Программатор и загрузчик: прошивка в обход USB

Обычно скетч попадает в плату по USB — и внутри платы его встречает маленькая программа-привратник, загрузчик. Программатор нужен там, где привратника нет: в чистой микросхеме, в плате после неудачного эксперимента, в ATtiny без всякого USB. Разберём обе дороги и то, что между ними.

Что такое загрузчик и сколько он стоит

Загрузчик — это программа, которая живёт в самом конце флеш-памяти микроконтроллера и запускается первой после сброса. Если сброс был внешним, она секунду слушает порт: не пришлют ли новую прошивку. Не пришли — управление уходит вашему скетчу. (Почему «если внешним» — чуть ниже, это важнее, чем кажется.)

Живёт он в конце не из вежливости. Команда процессора, которой можно писать во флеш-память, физически работает только из этой особой области — из обычной программы она просто отключена. Поэтому записать скетч сам в себя чип не может, а загрузчик — может.

Мы разобрали настоящие файлы загрузчиков из ядра Arduino и посчитали байты. Optiboot для ATmega328P — 502 байта, и он занимает адреса с 32 256-го по 32 767-й. Старый загрузчик, который до сих пор стоит в дешёвых Nano, — 1 950 байт.

В строчке про Nano спрятана обидная мелочь. Файл загрузчика там сегодня тот же самый, что у Uno, — 502 байта. А места под него заводские настройки чипа резервируют 2 048. Полтора килобайта флеша просто пропадают, и виноват не производитель платы, а строчка в описании Arduino, которую не поправили с давних времён. У Pro Mini та же строчка честная: там в описании до сих пор прописан старый загрузчик на 1 950 байт, и резерв занят почти целиком.

Почему плата моргает не всегда

Расхожее объяснение звучит так: «после сброса загрузчик секунду ждёт прошивку и мигает светодиодом». Это верно наполовину. Optiboot первым делом смотрит, отчего случился сброс, и ждёт только в одном случае — если сброс был внешний: нажали кнопку RESET или компьютер дёрнул линию сброса, начиная заливку.

При подаче питания, при просадке напряжения и при сбросе от сторожевого таймера загрузчик не ждёт и не мигает вовсе — скетч стартует сразу. Отсюда и наблюдение, которое многих сбивает с толку: воткнул питание — плата заработала мгновенно, нажал RESET — она задумалась и трижды мигнула.

Ещё три вещи из исходника, которые полезно знать:

• Секунда — это таймаут между байтами, а не общий лимит на прошивку. Пока данные идут, загрузчик ждёт сколько угодно.
• Если байт пришёл искажённым (скорость не та), Optiboot нарочно не сбрасывает свой сторожевой таймер и через секунду уходит в скетч. Так плата не зависает, когда в порт «говорят» не на том языке.
• Заявленные 115 200 бод на самом деле 117 647 — делитель на 16 МГц ровно в эту скорость не попадает. Ошибка около двух процентов, приёму она не мешает.

И одно ограничение: Optiboot умеет писать только флеш. Работать с EEPROM он не умеет вовсе, хотя старый загрузчик это когда-то умел.

Когда без программатора не обойтись

Разъём ICSP

Программатор говорит с чипом не через USB, а по четырём проводам: такт, данные туда, данные обратно и сброс. Плюс питание и земля. Эти шесть контактов и собраны в гребёнку 2×3, которую на платах Arduino подписывают ICSP.

На Uno и Nano те же три сигнала выведены и на цифровые выводы 11, 12 и 13 — это видно прямо в схеме платы, где ножки микросхемы подписаны MOSI, MISO и SCK. Поэтому подключаться можно куда удобнее.

На других платах схема «11 к 11, 12 к 12, 13 к 13» не повторится. У Mega 2560 те же сигналы просто живут в другом месте: MISO — вывод 50, MOSI — 51, SCK — 52. А у Leonardo и Micro их на колодках нет вовсе, остаётся только гребёнка ICSP.

Чем прошивать

Список в программе берётся не из воздуха: он читается из файла описаний, который приходит вместе с пакетом поддержки плат. Там же спрятана ловушка, на которой спотыкаются все. В списке есть два похожих пункта: «ArduinoISP» и «Arduino as ISP» (а рядом ещё и «ArduinoISP.org»). Второй пришедшей плате со скетчем соответствует только один — «Arduino as ISP». Первый — это отдельное фирменное устройство, и разговаривает программа с ним по другому протоколу.

Arduino as ISP: пять шагов

Самый доступный программатор — вторая плата Arduino. Порядок действий важен: если сделать шаги 1 и 2 наоборот, ничего не получится.

1. Залейте в плату-донора скетч ArduinoISP — он есть во встроенных примерах. Обычная заливка по USB, ничего особенного.
2. Теперь поставьте конденсатор около 10 мкФ между выводами RESET и GND донора, длинной ногой к RESET. Он гасит импульс сброса, которым компьютер дёргает плату при подключении, — иначе донор будет сбрасываться сам в разгар работы. Ставить его до заливки нельзя: тем же импульсом заливается и сам ArduinoISP.
3. Соедините шесть проводов по схеме выше. Общая земля обязательна всегда, а вот 5 вольт нужны только если подопытную плату нечем питать отдельно.
4. В программе выберите ЦЕЛЕВУЮ плату — ту, которую прошиваете, а не донора. Порт при этом — порт донора. Это второе место, где ошибаются чаще всего.
5. Нажмите «Записать загрузчик» и дождитесь конца.

Полезная мелочь для тех, кто прошивает часто. Скетч ArduinoISP умеет показывать, что происходит, тремя светодиодами: на выводе 9 — ровное «дыхание», значит программатор жив; на выводе 8 — ошибка; на выводе 7 — идёт обмен с целью. На готовой плате этих светодиодов нет, их надо повесить самому, каждый через резистор.

Донором может быть и Leonardo или Micro — у них USB встроен прямо в микроконтроллер. Тогда конденсатор не нужен вовсе, зато появляются два отличия: в списке программаторов надо выбрать отдельный пункт «Arduino as ISP (ATmega32U4)», а три провода данных брать не с выводов 11, 12 и 13 — у этих плат там ничего нет, — а с их собственной гребёнки ICSP. Провод сброса по-прежнему идёт с вывода 10.

USBasp: дешёвый и с характером

Готовый программатор за небольшие деньги, придуманный Томасом Фишлем. Работает надёжно, но у него две особенности, из-за которых новички считают его неисправным.

Первая — скорость. USBasp по умолчанию тактует чип на 375 килогерцах, и поменять это старая прошивка не умеет. Правило же такое: такт программатора должен быть как минимум вчетверо ниже собственной частоты микросхемы. А новая ATmega328P из пакетика работает не на 16 мегагерцах, а на одном: с завода она тактуется внутренним генератором с включённым делителем. Предел для неё — 250 килогерц, то есть медленнее, чем даёт USBasp. Отсюда знаменитое Device signature = 0x000000 на совершенно исправном чипе. Лечится перемычкой «Slow SCK» на самом программаторе — она роняет такт до 8 килогерц.

Вторая — предупреждение. Почти каждый USBasp при каждом запуске печатает warning: cannot set sck period. Это не поломка: программа просит программатор сменить скорость, а прошивка такой команды не знает и не отвечает. Avrdude это видит, но фатальной ошибкой не считает — печатает предупреждение и спокойно продолжает прошивать.

В Windows USBasp ещё требует драйвера — своего, не системного. Он входит в комплект программатора; если система его не видит, драйвер ставят вручную.

Как это делается в Trema IDE

Всё описанное встроено в среду, отдельные программы запускать не надо. В верхней панели появляется кнопка «Программатор», а в ней — выбор программатора и две команды: «Загрузить через программатор» и «Записать загрузчик».

Кнопки может не быть, и это нормально. Чтобы она появилась, нужны три вещи сразу: открытый проект, выбранная плата, работающая через пакет поддержки Arduino, и найденный в этом пакете список программаторов. У встроенных плат, которые собираются движком PlatformIO, программаторов нет вовсе — там и выбирать нечего.

«Записать загрузчик» выполняет две команды подряд. Первая стирает чип целиком и заново записывает три байта заводских настроек, сняв блокировку. Вторая заливает файл загрузчика и ставит защиту, чтобы скетч не мог затереть загрузчик сам. Для Uno через вторую Arduino это выглядит так:

avrdude -patmega328p -cstk500v1 -PCOM3 -b19200 -e \
        -Ulock:w:0x3F:m -Uefuse:w:0xFD:m -Uhfuse:w:0xDE:m -Ulfuse:w:0xFF:m

avrdude -patmega328p -cstk500v1 -PCOM3 -b19200 \
        -Uflash:w:optiboot_atmega328.hex:i -Ulock:w:0x0F:m

Слово «стирает целиком» стоит понимать буквально: у Uno заводские настройки не велят беречь энергонезависимую память, поэтому сохранённые в EEPROM данные тоже пропадут. Если там лежат настройки устройства, их надо сохранить заранее.

Фьюзы: три байта, которыми можно убить плату

Фьюзы — это заводские настройки самой микросхемы, три байта: откуда брать такт, при каком напряжении уходить в сброс, сколько места отвести загрузчику, работает ли вообще разъём программатора. Скетч их не видит и поменять не может — только программатор.

Именно из этих байтов растёт разница между Uno и Nano, о которой шла речь выше: одинаковый чип, одинаковый загрузчик, но у Uno под него отведено 512 байт, а у Nano — 2 048. Одна пара битов.

Обратите внимание на последнюю строку. Биты блокировки, которых все боятся, кирпичом плату не делают: они снимаются обычным стиранием чипа. А вот фьюзы стирание не трогает — и вот они опасны по-настоящему.

Самая частая беда — первая строка таблицы. Человек собирает плату на макетке из голой микросхемы без кварца, а в меню выбирает «Arduino Uno». Записывается настройка «такт брать снаружи», кварца снаружи нет, и микросхема замолкает навсегда. Ни программатор, ни USB её больше не достанут, пока не подать такт извне.

Тут есть неприятная тонкость. В штатном пакете Arduino AVR нет ни одного пункта для ATmega328 без кварца: даже «ATmega328P (3.3V, 8 MHz)» рассчитан на внешний резонатор. Пункт с внутренним генератором приходит только со сторонним пакетом плат. Взять похожий на вид штатный пункт — верный способ получить как раз молчащий чип.

Прошивка через программатор: скетч без загрузчика

Команда «Загрузить через программатор» сначала собирает скетч, а потом заливает его в чип напрямую. Полезно, когда загрузчик не нужен: скетчу достаётся весь флеш целиком, и после нажатия RESET плата стартует сразу, без секундной паузы (при подаче питания её, как мы выяснили выше, не было и так).

Плата за это ровно одна, и она предсказуема: загрузчик при этом стирается. По USB плата больше не прошивается — не тем, что сломалась, а тем, что разговаривать о прошивке ей теперь нечем. Возврат в исходное состояние — одно нажатие «Записать загрузчик» тем же программатором. После этого стоит убедиться, что всё живо, обычным скетчем:

void setup() {
  // Настраиваем вывод со встроенным светодиодом на выход.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // подали напряжение — светодиод горит
  delay(500);                       // ждём полсекунды
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);   // сняли напряжение — светодиод погас
  delay(500);                       // и снова ждём полсекунды
}

HEX-файл: готовая прошивка без исходников

Результат сборки — файл с расширением .hex. Внутри обычный текст: каждая строка начинается с двоеточия, дальше идёт длина, адрес, тип записи, сами данные и контрольная сумма. Из-за этого файл весит примерно вдвое-втрое больше самой прошивки, зато его можно переслать письмом и залить где угодно.

Заливается он одной командой, без всякой компиляции:

avrdude -patmega328p -carduino -PCOM3 -b115200 -Uflash:w:sketch.hex:i

Ключ -c задаёт способ связи: arduino — через загрузчик по USB, stk500v1 или usbasp — через программатор. Обратная операция тоже возможна — прошивку можно вычитать из платы в файл, если предыдущий владелец не поставил биты блокировки.

Голый чип на макетке

Самодельная Arduino — это микросхема, питание, кварц 16 МГц с двумя конденсаторами по 22 пФ и резистор 10 кОм от вывода RESET к плюсу. Официальная инструкция Arduino допускает и вариант вообще без кварца: тогда чип работает от внутреннего генератора на 8 МГц, но его точность около ±10 %. Для такой сборки понадобится сторонний пакет плат — в штатном подходящего пункта нет.

Три вещи, на которых спотыкаются:

• Номер ножки микросхемы не равен номеру вывода Arduino. Тринадцатая ножка корпуса — это вывод 7, а вывод 13 сидит на девятнадцатой ножке.
• ATmega328 и ATmega328P — разные микросхемы с разными подписями. Программа честно остановится и скажет, что подпись не совпала.
• Кварц на 16 МГц требует питания около четырёх вольт и выше. На 3,3 вольта та же схема работать по паспорту не обязана — это частая причина «необъяснимых глюков» самоделок.

Для ATtiny всё то же самое, только меню плат надо сначала пополнить сторонним пакетом. И там кнопка «Записать загрузчик» нужна даже тогда, когда никакого загрузчика не хочется: она заодно прописывает частоту, а с завода ATtiny работает на одном мегагерце.

У ESP всё устроено иначе

Для ESP8266 и ESP32 вопрос «как прошить загрузчик» не имеет смысла. Первая ступень у них зашита в кремний на заводе — её нельзя ни стереть, ни испортить, ни перезаписать. Разъёма ICSP у них тоже нет.

В режим прошивки эти платы входят иначе: один определённый вывод прижимается к земле в момент сброса. На готовых платах вроде NodeMCU это делает схема на самом USB-мосте, поэтому кнопки нажимать не надо. Прошивает их не avrdude, а своя программа, и она приходит вместе с пакетом поддержки платы.

Приятное следствие: окирпичить ESP неудачной прошивкой практически невозможно. Что бы вы туда ни залили, заводская ступень остаётся на месте и всегда готова принять новую прошивку.

Что делать, если не получается

Если плата не прошивается по обычному USB и до программатора дело ещё не дошло — начните с разбора ошибки при загрузке: в девяти случаях из десяти дело в порте, драйвере или старом загрузчике у Nano, а не в стёртом загрузчике.

Частые вопросы

Читайте также

• Кнопка «Собрать/Прошить»: что внутриОдин клик снаружи — проверка, сборка и загрузка внутри: путь кода в плату по шагам.
• Движки сборки под разные платыAVR, ESP32, российский MIK32 собираются по-разному — но для вас это всегда одна кнопка.
• Этапы сборки: программа рассказываетГотовит, собирает, загружает — русские статусы вместо молчания или стены логов.
• Карточки ошибок: перевод с компиляторскогоСтена английского текста превращается в понятную русскую карточку с советом.

• Old Bootloader у Arduino Nano
• avrdude: not in sync
• Ошибка при загрузке скетча