bootloader不再神秘 AVR单片机折腾 教小白如何在ArduinoIDE制作适合自己的开发板

jf201006

之前项目上不能使用的ATmega168（以下称168）为了对其测试，做了一个AVR并行熔丝恢复器 ，经过一系列的测试，原来是芯片的时钟有点问题了。

过程：
选用并行编程将熔丝位恢复为默认（Lfuse,Hfuse,Efuse:）62DFF9，这时ISP可以对其进行读写了，用的软件是progisp1.72版本。说明芯片没有完全坏掉。想写个测试程序测试下芯片工作情况，由于是使用内部1MHz的RC振荡作为时钟，没有对应的Bootloader，所以没法在ArduinoIDE里直接下载程序，但，可以用ArduinoIDE编译成HEX文件，用progisp写入到芯片FLASH里。测试程序是使用Arduino数字口0、1、11、13来做个分频的闪灯。


下图是好芯片在NANO板的运行结果，熔丝值为FFDDF8，外部16M晶振，以此为参考。


占空比都是50%，脉宽分别是：0口是125ms、1口是250ms、11口是500ms(0.5s)、13口是1s。以11口（第三行）脉宽0.5秒为参照。

下面进行坏芯片测试：
熔丝值：62DFF9，4 个LED规律、稳定闪烁。



测得第三行脉宽为8秒。8/0.5=16倍，时钟由标准的16M降为1M，默认熔丝设定也是内部1M的RC振荡。熔丝值：E2DFF9，只有数字13口的LED微亮，其它LED不亮。芯片应该没有工作起来。此为内部8MRC振荡。熔丝值：FFDFF9，使用外部晶体振荡，晶振为16M，与使用内部8M一样，芯片不工作。熔丝值：7FDFF9，使用外部晶体振荡，且设置8分频。


下面使用不同的晶振测试，先来4M，4 个LED规律、稳定闪烁。


第三行脉宽为16秒。16/0.5=32倍，时钟由标准的16M降为0.5M（16/32=0.5）。使用8M晶振，4 个LED规律、稳定闪烁。


第三行脉宽为8秒。8/0.5=16倍，实际时钟是1M。使用16M晶振，4 个LED规律、稳定闪烁。


第三行脉宽为5秒。4/0.5=8倍，实际时钟是2M。使用20M晶振，4 个LED规律、稳定闪烁。


第三行脉宽为3.2秒。3.2/0.5=6.4倍，实际时钟是2.5M。使用22M晶振，4 个LED规律、稳定闪烁。


第三行脉宽为2.89秒。2.89/0.5=5.78倍，实际时钟是2.768M。使用24M晶振，4 个LED规律、稳定闪烁。


第三行脉宽为2.667秒。2.667/0.5=5.334倍，实际时钟约为3M。如果这个规律成立，芯片工作在4M时，外接32M晶振就可以。手头没有。直接上个48M晶振，4 个LED规律、稳定闪烁。依规律计算，芯片应该工作在6M。然而，


第三行脉宽为4秒。4/0.5=8倍，实际时钟是2M。正如手册说明，当CKSEL3..1为111时，低功率晶体振荡器可用8.0 - 16.0M满振幅晶体振荡器可用0.4－25M。48M不在范围内。通过测试，可见芯片的时钟在3M以下时工作是正常的。 接下来就是重新编译一个适合这个芯片的Bootloader了。这里又要确定两个值：一个是串口的波特率；另一个是Bootloader的起始地址。因为这个芯片不能工作在较高的时钟下了，计划使用内部8M的RC振荡进行8分频，实际工作时钟就是1M，这样熔丝位也可以使用出厂的默认值。查了下Arduino各种板的串口波特率（每秒的位传输速度），大部分使用的是115200的波特率，这时的时钟为外置16M晶振，若使用1M时钟，是不是波特率也要降16倍，变为7200呢？根据AVR的波特率计算公式算出时钟为1M时，各种波特率的误差，从表中查到，误差小的可以使用4800，这样的速度是很慢的，9600的波特率也是可以接受的。


另外，1M的时钟，一个时钟周期是1us。当9600的波特率传输时，传输一位所用时间约是（1s/9600=）104us，完全可以的，所以取9600测试。Bootloader的起始地址需要配置相关的熔丝位，不要害怕，只要配置BOOTSZ和BOOTRST，168芯片是熔丝扩展位。


设<BOOTSZ=10>，这样Boot区的大小(256Words)，Boot区起始地址(0x1F00)。设<BOOTRST=0>，将复位向量移至Boot区起始地址处。这里的地址是以“字”为单位的，若换算为“字节”要乘以2，Boot区起始地址以字计算是0x1F00，以字节计算是0x3E00。在Mekefile文件中加入如下内容：



简单说明下：
-DBAUD_RATE=9600是使用9600波特率--section-start=.text=0x3e00 是BOOT区起始地址--section-start=.version=0x3ffe 是BOOT区结束地址AVR_FREQ= 1000000L是时钟频率为1Matmega168_1MRC.hex是输出bootloader的文件名LFUSE= 62 HFUSE = DD EFUSE = 04熔丝值，使用内部RC振荡1M时钟；掉电检测是2.7V；512字节空间的BOOT区。运行omake atmega168_1MRC命令进行编译，产生atmega168_1MRC.HEX文件。
在boards文件中加入如下内容：


一看就懂，不多讲。打开ArduinoIDE，看看开发板是不是多了一个使用内部RC振荡1M时钟的选项


测试程序可以直接上传了，说明以上的串口波特率和Bootloader的设置都没有问题。


现在是使用内部1M时钟，测试程序上传完成后，数字口0、1、11、13接着的LED规律、稳定闪烁，


从图中可见，占空比都是50%，脉宽分别是：0口125ms、1口250ms、11口500ms(0.5s)、13口1s。11口（第三行）脉宽0.5秒，与第一幅图的标准对比不差。说明芯片可以在低时钟下工作，可能坏在低位熔丝的“CLKDIV8”位上了，不能进行有效的8分频。推测可以使用外置24M晶振，进行8分频后得3M，用于芯片时钟。这时的波特率可选14400，可想速度快点可以选择38400。然后更换相应的Makefile和boards文件即可。


测试中使用到的硬件及工具





楼下讲讲怎样在ArduinoIDE中加入一个新的开发板，伸出小手点个赞

jf201006

在ArduinoIDE中加入一个新的开发板：

以1.8.9版本的ArduinoIDE为例，主目录是arduino-1.8.9

ArduinoIDE中每一个开发板，在boards.txt文件中都对应一段定义，如Arduino Nano的ATmega328P：

boards.txt文件中可以找到：

####################################

nano.name=Arduino Nano

nano.upload.tool=avrdude

nano.upload.protocol=arduino

nano.bootloader.tool=avrdude

nano.bootloader.unlock_bits=0x3F

nano.bootloader.lock_bits=0x0F

nano.build.f_cpu=16000000L

nano.build.board=AVR_NANO

nano.build.core=arduino

nano.build.variant=eightanaloginputs

## Arduino Nano w/ATmega328P

##--------------------------

nano.menu.cpu.atmega328=ATmega328P

nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_size=30720

nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_data_size=2048

nano.menu.cpu.atmega328.upload.speed=115200

nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.low_fuses=0xFF

nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.high_fuses=0xDA

nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.extended_fuses=0xFD

nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328.hex

nano.menu.cpu.atmega328.build.mcu=atmega328p

从定义中可知：

熔丝位为Lfuse:FF，Hfuse:DA，Efuse:FD，Lock:3F。

时钟为16M，波特率为115200，FLASH大小为30720bytes，bootloader文件为optiboot_atmega328.hex等等。

boards.txt文件在：ArduinoIDE目录（arduino-1.8.9）\hardware\arduino\avr\boards.txt

接下为是bootloader文件，目录是：ArduinoIDE目录（arduino-1.8.9）\hardware\arduino\bootloaders\，这里不同开发板的bootloader文件在不同的目录里。

如optiboot\下就可以找到optiboot_atmega328.hex这个以328P为MCU构成的NANO板的bootloader文件，而这个文件产生，要使用Makefile文件进行编译。用记事本打开，可以找到如下一段：

atmega328: TARGET = atmega328

atmega328: MCU_TARGET = atmega328p

atmega328: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=3' '-DBAUD_RATE=115200'

atmega328: AVR_FREQ = 16000000L

atmega328: LDSECTIONS  =-Wl,--section-start=.text=0x7e00 -Wl,--section-start=.version=0x7ffe

atmega328: $(PROGRAM)_atmega328.hex

atmega328: $(PROGRAM)_atmega328.lst

atmega328_isp: atmega328

atmega328_isp: TARGET = atmega328

atmega328_isp: MCU_TARGET = atmega328p

# 512 byte boot, SPIEN

atmega328_isp: HFUSE = DE

# Low power xtal (16MHz) 16KCK/14CK+65ms

atmega328_isp: LFUSE = FF

# 2.7V brownout

atmega328_isp: EFUSE = 05

atmega328_isp: isp

这里面定义了熔丝位，波特率，boot区的大小及起始地址，与boards.txt对应。

了解了以上，就可以自己为ArduinoIDE，定制一块开发板了，朋友项目中使用了内部8M的时钟，下面我们一起来做个使用内部1M时钟的。

首先，要下载一个1.0.4版本的ArduinoIDE，主要是为了做出bootloader文件，因为在1.8.9的版本内精简了文件，不能做出bootloader文件，1.0.4测试通过的。

第一步：在arduino-1.0.4\hardware\arduino\bootloaders\optiboot\目录下找到Makefile文件，没有扩展名的。用编辑器（可以用记事本）打开，适当位置加入以下这部分并保存：

# Standard atmega168, only at 9,600 baud for closer clock accuracy ANDusing 1Mhz internal RC oscillator BY-jf201006

#

atmega168_1MRC: TARGET = atmega168

atmega168_1MRC: MCU_TARGET = atmega168

atmega168_1MRC: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=3' '-DBAUD_RATE=9600'

atmega168_1MRC: AVR_FREQ = 1000000L

atmega168_1MRC: LDSECTIONS  =-Wl,--section-start=.text=0x3e00 -Wl,--section-start=.version=0x3ffe

atmega168_1MRC: $(PROGRAM)_atmega168_1MRC.hex

atmega168_1MRC: $(PROGRAM)_atmega168_1MRC.lst

atmega168_1MRC_isp: atmega168

atmega168_1MRC_isp: TARGET = atmega168

atmega168_1MRC_isp: MCU_TARGET = atmega168

# 2.7V brownout, SPIEN

atmega168_8MRC_isp: HFUSE = DD

# Int. RC Osc. 1MHz, slowly rising power-65ms

atmega168_1MRC_isp: LFUSE = 62

# 512 byte (256Words) boot

atmega168_1MRC_isp: EFUSE = 04

atmega168_1MRC_isp: isp

在命令窗口运行omake atmega168_1MRC命令进行编译,

运行结束后会在optiboot目录下多出两个文件：optiboot_atmega168_1MRC.hex和optiboot_atmega168_1MRC.lst，我们只要HEX文件。

记事本打开可以看到如下内容：

将optiboot_atmega168_1MRC.hex拷贝到现以使用的ArduinoIDE（arduino-1.8.9）\hardware\arduino\avr\bootloaders\optiboot\目录下。

第二步：在arduino-1.8.9\hardware\arduino\avr目录下找到boards.txt并打开（可以使用记事本）。加入如下部分并保存：

######################################################

atmega168_1MRC.name=ATmega168 Optiboot @ 9,600baud w/ 1MHz IntRC.

atmega168_1MRC.upload.tool=avrdude

atmega168_1MRC.upload.protocol=arduino

atmega168_1MRC.upload.maximum_size=14336

atmega168_1MRC.upload.maximum_data_size=1024

atmega168_1MRC.upload.speed=9600

atmega168_1MRC.bootloader.tool=avrdude

atmega168_1MRC.bootloader.low_fuses=0x62

atmega168_1MRC.bootloader.high_fuses=0xDF

atmega168_1MRC.bootloader.extended_fuses=0xFC

## atmega168_1MRC.bootloader.path=optiboot

atmega168_1MRC.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega168_1MRC.HEX

atmega168_1MRC.bootloader.unlock_bits=0x3F

atmega168_1MRC.bootloader.lock_bits=0x0F

atmega168_1MRC.build.board=AVR_NANO

atmega168_1MRC.build.mcu=atmega168

atmega168_1MRC.build.f_cpu=1000000L

atmega168_1MRC.build.core=arduino

atmega168_1MRC.build.variant=standard

第三步：打开ArduinoIDE查看：

已经有我们做的开发板了。

使用方法：168芯片熔丝低位设置为62，高位DF（可根据实际设置），扩展位为FC。为芯片下载bootloader文件，就是第一步做出来的optiboot_atmega168_1MRC.HEX。之后就可以在ArduinoIDE中使用了。

根据此方法可以做出自己项目中需要的开发板来。

另附上optiboot_atmega168_1MRC.hex文件的内容：

:103E0000112484B714BE81FFF0D085E08093810037

:103E100082E08093C00088E18093C10086E08093B7

:103E2000C2008CE08093C4008EE0C9D0259A86E061

:103E300023EC3FEF91E0309385002093840096BB04

:103E4000B09BFECF1D9AA8958150A9F7CC24DD2404

:103E500088248394B5E0AB2EA1E19A2EF3E0BF2E27

:103E6000A2D0813461F49FD0082FAFD0023811F076

:103E7000013811F484E001C083E08DD089C0823420

:103E800011F484E103C0853419F485E0A6D080C024

:103E9000853579F488D0E82EFF2485D0082F10E0EE

:103EA000102F00270E291F29000F111F8ED0680127

:103EB0006FC0863521F484E090D080E0DECF843678

:103EC00009F040C070D06FD0082F6DD080E0C816C8

:103ED00088E3D80618F4F601B7BEE895C0E0D1E053

:103EE00062D089930C17E1F7F0E0CF16F8E3DF0614

:103EF00018F0F601B7BEE89568D007B600FCFDCF14

:103F0000A601A0E0B1E02C9130E011968C911197C0

:103F100090E0982F8827822B932B1296FA010C01A0

:103F200087BEE89511244E5F5F4FF1E0A038BF07D0

:103F300051F7F601A7BEE89507B600FCFDCF97BE86

:103F4000E89526C08437B1F42ED02DD0F82E2BD092

:103F50003CD0F601EF2C8F010F5F1F4F84911BD0D7

:103F6000EA94F801C1F70894C11CD11CFA94CF0C53

:103F7000D11C0EC0853739F428D08EE10CD084E9ED

:103F80000AD086E07ACF813511F488E018D01DD0B0

:103F900080E101D065CF982F8091C00085FFFCCFD4

:103FA0009093C60008958091C00087FFFCCF809158

:103FB000C00084FD01C0A8958091C6000895E0E688

:103FC000F0E098E1908380830895EDDF803219F06E

:103FD00088E0F5DFFFCF84E1DECF1F93182FE3DF0A

:103FE0001150E9F7F2DF1F91089580E0E8DFEE2736

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:023FFE000404B9

:0400000300003E00BB

:00000001FF

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谢谢观赏！！

祝坛友们周末快乐！！

suprab

看起来真厉害，俺是看不懂。

触景情伤

那个ISP下载器不能烧熔丝位吗？

jf201006

触景情伤 发表于 2021-4-18 08:18
那个ISP下载器不能烧熔丝位吗？

当然可以。但我是折腾一个项目上拆下来的芯片，各种情况都有，自己做的熔丝恢复器可以读出原来们熔丝值，以查看问题所在。

触景情伤

jf201006 发表于 2021-4-18 10:20
当然可以。但我是折腾一个项目上拆下来的芯片，各种情况都有，自己做的熔丝恢复器可以读出原来们熔丝值， ...

我还以为我买错了呢，吃灰了几年，就因为手里有几片AT89c52的单片机

dzy123

谢谢分享。

cushion

配件真齊全啊！:praise:
牙膏擠滿了。。。

轻烟

一堆代码，看着头晕:dizzy:

有点不烧

又有的折腾了:praise:

595953427@qq

有了BootLoader确实方便，不同厂家，不同型号的单片机可以共用同一个上位机软件更新APP程序。现在玩AVR的不多了吧，大多是用8051或ARM，ARM的BootLoader很简单，8051的BootLoader会比较麻烦一点，但是不复杂，只是设置起来比较麻烦，原理都一样。

jf201006

595953427@qq 发表于 2021-4-22 23:19
有了BootLoader确实方便，不同厂家，不同型号的单片机可以共用同一个上位机软件更新APP程序。现在玩AVR的不 ...

是的，玩AVR的少。找些相关的例程也不方便。

ljlun

jf201006 发表于 2021-4-18 10:20
当然可以。但我是折腾一个项目上拆下来的芯片，各种情况都有，自己做的熔丝恢复器可以读出原来们熔丝值， ...

谢谢分享！

33232

学习了！Q~万恶的字数。。。。。。。。。。。。

成哥哥哈

完全看不懂
。。。。。

ljlun

jf201006 发表于 2021-4-23 08:59
是的，玩AVR的少。找些相关的例程也不方便。

现在ARM比较流行

yofa2008

LZ有研究在arduino里添加mega8/16/32通用的AVR进行二次开发吗？就像UNO 或者ATMEGA官方开发板那样，用串口更新固件update。
之前有了解过，好像貌似bootloader这块始终没有搞定:mad:

beiling

大佬 大佬 这个bootloader可以用另一片arduino uno r3 下载进去吧

skyrusher

:smile:在涨价前进了些STC8G1K08A-36I-SOP8，希望高手能折腾个arduino ide环境支持。

adsl_95

595953427@qq 发表于 2021-4-22 23:19
有了BootLoader确实方便，不同厂家，不同型号的单片机可以共用同一个上位机软件更新APP程序。现在玩AVR的不 ...

stm32用的bootloader是只要找一个所有型号都通用吗?
avr的我知道不通用.arm没研究太多