные уровни сигналов – интерфейс (RS232, RS485) и определенные длительности сигналов (протокол).
Что бы принять информацию, поступающую в ATmega8L по UART (физически через выводы Rx, Tx) в МК должна быть ПРЕДВАРИТЕЛЬНО загружена программа, которая настраивает определенные выводы МК как Rx и Tx, и умеет обрабатывать полученную через них информацию. Эта программа называется ЗАГРУЗЧИК или по англицки BOOTLOADER.
(Отступление. ЗАГРУЗЧИКи бывают для разных интерфейсов и, соответственно, протоколов. Программа-программатор, заливающая информацию, должна соответствовать имеющемуся ЗАГРУЗЧИКу. И наоборот - прошитый ЗАГРУЗЧИК должен соответствовать управляющей программе-программатору. Грубо говоря - это «папа» и «мама» одного разъема. Очень часто для МК фирмы ATMEL «папой» является программа avrdude.exe).
Итак, посредством USBasp-платы и avrdude.exe я залил ЗАГРУЗЧИК в ATmega8L. Залитый ЗАГРУЗЧИК должен учитывать определенные физические характеристики МК. В моем случае это то, что МК работает с внешним кварцем на частоте 8МГц (в рамках данной статьи этой характеристики достаточно). Заливка ЗАГРУЗЧИКа происходит просто и жестко – как указал разработчик МК. Не залить HEX-файл (FIRMWARE) ЗАГРУЗЧИКа при минимальном количестве извилин, прямых руках, исправных деталях и правильном соединении просто невозможно.
А почему же тогда возникает проблема залить скетч? Ответ есть выше. Предварительно прошитый ЗАГРУЗЧИК должен соответствовать настройкам «программы-заливатору» (от слова «программатор») и, конечно же, преобразователю интерфейса (плате-программатору). Если идиот подключит два проводка от Rx и Tx ATmega8 к двум выводам разъема USB, то ничего не прошьется. Поэтому на платах-преобразователях останавливаться не буду. Единственно напомню, что ISP-программаторы - это программаторы «железа», которые работают на самом низком уровне и позволяют настраивать МК почти как угодно в пределах возможного.
Вот и нарисовался главный вопрос: Как определить, что имеющийся в МК ЗАГРУЗЧИК соответствует программе-программатору (в рамках данной статьи – Arduino IDE)? Если кратко – то никак!!! И не поможет вам ни осциллограф, ни анализатор. С помощью анализатора можно увидеть длительности каких-то сигналов и максимум, что можно определить – используемую ЗАГРУЗЧИКом скорость, если он будет что-нибудь выдавать по линии Tx. Но даже если скорость будет согласованная, а считанная информация читабельна, это не скажет нам ровным счетом ничего. Единственный способ подружить ЗАГРУЗЧИК в МК и «программу-заливатор» – это читать и следовать информации разработчика ЗАГРУЗЧИКа.
И вот здесь мы подходим к главному плюсу и недостатку одновременно Arduino IDE – дружелюбному интерфейсу для начинающего пользователя. Читай: скрытие всех системных настроек программы от пользователя.
Продолжаю. Итак, мы прочитали информацию от разработчика ЗАГРУЗЧИКа как прошивать его ЗАГРУЗЧИК и как потом загружать HEX-файлы в МК. НО СТОП! В Arduino IDE нет понятия «ЗАГРУЗЧИК», «HEX-файл». Здесь я вынужден прервать рассказ, вернуться к первой картинке и рассказать «с высоты птичьего полета» как устроена Arduino IDE.
1) Грубо говоря, программная платформа «Arduino IDE» предоставляет нам только убогий (для профи) и замечательный для экосистемы «Arduino» интерфейс для написания скетчев и легкой настройки (плата, порт, программатор). При нажатии кнопки «Проверить»(скетч) в дело вступает «наемный профессионал» - компилятор avr-gcc.exe, который преобразует нашу гениальную программу в вид, принимаемый программой-программатором – HEX-файл. Если скетч преобразовался (скомпилировался) и получился HEX-файл, то можно приступить ко второму шагу(смотри картинку1).
2) Запустить программу-программатор с определенными параметрами, что бы HEX-файл «скормить», например, через преобразователь USB-UART, ЗАГРУЗЧИКу МК. Из данной схемы видно, что если автор ЗАГРУЗЧИКа использует в качестве программы-программатора, например, классическую «дудку» (avrdude.exe), то нам вовсе необязательно мучится с настройками платформы «Arduino IDE», спрятанными в фиг знает каких файлах и фиг знает в каком формате. Мы можем просто написать свой bat(cmd, скрипт)-файл и запускать его как для компиляции проекта (avr-gcc.exe), так и для заливки HEX-файла в МК (avrdude.exe). А дальше процесс происходит практически на уровне железа.
3) Драйверы операционной системы преобразуют информацию так, что бы она была понятной подключенным USB-устройствам. В представленной схеме я показал два варианта:
4) 1-й вариант с USB-UART -преобразователем и МК с обязательным (5.1) ЗАГРУЗЧИКом. 2-й вариант с аппаратным USBasp-программатором и (5.2)МК (ЗАГРУЗЧИК не нужен, хотя может иметься).
Какие можно сделать выводы, глядя на представленную картинку?
1. НЕ НАДО устраивать танцы с бубном, если не происходит в Arduino IDE компиляция проекта. Заходим на сайт разработчика компилятора для требуемого МК (ATmega, ESP8266 и т.п.) и читаем, какая среда требуется для компиляции проекта, и с какими опциями надо запустить компиляцию. Часто это будет быстрее и проще, чем пытаться подружить Arduino IDE с нужным МК. Да, для этого надо обладать определенным уровнем знаний не на уровне электрика.
2. Тоже самое можно сказать и о случае, если не происходит заливка HEX-файла в МК через ЗАГРУЗЧИК. Вводим в командной строке рекомендуемую для данного ЗАГРУЗЧИКа команду и получаем результат. Если результат отрицательный, то почти сразу знаем куда «копать». Либо проблема с драйверами ОС, либо дохлая ножка Rx, либо косяк разработчика и на худой конец – проблема в ДНК пользователя.
Вроде всё, о чем я рассказал, есть в интернете, но часто для начинающего ардуинщика непонятно, нужна ли ему некая информация и как ею воспользоваться. Это как на первом курсе универа нас пичкают производными, интегралами, матрицами и у студента растет естественное чувство «А нафига нам это надо?». А потом какой-нибудь практик возьмет и покажет, как использовать для решения реальных задач эту «вышку». И наступает «дзен». Вдруг резко всё, что валялось в голове в виде ненужного хлама, раскладывается по полочкам и ты понимаешь, что стал ИНЖЕНЕРОМ.
К сожалению это не всё, что надо бы знать начинающему ардуинщику. Кое-что расскажу о ЗАГРУЗЧИКЕ (bootloader) подробней.
Что же надо знать о ЗАГРУЗЧИКе, что бы осознанно им пользоваться?
1)Размер загрузчика.
2)Область памяти, в которую он загружается.
3)Фьюзы, которые должны быть использованы с загрузчиком.
4)Скорость для UART.
5)Частоту МК, под которую рассчитан ЗАГРУЗЧИК.
6)Ну и конечно же, под какой МК рассчитан ЗАГРУЗЧИК.
7)Внешнее проявление работающего ЗАГРУЗЧИКа.
8)Критерий для запуска ЗАГРУЗЧИКА.
1) Загрузчик имеет некий размер. Есть МК, у которых мало памяти, и разместить ЗАГРУЗЧИК просто нет места. Или место есть, но не останется места для программы пользователя. Загрузчик – это все таки только программа-посредник для нашего удобства.
2) В МК ATmega Загрузчик может заливаться (условно говоря) в одну из 4х верхних областей Flash-памяти.
3) Соответственно фьюзами задаем область памяти МК, в которой находится ЗАГРУЗЧИК, что бы МК знал, с какого адреса запускать программу в МК после «Reset» или другого события.
4) В экосистеме «Arduino» используется ЗАГРУЗЧИК по UART. А для этого протокола важна скорость. Если Загрузчик настроен на одну скорость обмена информацией, а программа-программатор(avrdude.exe) на другую, то загрузки HEX-файла в память МК не произойдет.
5) МК может работать с разными тактовыми частотами. Чем ниже частота – тем меньше потребляемая мощность. Если залить ЗАГРУЗЧИК, не рассчитанный на используемую МК тактовую частоту, то как минимум будет проблема в несогласованной скорости UART. Т.е. скетч вряд ли загрузится в МК, а если ЗАГРУЗЧИК без контроля ошибок, то может загрузиться черт знает что.
6) Типов МК очень много. ЗАГРУЗЧИК для МК AVR не подходит для МК PIC. Проблемы могут возникнуть даже для одинаковых МК, но в разных корпусах.
7) Очень не мешает знать, как ведет себя загрузчик в МК без пользовательской программы. Вот получили вы посылку из Китая с Arduino ProMini и как узнать есть в ней загрузчик или нет? А если есть описание, то можно прочитать, что при подаче питания или сбросе должен 5 раз мигнуть желтый светодиод. Не мигает? Значит нет загрузчика или у вас проблемы с платой.
8) Вообще-то ЗАГРУЗЧИК может активизироваться (начать свою работу, прервав работу основной программы) не только по сигналу сброса, но любым другим способом, который реализовал разработчик, например, замыканием выв. 5 МК на землю.
А теперь переведем полученную информацию в практическую плоскость.
1) Как узнать размер ЗАГРУЗЧИКА, находящегося в МК?
Если речь о загрузчике, залитом в плату ардуино (читай в МК ATmega8/168/328), то можно прочитать с помощью программы-программатора, например, AVRDUDESS и платы-программатора USBasp, Flash-память и фьюзы BOOTSZ0 и BOOTSZ1. Открыв сохраненный HEX-файл текстовым редактором, можно увидеть в младших адресах код пользовательской программы, потом незанятую память (FF) и в самых верхних адресах памяти (см строку 225) код загрузчика с адреса 1C00 и до признака конца 01FF. Таким образом можно узнать длину загрузчика в байтах, а потом перевести в длину в словах.
2)Как узнать размер ЗАГРУЗЧИКА, который мы хотим разместить в МК?
Открываем в текстовом редакторе HEX-файл, в котором хранится интересующий нас загрузчик. Видим приблизительно такую куртинку
Здесь пояснения как понимать полученные цифры
3)Что будет, если залить загрузчик и неправильно выставить фьюзы BOOTSZ0 и BOOTSZ1?
Надо иметь ввиду, что не любой загрузчик способен перезаписать сам себя. Почему так? Этот вопрос выходит за рамки данной статьи. Более того, вопрос поставлен не «как перезаписать загрузчик в МК средствами платформы Arduino IDE?», а о первичной записи в новый МК загрузчика и установке конкретных фьюзов BOOTSZ0 и BOOTSZ1, предполагая, что остальные фьюзы установлены гарантированно правильно.
Итак, первый раз загрузчик всегда прошивается аппаратным программатором (ISP), поэтому выставим ли сначала фьюзы BOOTSZ0 и BOOTSZ1, а потом зальем ЗАГРУЗЧИК или наоборот, значения не имеет, так как ISP-программатор будет загружать данные по адресам, указанным в HEX-файле. Но вот потом, после Reset, ATmega8 начнет выполнение программы с адреса 000, если фьюз BOOTRST=1, независимо от BOOTSZ0 и BOOTSZ1
Из таблицы видно, что если Загрузчик разместим не с нужного адреса или неправильно установим фьюзы, то Загрузчик не запустится должным образом. Под должным образом я подразумеваю запуск нештатным способом за счет других ошибок, которые «исправляют» начальные ошибки. Например, залили в ATmega8 ЗАГРУЗЧИК длиной 510 слов с адреса E02, т.е. как фьюзы BOOTSZ1 и BOOTSZ0 не выставляй, а при сбросе ЗАГРУЗЧИК не запустится (не получит управление МК). Или прошили ЗАГРУЗЧИК размером в 1000 слов с адреса C00, но фьюзы BOOTSZ1 и BOOTSZ0 выставили в 0 и 1. Тогда при сбросе счетчик команд будет установлен в E00 и какой-то участок кода ЗАГРУЗЧИКа запустится, но такой запуск может привести к непредсказуемым результатам.
4)Что будет, если ЗАГРУЗЧИК от ATmega8 залить в ATmega328?
С одной стороны ATmega8 и ATmega328 выводно совместимы, с другой – у них разный объем памяти, а ЗАГРУЗЧИК всегда размещается в конце памяти (в старших адресах). Поэтому, если мы перекомпилируем исходник загрузчика для ATmega8 под ATmega328, то нельзя говорить о том, что мы пытаемся залить ЗАГРУЗЧИК от ATmega8 в ATmega328. Другое дело, если мы попытаемся HEX-файл с ЗАГРУЗЧИКом от ATmega8 залить в ATmega328. Здесь ответ однозначный – данные зальются вовсе не в конец памяти ATmega328, где должен располагаться ЗАГРУЗЧИК, а в область пользовательской программы и никогда штатным образом ЗАГРУЗЧИК не получит управление (не запустится).
И о результате осознания и конечном итоге.
Теперь я знаю, что ЗАГРУЗЧИК optiboot_flash_atmega8_UART0_57600_8000000L.hex из проекта MiniCore, который я хочу залить в свою ATmega8L зальется с адреса 1E00, т.е. займет сектор памяти 1FFF-1E00=1FF (512байт или 256 слов). Соответственно я должен установить (в ноль) три фьюза следующим образом: BOOTRST=0, BOOTSZ1=0 и BOOTSZ0=1 (см таблицу выше)
Залил с помощью программы AVRDUDESS и USBasp-программатора
Как я говорил выше, ЗАГРУЗЧИК и Программа-программатор – это мама и папа одного разъема. И коль я прошил ЗАГРУЗЧИК (маму), то теперь надо настроить «папу»-ArduinoIDE, которой я должен «рассказать» 1) скорость UART, 2)марку МК, 3)Частоту тактирования процессора МК (требуется для правильной компиляции, а не для загрузки), 4)Место, где лежит HEX-файл прошитого ЗАГРУЗЧИКА. Зачем? Не знаю.
Отредактируем файл boards.txt. В разных версиях ArduinoIDE он имеет разный формат!!!
1)Название платы для меню в ArduinoIDE задаётся в строке с «.name=», например: 328.name=ATmega328 или atmegang.name=Arduino NG or older
2)За выбор названия МК для меню отвечает строка вида «.menu.cpu.atmega8=», например: atmegang.menu.cpu.atmega8=ATmega8 или 8.build.mcu=atmega8
К сожалению, все параметры для всех версий ArduinoIDE описать невозможно. Поэтому я показал соответствующие разделы файла boards.txt двух версий. Думаю по образцу и подобию Вы сможете доработать свою версию ArduinoIDE под свои ЗАГРУЗЧИКИ.
Проверим теорию на практике, для чего:
1)Зальем посредством USBasp в ATmega8 (на беспаечной плате) с кварцем 16МГц штатный загрузчик из состава ArduinoIDE «ATmegaBOOT-prod-firmware-2009-11-07.hex» (размер файла 2,8кБ), загрузка с адреса 1C00. Разъемы от плат-программаторов USBasp и USB-UART от беспаечной платы отключать не буду, что бы не перепутать при подключении. Проще отсоединить/присоединить к программаторам, которые надо обязательно отсоединять. Устанавливаю фьюзы L=FF, H=C0. Отключаю USBasp, смотрю на светодиод, подаю питание. Несколько раз быстро мигнул и более не светится. Значит загрузчик работает. Теперь зальем скетч BLINK штатным способом. Подключаюсь USB-UART и светодиод начинает вести себя совсем по другому- раз в 8 сек светится. Запускаю ArduinoIDE 1.6.6.0, устанавливаю Arduino NG…, ATmega8, порт, программатор AVRISP mkII. AVRDUDE 6.0.1 выдает кучу всякой информации (у меня так настроено), скорость 19200. Скетч прошивается и сразу начинает выполняться. Т.е. провода, фьюзы, настройки выполнены правильно.
2)По такой же методике выполним заливку загрузчика optiboot_flash_atmega8_UART0_115200_16000000L.hex, переименовав в «01.hex» и положив в каталог optiboot (размер файла 1,34кБ), загрузка с адреса 1E00. Поэтому фьюзы L=FF, H=C2. После заливки загрузчика светодиод начинает мигать несколько раз в секунду. Без программаторов (только питание) не светится, т.е. загрузчик не выдает своего присутствия. Добавляю секцию в файл boards.txt
##############################################################
#поместите HEX-файл в каталог optiboot
a8_16MHz_E.name=atmega8 (16 MHz_ExtOsc_115k)
a8_16MHz_E.upload.tool=avrdude
a8_16MHz_E.upload.protocol=arduino
a8_16MHz_E.menu.cpu.atmega8.upload.maximum_size=7680
a8_16MHz_E.menu.cpu.atmega8.upload.maximum_data_size=512
a8_16MHz_E.upload.speed=115200
a8_16MHz_E.bootloader.unlock_bits=0x3F
a8_16MHz_E.bootloader.lock_bits=0x0F
a8_16MHz_E.menu.cpu.atmega8.bootloader.low_fuses=0xff
a8_16MHz_E.menu.cpu.atmega8.bootloader.high_fuses=0xc2
a8_16MHz_E.bootloader.tool=avrdude
a8_16MHz_E.bootloader.path=optiboot
a8_16MHz_E.bootloader.file=01.hex
a8_16MHz_E.build.mcu=atmega8
a8_16MHz_E.build.f_cpu=16000000L
a8_16MHz_E.build.core=arduino
a8_16MHz_E.build.variant=standard
a8_16MHz_E.build.board=AVR_NG
Прошиваю штатным способом. Светодиод при наличии USB-UART не светится. При отключении преобразователя и подаче питания начинает мигать, т.е. скетч запустился.
3)Когда попытался повторить вышеописанное для загрузчика optiboot_flash_atmega8_UART0_115200_8000000L.hex потерпел неудачу. Штатным способом скетч не заливался. После долгих танцев с бубном, на основании которых и появился данный трактат, пришел к выводу, что косяк разработчика, так как те же действия для optiboot_flash_atmega8_UART0_38400_8000000L.hex привели к загрузке скетча штатным способом. Кроме того, посмотрев файл boards.txt, нашел в нем ошибки, например:
###################
#### ATmega8/A ####
###################
8.name=ATmega8
8.upload.tool=avrdude
8.upload.protocol=arduino
8.upload.maximum_size=7680
8.upload.maximum_data_size=1024!!!!!!!!!!!!!!!! Ошибка
8.menu.clock.16MHz_external.bootloader.high_fuses=0xc4!!!!!!!!!!!!ошибка
И нет для 8МГц скорости 115200, а нерабочий HEX-файл есть. Вот и верь разработчикам.
Извините, что не могу привести отличия форматов файла boards.txt в разных версиях ArduinoIDE, так как этим вопросом не занимался. Попробовал сделать под имеющуюся версию по образцу и подобию – получилось. Глубже не «копал».
Спасибо за внимание. Буду рад, если кому-то мои исследования оказались полезными.
P.S. В последних версиях в конфигурацию (boards.txt) начали прописывать vid и pid. Видимо жаба душит итальянцев. Берегите старые версии ArduinoIDE. А то будет как с хромом – негде скачать старую версию.
P.S.2 При прошивке скетча в МК в сообщениях об ошибках ArduinoIDE, а правильнее сказать AVRDUDE, может упоминаться протокол STK500. В штатном режиме работы мы выбираем программатор AVRISP mkII. А в меню еще есть AVR ISP, Arduino ISP, Arduino as ISP. В русскоговорящем интернете я не встречал объяснения «на пальцах» зачем такое обилие типов программаторов в ArduinoIDE и главное, чем они отличаются и когда какой использовать. Поэтому чувствую себя как лох в хорошем ресторане, перед которым положили 5 ложек и 5 вилок…. И все смотрят только на меня. Кое-что я нашел на сайте microsin, но у автора есть проблема с обозначением объекта. Это как безобъектный праздник «день независимости». Независимости кого, от чего? Каждый волен понимать как хочет. И многие этим пользуются. Но в технике нужна однозначность. Попробую объяснить «на пальцах» как понял я. Если не прав, то прошу поправить.
Итак, AVRISP mkII это плата-программатор от AVR для своих микроконтроллеров серий ATtinyXX, ATmegaXX и других с последовательным (не UART ) интерфейсом ISP (4 сигнальных провода MOSI, MISO, SCK, GND) (режим последовательного программирования на основе интерфейса SPI). Интересно, зачем нужны эти два интерфейса ISP и SPI в одном программаторе? Так как обмен данными между AVRISP mkII и компьютером PC происходит через интерфейс USB, а плата-программатор AVRISP mkII построена на основе AVR-USB162, AVR-USB162MU, AVR-USB32U4 и других, то требуется прошивка для используемого МК. Firmware для программатора AVRISP mkII, распространяется свободно. Понятно, что количество типов МК растет и хотелось бы, что бы плата-программатор AVRISP mkII умел с ними работать. Соответственно надо дорабатывать прошивку AVRISP mkII. Но AVRISP mkII должен общаться не только с программируемым (целевым) МК, но и компьютером. Так вот этот набор «слов для общения» называют протоколом. И эти протоколы тоже развиваются (STK500, STK600. AVRISP mkII во многом совпадает с протоколом STK600). До сих пор вроде понятно, если вспомнить, что на плате Arduino UNO использовался преобразователь-программатор на основе ATmega8U2. Но всякое понимание улетучивается, когда вспоминаем, что платы Arduino продаются с прошитым в основной МК загрузчиком. И нет никакого ISP (MOSI, MISO, SCK, GND). Всё общение происходит по интерфейсу UART, и даже нет необходимости эмулировать сигналы ISP. Тогда при чем AVRISP mkII?
А вот если мы обратим свой взор на стартеркит STK500 (что это такое?), то увидим, что обмен между STK500 и PC происходит через интерфейс RS232 (PC COM-порт)(тот же UART, только уровни сигналов +/- 12в, а не 0-5в). При этом STK500 использует следующие настройки порта: 115.2kbps, 8 data bits, 1 stop bit, no parity. Интерфейс на выходе программатора STK500 – ISP и PP. STK500 и AVRISP поддерживают тактовые частоты ISP от 4 кГц до 1.8 МГц.
Про UART и загрузчик – ни слова. Так почему AVRISP mkII?
Файлы:
ATmega8 Addressing the Flash
распределение памяти в атмега8
ATmega8 фьюзы Заводские и как должно стать
ATmega8 зависимость частоты от напряжения питания
AVRDUDESS фьюзы
Последовательное программирование
преобразователь usb-uart
Штатный загрузчик от Ардуино
03.hex
01.hex
04.hex
FLASH память-RWW-NRWW
USBasp-atmega8A-pin
Эта статья в ворд-формате
Работа с представленными загрузчиками
проверенная Blink РАБОЧАЯ секция
проверенная Blink РАБОЧАЯ секция3
проверенная Blink РАБОЧАЯ секция1
сообщения при удачной заливке скетча новым загрузчиком на 16МГц
сообщения при удачной заливке скетча штатным загрузчиком
Все вопросы в
Форум.
|
Как вам эта статья?
|
Заработало ли это устройство у вас?
|
|
|
|
Эти статьи вам тоже могут пригодиться:
