Bootloader w mikrokontrolerach AVR.pdf

KURS

Bootloader

w mikrokontrolerach AVR

Przywykliśmy do tego, że aby

zaprogramować pamięć Flash

mikrokontrolera potrzebny

jest specjalny programator

szeregowy lub równoległy.

Niektóre mikrokontrolery potraﬁą

jednak modyﬁkować swoją

własną pamięć programu, co

przy zastosowaniu specjalnego

(wpisanego wcześniej do Flash’a)

bootloadera umożliwi również

programowanie układu bez

dodatkowych narzędzi – przez

port szeregowy.

Rekomendacje:

opisana metoda programowania

mikrokontrolerów AVR będzie

przydatna dla każdego

praktykującego elektronika,

w większości przypadków

umożliwi programowanie

układów bez dodatkowego

wyposażenia sprzętowego.

Wykorzystując specjalny program

– bootloader – rezydujący w pa-

mięci Flash mikrokontrolera można

dokonywać zmiany jego programu

sterującego poprzez interfejs RS232

lub bardziej popularny USB. Nada-

ją się do tego oczywiście również

i inne interfejsy. W artykule zostanie

przedstawiony przykład uniwersalne-

go bootloadera napisanego w języku

Bascom AVR, który można umie-

ścić w większości mikrokontrolerów

ATmega. Środowisko Bascom AVR

posiada również wbudowaną opcję

aktualizacji programu za pomocą

bootloadera . Zapisanie do mikro-

kontrolera AVR programu bootloade-

ra umożliwi nie tylko jego progra-

mowanie bez użycia zewnętrznego

programatora, ale i nieskompliko-

waną aktualizację oprogramowania.

Choć bootloader ma zalety, to do

jego wad można zaliczyć brak moż-

liwości zmiany bezpieczników mi-

krokontrolera AVR ( Fuse Bits ). Pro-

ducent mikrokontrolerów AVR nie

udostępnia ich z zaprogramowanym

bootloaderem , należy więc go we

własnym zakresie jednokrotnie za-

pisać do wydzielonego obszaru pa-

mięci Flash mikrokontrolera AVR.

Po zapisaniu programu bootloadera

do pamięci mikrokontrolera AVR,

nie będzie już potrzebny zewnętrz-

ny programator. Przykład wykorzy-

stania programu bootloadera zo-

stanie pokazany z wykorzystaniem

mikrokontrolera ATmega8 i pakietu

Bascom AVR.

Program bootloadera

Na rys. 1 pokazano obszar pa-

mięci Flash mikrokontrolera AT-

mega8. Program bootloadera nale-

ży umieścić w obszarze Boot Flash

Section . W przypadku mikrokon-

trolera ATmega8, w zależności od

ustawień Fuse Bits , obszar na boot-

loader może posiadać pojemności

128, 256, 512 lub 1024 słowa. Pro-

gram bootloadera został napisany

przez ﬁrmę MCS Electronics. Przez

niewielkie modyﬁkacje kodu pro-

gramu, można go umieścić w róż-

nych typach mikrokontrolerów AVR.

PODSTAWOWE PARAMETRY

• Możliwość programowania pamięci Flash

i EEPROM mikrokontrolera przez port

szeregowy lub USB (po zastosowaniu

konwertera FT232R)

• Prędkość transmisji max. 115200 bodów

• Zdalne zerowanie mikrokontrolera linią DTR

interfejsu RS232

• Wielkość obszaru pamięci bootloadera:

128, 256, 512 lub 1024 słowa

• Możliwość bezpośredniego korzystania

z bootloadera w pakiecie Bascom AVR

Rys. 1. Obszar pamięci Flash mikro-

kontrolera ATmega8

Elektronika Praktyczna 10/2007

KURS

Rys. 2. Sposób połączenia mikrokontrolera do portu COM komputera podczas programowania z wykorzystaniem bootlo-

adera

Rys. 3. Sposób połączenia mikrokontrolera do portu USB komputera podczas programowania z wykorzystaniem bootlo-

adera

Umożliwia on modyﬁkowanie za-

równo pamięci Flash, jak i pamięci

EEPROM, która jest programowana

za pomocą bascomowej instrukcji

Writeeeprom . Program bootloade-

ra został zamieszczony na list. 1 .

Maksymalna prędkość transmisji

interfejsu szeregowego RS232 pod-

czas współpracy z bootloaderem jest

równa 115200 bodów. Prędkość tę

można ustawić w programie bootlo-

adera , ale będzie ona zależała od

częstotliwości oscylatora mikrokon-

trolera. W celu uzyskania poprawnej

transmisji przez interfejs RS232, mi-

krokontroler należy taktować z wy-

korzystaniem rezonatora kwarcowe-

go, gdyż wewnętrzny oscylator RC

nie posiada zbyt dużej stabilności.

W programie bootloadera dla danego

typu mikrokontrolera należy odblo-

kować dwie instrukcje. W przypadku

mikrokontrolera ATmega8 będą to:

$regﬁle = „m8def.dat”

Const Loaderchip = 8

Pierwsza z nich określa typ mi-

krokontrolera, a druga jest stałą,

od której zależy liczba stron ob-

liczanych w dalszej części progra-

mu. W przykładzie mikrokontro-

ler jest taktowany częstotliwością

8 MHz, a prędkość transmisji wyno-

si 38400 bod. W ramach przykładu

wykorzystania bootloadera , mikro-

kontroler został podłączony do kom-

puterowego portu COM1 w sposób

pokazany na rys. 2 . Konwerter MAX

232 jest wymagany ze względu na

rożne poziomy napięć w interfejsie

RS232 komputera i mikrokontrolera.

Dioda D1 sygnalizuje pracę bootlo-

adera . Bootloader może być wywo-

ływany na dwa sposoby: poprzez

instrukcję skoku pod adres bootlo-

adera lub poprzez zerowanie mikro-

kontrolera. Aby zautomatyzować ze-

rowanie, oprogramowanie sterujące

bootloaderem wykorzystuje do tego

celu linię DTR portu COM. Bardzo

ułatwia to wymianę oprogramowa-

nia mikrokontrolera. Linia DTR, po

zmianie poziomu przez układ MAX

232, steruje wejściem zerowania

mikrokontrolera (rys. 2). Zamiast in-

Elektronika Praktyczna 10/2007

KURS

zależał od sprzętowej, jak i pro-

gramowej budowy projektowanego

urządzenia. W przykładzie jest wy-

korzystywany pierwszy sposób akty-

wacji bootloadera , czyli za pomocą

wejścia zerującego.

Rys. 4. Konfiguracja programu pozwalająca skorzystać z automatycznego uak-

tywniania bootloadera przy każdym włączeniu mikrokontrolera

Programowanie

mikrokontrolera

z wykorzystaniem bootloadera

Mikrokontroler z zapisanym pro-

gramem bootloadera można zapro-

gramować własnym programem

za pomocą programu Bootloader.

exe lub bezpośrednio w pakiecie

Bascom AVR. Na rys. 5 pokaza-

no okno programu bootloader . Za

jego pomocą można wysłać plik

o rozszerzeniu .BIN do mikrokon-

trolera. W menu Options można

wybrać numer portu COM oraz

prędkość transmisji, która powin-

na być zgodna z prędkością usta-

wioną w bootloaderze mikrokontro-

lera. W przypadku programowania

pamięci EEPROM mikrokontrolera,

Rys. 5. Okno programu bootloader

kości obszaru pamięci zajmowanego

przez bootloader . W tym przypadku

ustawiono maksymalny obszar 1024

słów. Z tego sposobu wywoływania

korzysta program obsługujący bootlo-

ader ( Bootloader.exe ) oraz pakiet Ba-

scom AVR. Mikrokontroler jest zero-

wany automatycznie za pomocą linii

DTR. Gdy nie będzie wykorzystywa-

ne automatyczne zerowanie w celu

uaktywnienia bootloadera , można je

przeprowadzić ręcznie za pomocą

przycisku dołączonego do wejścia

zerującego mikrokontro-

ler. Innym sposobem

wywołania bootloadera

jest wydanie rozkazu

skoku pod adres, pod

którym został zapisany

bootloader . Taki skok

może być zainicjowany

przez dowolnie wybra-

ne przez programistę

zdarzenie (np. wciśnię-

cie przycisku). Przykład

programowego wywoła-

nia bootloadera przed-

stawiono na list. 2.

W programie tym

skok do bootloadera

nastąpi, gdy z portu

COM zostanie ode-

brany znak o kodzie

ASCII równym 27

(ESC). Za pomocą in-

strukcji Goto , nastąpi

wówczas skok do po-

czątku programu boot-

loadera . Aktywacja

bootloadera jest sy-

gnalizowana miganiem

diody LED dołączonej

do portu PB.2 mikro-

kontrolera. Linia por-

tu, do której została

dołączona dioda LED

może być skonﬁgu-

rowana w programie

bootloadera . Sposób

aktywacji bootloadera

w dużej mierze będzie

terfejsu RS232 można również za-

stosować konwerter USB–RS232, na

przykład w postaci układu FT232R,

jak to pokazano na rys. 3 . Diody

D1, D2 sygnalizują przepływ infor-

macji przez port szeregowy, a dioda

D3 sygnalizuje pracę bootloadera .

Oczywiście dla układu FT232R na-

leży zainstalować sterowniki wirtual-

nego portu COM. Po skoku do pro-

gramu bootloadera , oczekuje on na

otrzymanie wartości 123 lub 124.

Po otrzymaniu wartości 123 będzie

programowana pamięć Flash, a po

otrzymaniu wartości 124 pamięć

EEPROM. Pamięć Flash jest zapisy-

wana z wykorzystaniem asemblero-

wej instrukcji SPM. Skonﬁgurowany

i skompilowany program bootloadera

należy umieścić w mikrokontrolerze

za pomocą dowolnego programatora

mikrokontrolerów AVR. Dodatkowo

w przypadku wykorzystania rezona-

tora kwarcowego należy skonﬁguro-

wać jego bezpieczniki ( Fuse Bits ).

Rys. 6. Okno wyświetlające informację o postępie

programowania

Sposoby uaktywniania

bootloadera

Aby skorzystać z automatycznego

uaktywniania bootloadera przy każ-

dym włączeniu mikrokontrolera, na-

leży ustawić fusebit BOOTRST (Fu-

sebit D), jak to pokazano na rys. 4 .

Po ustawieniu tego bitu, najpierw

jest wykonywany skok do programu

bootloadera . Gdy nie zostanie prze-

słana wartość 123 lub 124 w okre-

ślonym czasie, bootloader kończy

działanie i zaczyna być wykonywa-

ny program główny mikrokontrolera.

Fusebity BOOTSZ0 i BOOTSZ1 (Fu-

sebit FE) umożliwiają wybór wiel-

Rys. 7. Konfiguracja środowiska Bascom AVR do

programowania mikrokontrolerów z wykorzystaniem

bootloadera

Elektronika Praktyczna 10/2007

KURS

plik posiada rozszerzenie .EEP. Pro-

gramowanie mikrokontrolera rozpo-

czyna się od naciśnięcia przycisku

Upload . Wcześniej mikrokontroler

jest zerowany za pomocą sygnału

DTR. Gdy nie jest wykorzystywany

sygnał DTR, należy ręcznie wyze-

rować mikrokontroler. Do mikro-

kontrolera wysłano prosty program

testowy, który pokazano na list. 3.

Powoduje on miganie diody

LED dołączonej do portu PB.4 mi-

krokontrolera. Podczas programowa-

nia mikrokontrolera poprzez pro-

gram bootloader.exe , wyświetlane

jest okno z informacją o postępie

programowania ( rys. 6 ). Programo-

wanie mikrokontrolera z poziomu

Bascom AVR polega na wybraniu

w menu Programmer , typu progra-

matora – MCS bootloader , zgodnie

z rys. 7 . W zakładce Serial można

skonﬁgurować numer portu oraz

prędkość transmisji, a w zakładce

MCS Loader wielkość bootloadera

oraz sposób jego aktywacji (poprzez

linię DTR). Skompilowany program

można załadować do mikrokontro-

lera naciskając klawisz F4 . Podczas

programowania mikrokontrolera zo-

staje wyświetlone okno pokazane

na rys. 8 . Można również przy-

gotować własną aplikację obsłu-

gującą bootloader dostosowaną do

własnych potrzeb. Po zastosowaniu

konwertera USB–RS232 programo-

wanie mikrokontrolera przy użyciu

bootloadera przebiega identycznie.

List. 2. Przykład programowego wywołania bootloadera

Do ‘pętla do–loop

Print „test” ‘wysłanie przykładowego tekstu

Waitms 1000 ‘opóźnienie 1000 ms

If Inkey() = 27 Then‘jeśli odebrano znak 27, to

Print „boot” ‘wysłanie tekstu boot

Goto &HC00 ‘skok do bootloadera

End If

Loop ‘koniec pętli do–loop

List. 3. Prosty program testowy

$crystal = 8000000 ‚częstotliwość oscylatora

$regﬁle = „m8def.dat” ‚typ mikrokontrolera

Conﬁg Pinb.4 = Output

Toggle Portb.4

Waitms 250

Loop

End

końcowych. Mogą

oni sami je wymie-

nić, bez wysyłania

zakupionego urzą-

dzenia do serwisu.

W przypadku pa-

kietu Bascom AVR,

wgrany wcześniej

do mikrokontrolera

bootloader można

wykorzystywać za-

miast dodatkowego

programatora. Wy-

starczy nacisnąć

klawisz F4 , a skom-

pilowane oprogra-

mowanie zostanie

przesłane do mikro-

kontrolera. We wła-

snych aplikacjach

sposób aktywacji bootloadera w du-

żej mierze będzie zależeć od budo-

wanego urządzenia. Wykorzystując

uniwersalny bootloader ﬁrmy MCS

Electronics komunikacja przebiega

za pomocą interfejsu RS232, Sto-

sując konwerter USB–RS232 można

uzyskać układ programowany za

pomocą interfejsu USB. Oczywiście

Rys. 8. Okno wyświetlane podczas programowania

mikrokontrolera

załadowanie bootloadera będzie

możliwe tylko w mikrokontrolerach

AVR, które posiadając wydzielony

dla niego obszar pamięci. Więk-

szość mikrokontrolerów ATmega

posiada tę możliwość .

Marcin Wiązania, EP

marcin.wiazania@ep.com.pl

Podsumowanie

Wykorzystując mikrokontro-

ler z załadowanym bootloaderem ,

w nieskomplikowany sposób uzy-

skujemy możliwość aktualizacji

oprogramowania, co ma duże zna-

czenie w przypadku użytkowników

100

Elektronika Praktyczna 10/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: