Наверняка у Вас уже есть макетная плата на микроконтроллере AVR (скорее всего Arduino Uno на микроконтроллере ATmega328P или какая-нибудь аналогичная), и Вы хотите научиться её программировать, т. е. прошивать программу в память кристалла микроконтроллера. Есть множество различных способов, здесь будет рассмотрен вариант использования такого универсального инструмента как avrdude.

Почему следует использовать avrdude? По многим причинам — он бесплатен, работает на любых операционных системах (Linux, Windows, MacOS), поддерживает все популярные протоколы программирования. Т. е. может работать с любым программатором (USBasp, AVR-mkII и т. д. [3]), в том числе и с загрузчиками Arduino и USBasp [4,5].

Avrdude это утилита командной строки, так что для её использования придется изучить её опции, которыми настраивается тип программатора, задается программируемый чип, файл прошивки и фьюзы. Поначалу это может показаться сложным, но если разобраться, то окажется, что командная строка это очень удобно, потому что предоставляет универсальный способ работы со многими средами программирования. Например, можно писать программы для AVR даже в среде Microsoft Visual Studio, запуская процесс компиляции с помощью команд makefile, и прошивать память микроконтроллера настройкой запуска внешней команды прямо из Visial Studio (подробнее см. [6]). Утилиту avrdude использует также среда программирования Arduino для прошивки памяти микроконтроллера платы через загрузчик UART.

[Где взять avrdude]

Ссылки для загрузки AVRDUDE лучше всего найти с помощью Google. Обычно avrdude.exe находится в пакете утилит разработчика WinAVR, также она входит в пакет среды разработки Arduino IDE. Поэтому скачайте и установите либо WinAVR, либо среду разработки Arduino. Как вариант, можете скачать архив [12], там найдете все необходимое для этой статьи, в том числе и утилиту avrdude.

Различные версии avrdude и PDF-документацию можно найти по ссылке http://download.savannah.gnu.org/releases/avrdude/.

Онлайн-документация: http://www.nongnu.org/avrdude/user-manual/avrdude.html.

[Запуск avrdude]

В операционной системе Windows требуется открыть окно интерпретатора команд cmd.exe. Для этого в Start Menu (кнопка ПУСК) выберите команду Run… (Выполнить…), в окне приглашения введите cmd и кликните по кнопке OK.

В операционной системе MacOS X можете использовать программу Terminal для получения доступа к интерфейсу ввода команд. Программа Terminal находится в папке Utilites.

Теперь в окне терминала введите команду avrdude и нажмите Ender, в результате утилита avrdude выдаст подсказку в виде списка основных опций.

[Описание опций AVRDUDE]

Опций довольно много. Не пытайтесь их все запомнить, нужно просто иметь общее представление о том, что эти опции могут делать.

-p partno: эта опция просто говорит утилите, какой микроконтроллер AVR будет программироваться. Например, если Вы собрались программировать ATtiny2313, то в качестве partno введите attiny2313.

-b baudrate: эта опция используется для настройки скорости последовательной передачи данных (через RS-232, UART) для программаторов, работающих по протоколам наподобие STK200 или STK500 STK500. Часто эту опцию использовать необязательно, потому что подходит скорость, настроенная по умолчанию.

-B bitrate: эта опция меняет скорость следования бит, на которой программатор общается с программируемым чипом. Если Ваш микроконтроллер тактируется очень низкой частотой, то потребуется снизить скорость данных программирования. Обычно микроконтроллер работает на высокой частоте (8 МГц и выше, особенно если используется кварцевый резонатор), так что эта опция применяется редко.

-C config-file: это файл конфигурации, который говорит avrdude о различных способах, как ему общаться с программатором. Имеется файл конфигурации по умолчанию, который используется без указания -C опции, так что эта опция обычно не нужна.

Если путь до файла имеет пробелы, то его следует брать в двойные кавычки. Например: -C»C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf».

-c programmer: эта опция задает тип программатора (его протокол). Например, если используете STK500, то укажите stk500, если используете программатор DT006, то укажите dt006, и т. д.

-D: опция запрещает очистку памяти чипа перед программированием. Скорее всего, эта опция Вам никогда не потребуется.

-P port: опция задает порт обмена данными между компьютером и программатором. Это может быть COM1, LPT1 или USB.

-F: опция отменяет проверку сигнатуры, которая позволяет убедиться, что программируемый чип именно тот, который нужен. Настоятельно рекомендуется выполнять эту проверку для тестирования соединения, поэтому не используйте эту опцию.

-e: опция очистки памяти чипа. Обычно её использовать не нужно, потому что очистка FLASH выполняется автоматически перед программированием.

-U memtype:r|w|v:filename[:format]: а вот эта команда уже по-настоящему важна. Именно одна задает, какое именно программирование будет произведено. Здесь memtype может быть flash или eeprom для памяти, либо hfuse, lfuse или efuse для конфигурационных фьюзов чипа. Буквы r|w|v обозначают операцию над памятью, т. е. r (read, чтение), w (write, запись) или v (verify, проверка памяти). Часть команды filename задает имя файла, который будет прочитан или записан во время выполнения команды. [:format] задает опцию формата файла. Чаще всего используется формат Intel Hex [7], и файл данных обычно получает расширение *.hex». Если Вы хотите записать, например, файл test.hex в память flash, то должны использовать -U flash:w:test.hex:i. Если хотите прочитать память eeprom в файл «eedump.hex», то должны использовать команду -U eeprom:r:eedump.hex:i.

Если путь до файла имеет пробелы, то его следует брать в двойные кавычки.

-n: это означает, что никаких действий записи производиться не будет. Команда полезна, когда Вы хотите гарантировать, что ни одна из отправляемых команд не повредит содержимое памяти чипа. Это разновидность ‘блокировки безопасности’.

-V: выключает автоматическую проверку содержимого памяти при записи. Не советую использовать эту опцию, потому что проверка дает дополнительную уверенность, что память записана правильно.

-u: запрет режима безопасности. Это установка по умолчанию, когда avrdude запускается из скрипта. Если хотите модифицировать биты фьюзов, то используйте эту опцию, чтобы явно подтвердить свои намерения (подавляет дополнительный запрос подтверждения).

-t: запускает режим терминала, когда Вы вводите команды строка за строкой. Не используйте этот режим, поскольку это добавляет сложности.

-E: выводит некоторые спецификации программатора, не используйте эту опцию.

-v: опция включает подробный вывод сообщений. Это может потребоваться для диагностики, чтобы получить дополнительную информацию. Обычно эта опция не нужна.

-q: действие этой опции дает противоположный эффект по сравнению с опцией -v, т. е. количество выводимой информации уменьшается. Обычно эта опция также не используется.

В этом списке красным цветом выделены те опции, которые скорее всего Вам понадобятся. Давайте рассмотрим подробнее использование этих опций.

[-c programmer]

Чтобы получить список поддерживаемых программаторов (и найти тот, который у Вас), введите команду avrdude -c qwerty (здесь qwerty это произвольный набор символов, который не соответствует ни одному из поддерживаемых программаторов). Как результат выполнения команды будет выведен список поддерживаемых программаторов.

Найдите в этом списке имя, соответствующее Вашему используемому программатору. Это имя следует подставлять в опцию -c programmer.

[-p partno]

Чтобы получить список программируемых микроконтроллеров AVR, введите команду avrdude -c avrisp (при этом не имеет значения, используете ли Вы реально программатор avrisp) без указания имени микроконтроллера. Не следует запоминать этот длинный список, он используется только для того, чтобы узнать нужное имя для программируемого микроконтроллера, которое следует подставлять в командную строку вместе с опцией -p partno.

В этом списке указаны псевдонимы всех чипов микроконтроллеров, о которых знает avrdude. Большинство из них программируются через интерфейс ISP.

Обратите внимание, что названия моделей чипов t2313 и 2313, m8 и m88, c128 и m128 выглядят очень похоже, но на самом деле это абсолютно разные модели микроконтроллеров! Поэтому во избежание ошибки советую Вам вместо псевдонима чипа ввести его полное имя. Т. е. вместо t2313 используйте attiny2313, или вместо m8 используйте atmega8. Avrdude достаточно умен, чтобы распознать правильно тип чипа по его полному имени.

Внимательно проверьте модель программируемого чипа по маркировке на его верхней стороне корпуса. К примеру, там может быть написано ATTINY2313 и ATMEGA8, Суффиксы -20PI и -16PC в маркировке просто указывают скоростные параметры микроконтроллера, и при программировании на эти суффиксы не стоит обращать внимания.

[-P port]

Эта опция говорит avrdude, где искать Ваш подключенный программатор. Если Вы используете устройство, подключенное через USB, то просто примените опцию -P usb или вообще не указывайте её. Утилита avrdude автоматически распознает подключение для программатора, который является устройством USB.

Если Вы используете параллельный (LPTx) или последовательный (COMx) порт для подключения программатора (что сейчас уже почти не актуально, потому что компьютеры с такими портами уже практически не выпускаются), то должны использовать эту опцию, чтобы показать порт, к которому подключен программатор. На операционной системе Windows в 99% случаев это будет lpt1 (для параллельного порта) или com1 (для последовательного порта), но Вы можете всегда проверить это через просмотр раздела «Ports (COM & LPT)», по-русски это раздел «Порты (COM и LPT)» дерева Device Manager (Менеджер Устройств). Откройте управляющую панель System Properties (Свойства Системы), и выберите закладку Hardware (Оборудование):

Кликните на кнопке Device Manager (Менеджер Устройств), и разверните пункт Ports (Порты).

Здесь будут перечислены все имеющиеся на компьютере параллельные и последовательные порты. Может быть несколько последовательных портов, но обычно параллельный порт (так называемый порт принтера) только один.

На компьютерах Mac не бывает традиционных параллельных и последовательных портов. Однако если Вы используете адаптер USB-serial (что делает возможным использовать программаторы STK500 или AVRISP v1 вместе с компьютером Mac), то для avrdude нужно указать последовательный порт. Не пока знаю надежного способа определять порт подключения, однако использую для этого окно терминала, где нужно ввести команду ls -l /dev/cu.* (скорее всего, на Linux подойдет примерно такой же способ, или можно использовать команду dmesg). Ниже приведен скриншот примера вывода этой команды.

/dev/cu.Bluetooth это встроенный порт bluetooth, он не нужен. /dev/cu.modem это модем (если он имеется на Вашем компьютере), его также не нужно использовать. Обратите внимание на порты наподобие /dev/cu.usbserial или /dev/cu.KeySerial1. В моем случае это порт /dev/cu.usbserial-FTCTYG5U.

[-U memtype:r|w|v:filename:format]

Это опция, которая описывает, как реально будут записываться данные в программируемый микроконтроллер. Команда выглядит довольно сложной, но мы рассмотрим её по частям.

memtype может быть либо flash, либо eeprom, либо hfuse (старший байт фьюзов), либо lfuse (младший байт фьюзов) или efuse (расширенный байт фьюзов).

r|w|v может быть либо r (read, чтение), w (write, запись), v (verify, проверка).

filename имя входного (для записи или проверки) или выходного (для чтения) файла.

[:format] не обязательная опция, указывающая формат файла. Можно опустить эту опцию при записи, но для чтения указывайте i, чтобы выходной файл получил формат Intel Hex [7] (это наиболее распространенный формат файла).

Для примера, чтобы записать файл firmware.hex в память программ (flash), используйте команду -U flash:w:firmware.hex, чтобы проверить содержимое памяти eeprom на соответствие файлу mydata.eep, используйте команду -U eeprom:v:mydata.eep, и для чтения младшего байта фьюзов используйте команду -U lfuse:r:lfusefile.hex:i.

[Как программировать]

В примерах ниже я буду использовать программатор mkII-slim [8] (это клон фирменного AVRISP-mkII компании Atmel) и загрузчик USBasp на примере программирования чипов ATmega328P и ATmega32A через интерфейс ISP и через интерфейс USB. Само собой, Вы должны будете ориентироваться на Ваш конкретный программатор, программируемый чип и его фьюзы.

Подготовьте Вашу программируемую плату, удостоверьтесь, что можете подключить к ней питание (для программирования требуется наличие питания на программируемом микроконтроллере). Плата может питаться как от отдельного внешнего источника питания, так и от коннектора программатора, если он это позволяет.

Прошивать я буду тестовый пример, мигающий светодиодом на плате (так называемый Hello World для мира микроконтроллеров). Если кому-то интересно, то код этого примера приведен во врезке, или можете скачать его проект AVR Studio по ссылке [12] (см. папку HelloWorld архива).

Запишите файл прошивки (Hello-World-Arduino-ATmega328.hex, Hello-World-metaboard-ATmega328.hex или Hello-World-ATmega32A.hex, или другой, в зависимости от микроконтроллера, который будете программировать) в заранее известный каталог на диске, например C:\temp. Этот путь до файла будем использовать для команды -U. Готовые прошивки можно взять из папке HEX архива [12].

Все платы Arduino обычно программируются одинаково, через интерфейс USB. При этом используется загрузчик UART (интерфейс USB организован аппаратно, с помощью специального отдельного чипа). В этом примере в плату Arduino Nano будет записана прошивка HEX\Hello-World-Arduino-ATmega328.hex. Загрузчик использует функцию самопрограммирования памяти программ AVR [9]. Обратите внимание, что фьюзы таким способом записать нельзя (самопрограммирование памяти программ микроконтроллера AVR не распространяется на фьюзы).

При компилировании прошивки Hello-World-Arduino-ATmega328.hex было учтено, что светодиод подключен к порту PB5 (цифровой порт D13 Arduino).

#define LED    PB5      //Для плат Arduino Uno и metaboard.

Подключите плату Arduino Nano через USB (при этом на микроконтроллер ATmega328 будет подано питание), и выполните команду:

avrdude -C"C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf" -pm328p -carduino
 -PCOM20 -b57600 -Uflash:w:c:\temp\HEX\Hello-World-Arduino-ATmega328.hex:i

Примечание: здесь подразумевается, что виртуальный COM-порт, через который подключена плата Arduino, имеет имя COM20.

При компилировании прошивки Hello-World-ATmega2560.hex было учтено, что светодиод подключен к порту PB7 (цифровой порт D13 Arduino).

#define LED    PB7      //Для платы Arduino MEGA 2560

Подключите плату Arduino MEGA 2560 через USB (при этом на микроконтроллер платы будет подано питание), и выполните команду:

avrdude -C"C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf"
 -patmega2560 -cwiring -P\\.\COM155 -b115200 -D -Uflash:w:c:\temp\Hello-World-ATmega2560.hex.hex

Примечание: здесь подразумевается, что виртуальный COM-порт, через который подключена плата Arduino, имеет имя COM155.

В плату metaboard [11] записан загрузчик USBasp, эмулирующий поведение программатора USBasp. Интерфейс USB реализован программно, с помощью библиотеки V-USB. Как и в предыдущем примере с Arduino, фьюзы записать нельзя, мы будем записывать только память программ.

При компилировании прошивки Hello-World-metaboard-ATmega328.hex было учтено, что светодиод подключен к порту PB5.

#define LED    PB5      //Для плат Arduino Uno и metaboard.

Для записи прошивки подключите плату metaboard через USB, удерживая при подключении кнопку S1 Reset, после подключения к USB кнопку отпустите (это активирует работу загрузчика), и выполните команду:

avrdude -patmega328 -cusbasp -Uflash:w:c:\temp\Hello-World-metaboard-ATmega328.hex

Чтобы убедиться, что записанная программа работает и светодиод мигает, подключите его через резистор 330..470 ом к порту PB5 (ножка 6 коннектора IP2 платы metaboard), что соответствует цифровому порту D13 Arduino.

На плату AVR-USB-MEGA16 установлен микроконтроллер ATmega32A, и также используется загрузчик USBasp на основе все той же библиотеки V-USB. Поэтому программирование будет осуществляться аналогично. Перед подключением платы AVR-USB-MEGA16 к USB установите перемычку между контактами 4 и 6 коннектора U1 ISP, это активирует работу загрузчика:

И запустите следующую команду:

avrdude -patmega32 -cusbasp -Uflash:w:c:\temp\Hello-World-ATmega32A.hex

После программирования будет мигать светодиод D1, подключенный к ножке PB1 микроконтроллера, см. схему платы в статье [10]. При компилировании прошивки Hello-World-ATmega32A.hex было учтено, что светодиод подключен к порту PB0.

#define LED    PB0      //Для платы AVR-USB-MEGA16.

Здесь рассматривается другой способ программирования — через интерфейс ISP, с помощью программатора mkII-slim [8]. Этот способ позволяет программировать также и фьюзы, однако требует наличия программатора.

Подключите сначала программируемую плату к программатору через интерфейс ISP. Перемычка питания на программаторе mkII-slim должна быть установлена в положение «5V». Обратите внимание, что в данном примере питание на программируемую плату подается через программатор, поэтому подключать плату AVR-USB-MEGA16 к USB не обязательно.

Для подключения через ISP понадобится плоский кабель из 6 проводов мама-мама:

1 ————-MISO———— 1
2 ————-VCC————- 2
3 ————-SCK————- 3
4 ————-MOSI———— 4
5 ————-~RST———— 5
6 ————-GND————- 6

После того, как соединили кабелем ISP программируемую плату и программатор, подключите программатор через USB и для программирования памяти программ выполните команду:

avrdude -p atmega32 -P usb -c avrispmkii -e -U flash:w:c:\temp\Hello-World-ATmega32A.hex

Как программировать фьюзы:

avrdude -p atmega32 -P usb -c avrispmkii -U lfuse:w:0xCF:m -U hfuse:w:0x98:m

Программирование платы Arduino Uno, на которой установлен микроконтроллер ATmega168, плата подключена к компьютеру через виртуальный порт COM4:

avrdude -F -v -pm168 -cstk500v1 -P\\.\COM4 -b19200 -D -Uflash:w:"firmware.hex":i

Программирование ATtiny2313 с помощью программатора USBtiny [2]:

type in avrdude -c usbtiny -p attiny2313 -U flash:w:firmware.hex

Программирование через параллельный bitbang-программатор DT006 (такой как MiniPOV2):

avrdude -c dt006 -P lpt1 -p attiny2313 -U flash:w:firmware.hex

Программирование через последовательный bitbang-программатор DASA (такой как MiniPOV3):

avrdude -c dasa -P com1 -p attiny2313 -U flash:w:firmware.hex

Программирование платы разработчика STK500 (она работает как одноименный программатор):

avrdude -c stk500 -P com1 -p attiny2313 -U flash:w:firmware.hex

Программирование через программатор AVRISP v2 USB:

avrdude -c avrispv2 -p attiny2313 -U flash:w:firmware.hex

[Ссылки]

1. Starting out with avrdude site:ladyada.net.
2. USBtiny site:dicks.home.xs4all.nl.
3. Программаторы для AVR.
4. Arduino bootloader.
5. AVR-USB-MEGA16: USB bootloader USBasp для микроконтроллера ATmega32.
6. Использование MS Visual Studio IDE для программирования AVR/Arduino.
7. Intel HEX: описание формата файла.
8. AVR-USB162MU: макетирование и изготовление программатора AVRISP-MKII в домашних условиях.
9. AVR109: самопрограммирование AVR.
10. Макетная плата AVR-USB-MEGA16.
11. Макетная плата metaboard.
12. 170305avrdude.zip.