Думаю, ни для кого не секрет, что первоначально программу в микроконтроллер заливают при помощи специального устройства — программатора. Конечно, ардуинщикам обычно не нужно об этом беспокоиться — у них есть bootloader (загрузчик), заранее прошитый в микроконтроллер, и прошивку он забирает по UART через COM-порт или через USB. Но чтобы прошить этот загрузчик или другую прошивку в «чистый» МК, нужен программатор.

Но в этой статье мы не будем рассматривать сборку и пайку программатора с нуля, а воспользуемся возможностями Arduino. Дело в том, что на большинстве плат Arduino до версии Uno есть микросхема FT232RL компании FTDI.


Эта микросхема представляет собой конвертор UART->USB, предоставляя операционной системе виртуальный COM-порт, работающий через USB. Но в данном случае нам нужна другая её возможность — управление отдельными выводам микросхемы, именуемое режимом bit-bang, которое позволяет «завернуть» произвольный протокол в USB. Задача состоит в том, завернуть в USB протокол прошивки МК.

Микроконтроллеры AVR, используемые в Arduino, прошиваются по уже знакомому нам протоколу SPI через разъём для внутрисхемного программирования — ISP (In-System Programming). Он так называется потому, что позволяет прошивать МК прямо в конечном устройстве. Вот как выглядит этот разъём на плате CraftDuino:

MISO, MOSI, SCK, RESET — это всё линии шины SPI, только вместо SS — RESET.

Но нам ещё нужен доступ выводам FT232RL, через которые будет осуществляться прошивка, и разработчики Arduino позаботились об этом, сделав разъём X3 (икс-три):

Если на вашей плате только контактные площадки для X3, нужно будет припаять кусок PLS-гребёнки самим.

Пины этого разъёма имеют следующее назначение для ISP-программатора:

• 1 (CTS) — MISO
• 2 (DSR) — SCK
• 3 (DCD) — MOSI
• 4 (RI) — RESET

А у CraftDuino вместо X3 есть стандартный разъём RS232, тоже соединённый с FT232RL, из которого нам нужны те же 4 вывода:

• 1 (CD) — MOSI
• 6 (DSR) — SCK
• 8 (CTS) — MISO
• 9 (RI) — RESET

Пораскинув мозгами, сделаем кабель для нашего импровизированного ISP-программатора:

С одного конца кабеля — разъёмы для Arduino X3/CraftDuino UART, и для питания:

А с другого конца — стандартный разъём ISP:

Обычно для прошивки AVR используется популярная утилита avrdude, которая поддерживает множество различных программаторов и моделей МК, её использует даже среда Arduino IDE для заливки скетча. Для этой утилиты есть патч, позволяющий прошивать МК через микросхему FT232RL, используя режим bit-bang. Нашлись добрые люди, которые уже пропатчили Windows-версию avrdude для работы с bit-bang-программатором на базе этой микросхемы, а я сделал то же и для Linux:

• Патченая версия 5.3.1 для Windows.
• Версия 5.10, deb-пакет для Linux i386 и amd64 (x86_64).
• Архив с исходными кодами версии 5.10, библиотекой libftd2xx-1.0.4 с официального сайта FTDI и правлеными Makefile.in и avrdude.conf, чтобы всё это собиралось, корректно устанавливалось и работало. Проверял только на Ubuntu 11.04 (i386 и amd64).

Собственно, deb-пакеты собраны из выложенного тут патченого дистрибутива, но для параноиков есть другой вариант — пропатчить и собрать avrdude самолично, про это читайте тут. Только в avrdude.conf нужно добавить следующие строчки, а не то, что написано в статье по ссылке:

programmer
  id = "ftbb";
  desc = "FT232R Synchronous BitBang";
  type = ft245r;
  miso = 3; # CTS X3(1)
  sck = 5; # DSR X3(2)
  mosi = 6; # DCD X3(3)
  reset = 7; # RI X3(4)
;

Если вы работаете в Linux, придётся сделать ещё несколько действий (FTDI нас любит):

• Убить драйвер ftdi_sio, который мешает avrdude открыть COM-порт FTDI:

  sudo rmmod ftdi_sio

  Если хотите, можете занести этот модуль ядра в чёрный список, внеся в /etc/modprobe.d/blacklist.conf строчку:

  blacklist ftdi_sio

  Только имейте ввиду, что для работы с виртуальным портом /dev/ttyUSB0 и т.п. (нужно Arduino IDE) этот модуль должен быть запущен. Это можно делать командой

  sudo modprobe ftdi_sio

• По умолчанию, система при попытке avrdude открыть виртуальный COM-порт FTDI покажет ему кукиш, а он вам — не слишком информативное сообщение об ошибке. Нужно дать себе права на полный доступ к виртуальным COM-портам, создав в /etc/udev/rules.d/ файлик с именем 80-ftdi.rules следующего содержания:

  SYSFS{idVendor}=="0403", SYSFS{idProduct}=="6001", MODE="660", GROUP="ftdi-user"

  USB Vendor ID и Product ID можно для верности уточнить командой lsusb, если Arduino подключена к компу:

  ...
  Bus 005 Device 012: ID 0403:6001 Future Technology Devices International, Ltd FT232 USB-Serial (UART) IC
  ...
  

  Потом нужно создать группу ftdi-user и добавить себя в неё:

  sudo addgroup ftdi-user
  sudo usermod -a -G ftdi-user <имя пользователя>

  после чего нужно перелогиниться.

  Ну и, чтобы служба udev узнала про изменения, нужно либо перезагрузить комп, либо вызвать

  sudo udevadm trigger

В статье про программирование AVR на C товарищ noonv уже описал, как пользоваться avrdude, а я опишу лишь заливку загрузчика на Arduino Diecimila с ATmega168:

1. Устанавливаем необходимые для быстрой прошивки загрузчика fuse-биты: кварц > 8 МГц, встроенный делитель на 8 выключен:

   avrdude -c ftbb -P ft0 -p m8 -B 9600 -U hfuse:w:0xdd:m -U lfuse:w:0xff:m

2. Заливаем загрузчик:

   avrdude -c ftbb -P ft0 -p ATMega168 -B 19200 -U flash:w:ATmegaBOOT_168_diecimila.hex

Но консоль не всегда лучше гуя, особенно для задания fuse-битов, и есть гораздо более удобный и надёжный способ — воспользоваться программой SinaProg, разработанной иранскими программистами. Их сайт давно сдох, зато программа живёт и здравствует и по сей день. О её настройке подробно написано у Di Halt’а, ну а мы не будем терять времени и возьмём готовую настроенную сборку с пропатченным avrdude (в сборке Di Halt’а ошибка в одном из конфигов). Версии под Linux, увы, не существует.

В секции Hex file выбирается hex-файл, который нужно залить или считать. Записывать и считывать можно как память программ (Flash), так и энергонезависимую (EEPROM). В секции Device нужно указать конкретный МК, в секции Programmer — программатор (у нас это ftbb), порт (FTDI0) и скорость порта (9600).

Ну и то, ради чего стоит пользоваться этой программой — секция Fuses. В раскрывающемся списке можно выбрать предопределённые конфигурации fuse-битов, которые задаются в Fuse.txt. Но самое главное открывается нашему взору по нажатию кнопки Advanced:

Здесь можно набивать fuse-байты вручную, а можно нажимать на кнопки «C» рядом со значением байтов и выставлять фьюзы тыканием галочек с описаниями. Для заливки загрузчика сначала нажмём кнопку Read, чтобы считать текущие значения fuse, а затем настроим Low fuse: частота кварца — более 8 МГц, время старта МК — 65 мс, делитель на 8 выключен:

После настройки жмём кнопку Write и ждём появления надписи «Writing Fuses… OK».

Теперь можно в главном окне в секции Hex file выбирать файл загрузчика ATmegaBOOT_168_diecimila.hex и в секции Flash жать кнопку Program. Если в процессе будут возникать ошибки, то над индикатором прогресса есть кнопка «>», открывающая сбоку в окне лог работы avrdude.

А давайте-ка прошьём какой-нибудь другой МК — например, ATtiny13.

Поставим МК на макетку, подсоединим к ней все линии разъёма ISP от нашего bit-bang-программатора, прицепим светодиод через резистор на 500 Ом к 3-й ножке (DB4) и подтянем RESET к питанию резистором на 10 кОм:

Пишем в любимом текстовом редакторе простой код простой мигалки светодиодом в файл blink.c:

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

enum { LED_BIT = 1 << PORTB4 };

int main()
{
  DDRB |= LED_BIT;

  while (1)
  {
    PORTB |= LED_BIT;
    _delay_ms(500);
    PORTB &= ~LED_BIT;
    _delay_ms(500);
  }
}

Компилируем:

avr-gcc -DF_CPU=1200000 -Os -mmcu=attiny13 blink.c -o blink.out

Делаем hex-файл прошивки:

avr-objcopy -O ihex blink.out blink.hex

Заливаем на МК:

avrdude -c ftbb -P ft0 -p attiny13 -B 9600 -U flash:w:blink.hex

Загрузка пошла:

burjui@blackbox:~/tmp$ avrdude -c ftbb -P ft0 -p attiny13 -B 9600 -U flash:w:blink.hex
avrdude: BitBang OK
avrdude: pin assign miso 3 sck 5 mosi 6 reset 7
avrdude: drain OK

ft245r:  bitclk 4800 -> ft baud 2400
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: Device signature = 0x1e9007
avrdude: NOTE: FLASH memory has been specified, an erase cycle will be performed
        To disable this feature, specify the -D option.
avrdude: erasing chip
ft245r:  bitclk 4800 -> ft baud 2400
avrdude: reading input file "blink.hex"
avrdude: input file blink.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: writing flash (78 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.64s



avrdude: 78 bytes of flash written
avrdude: verifying flash memory against blink.hex:
avrdude: load data flash data from input file blink.hex:
avrdude: input file blink.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: input file blink.hex contains 78 bytes
avrdude: reading on-chip flash data:

Reading | ################################################## | 100% 0.50s



avrdude: verifying ...
avrdude: 78 bytes of flash verified

avrdude: safemode: Fuses OK

avrdude done.  Thank you.

Перевтыкаем Arduino в USB и наблюдаем мигание светодиода при условии, что нет ошибок подключения (:

Вот так, путём нехитрых манипуляций руками и мозгами, можно сделать себе USB ISP-программатор, так что не нужно париться с отсутствием LPT на современных компах и COM-порта почти на любом ноутбуке — уж USB-то есть везде.