AVR Bootloader FastBoot von Peter Dannegger

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von Karsten Donat

Was ist ein Bootloader?[Bearbeiten]

Der Bootloader ist selbst ein kleines Programm. Es wird beim Start des Controllers zuerst ausgeführt. Damit sich das PC-Programm für das Firmware-Update melden kann, wartet der Bootloader eine gewisse Zeit (hier 0,33 Sekunden) auf ein Zeichen über die serielle Schnittstelle (UART RS232, USB). Kommt dies Zeichen, wird die neue Firmware gebrannt. Andernfalls wird das eigentliche Programm des Controllers ausgeführt.

Dem eigentlichen Anwendungsprogramm geht natürlich der Platz verloren, den der Bootloader benötigt. Da Peters Bootloader jedoch in ein 512Bytes (256 Worte!) großes Segment passt, stört das nicht weiter.

Normalerweise wird der Programmcode des Mikrocontrollers mit einem ISP-Dongle in den Flash gebrannt. Aus verschiedenen Gründen kann dies jedoch nicht möglich/ gewünscht sein:

  • Geschwindigkeit: Der ISP-Dongle kann langsam sein (z. B. myAVR mit aktuellem AVRDude)
  • PINs: Man braucht die PINs und will ISP abschalten (Fuses, aber Vorsicht!, danach kann man nur mit dem Bootloader oder einem AVR HV-Programmer noch an den Flash-Speicher)
  • Komfort: Man möchte dem Kunden/Nutzer die Möglichkeit geben, eine neue Firmware selbst einzuspielen. In der Regel hat dieser jedoch keinen ISP-Dongle zur Hand. Eine RS232- oder USB-Schnittstelle ist aber oftmals vorhanden.
  • Sicherheit: Man möchte dem Kunden nicht die Firmware in deassemblierbarer Form geben (über geänderten Bootloader kann die Datei verschlüsselt sein).

Features[Bearbeiten]

  • Automatische Erkennung der vom PC verwendeten Baudrate
  • Ein oder zwei Wire Betrieb
  • Support für viele verschiedene AVRs wie: tiny13, tiny2313, tiny25, tiny261, tiny44, tiny45, tiny461, tiny84, tiny85, tiny861, mega48, mega8, mega8515, mega8525, mega88, mega16, mega162, mega168, mega32, mega64, mega644, mega128, mega1281, mega2561.
  • Passwortschutz gegen unberechtigtes Umprogrammieren (aber keine Verschlüsselung des Programms).
  • Freie Software - unter GPL lizenziert (Link). Das eigentliche Anwendungsprogramm, das über den Bootloader geladen wird muß deswegen *nicht* unter der GPL stehen und dessen Quelltext auch *nicht* veröffentlicht werden (Link).

Anforderungen an das zu ladende Programm[Bearbeiten]

Bei AVRs ohne "boot reset vector fuse" (BOOTRST) wie beispielsweise ATtinys und kleinen ATmegas (ATmega48) muß der erste Befehl ein RJMP sein. Für C-Programme ist das automatisch sichergestellt (und für Assembler-Programme leicht selbst sicherzustellen).

Downloads[Bearbeiten]

Thread zum Bootloader: UART Bootloader ATtiny13 - ATmega644

Bootloader anpassen[Bearbeiten]

CPU auswählen – BOOTLOAD.ASM[Bearbeiten]

Die CPU (der Atmel auf dem der Bootloader laufen soll) wird durch Einkommentieren der zugehörigen Include-Files ausgewählt. Im Beispiel für einen ATtiny45.

 
;           select the appropriate include file:
;.include "tn13def.inc"
;.include "tn2313def.inc"
;.include "tn25def.inc"
;.include "tn261def.inc"
;.include "tn44def.inc"
.include "tn45def.inc"
;.include "tn461def.inc"
;.include "m48def.inc"
;.include "tn84def.inc"
;.include "tn85def.inc"
;.include "tn861def.inc"

Dabei nicht vergessen, die bisher (per Default) ausgewählte CPU ATmega168 auszukommentieren:

 
;.include "m168def.inc"

UART Port und Pins festlegen – BOOTLOAD.ASM[Bearbeiten]

Da die verwendeten Pins für die Schnittstelle frei wählbar sind, müssen diese noch eingestellt werden.

STX_PORT: Hier den Sendeport angeben. Für die Pins des Hardware-UARTs des M8 wäre das Port D. Es müssen zwar nicht dieselben Pins sein, wenn man sie aber ohnehin als Schnittstelle nutzt, ist es sinnvoll, sie auszuwählen. Verwendet wird immer ein im Bootloader integrierter Software-UART, der auf beliebigen I/O-Pins lauschen kann.

 
.equ    STX_PORT        = PORTD
.equ    STX             = PD1
 
.equ    SRX_PORT        = PORTD
.equ    SRX             = PD0

Beispiel für gleiche Bepinnung wie Hardware-UART im ATMega 8, 48, 168

Für One-Wire-Betrieb muß für TX und RX zweimal der gleiche Pin angeben werden. Beim Assemblieren wird das erkannt und One-Wire aktiviert - es ist keine weitere Änderung nötig.

CPU-Frequenz und Wartezeit festlegen - FASTLOAD.H[Bearbeiten]

Bei XTAL die benutzte Frequenz des Controllers einstellen (jungfräuliche AVRs haben oft intern 1MHz aktiviert!). Im Standard Makefile von WinAVR steht die Frequenz unter F_CPU

 
.equ	XTAL		= 8000000   ; 8MHz, not critical

Um die Wartezeit auf das Firmware-Update beim Booten anzupassen:

 
.equ	BootDelay	= XTAL / 3  ; 0.33s

Assemblieren des Bootloaders[Bearbeiten]

Da der Bootloader in Assembler geschrieben ist, kann WinAVR nicht so ohne weiteres damit umgehen. Das einfachste ist, sich das AVRStudio von Atmel herunterzuladen http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card.asp?tool_id=2725

Im Unterverzeichnis AvrAssembler2 befindet sich der benötigte Assembler. Das Einfachste ist, sich die unter "Appnotes" benötigte Include Datei des jeweiligen Controllers (oder das komplette Verzeichnis) und die avrasm2.exe ins Verzeichnis des Bootloaders zu kopieren.

Danach wird der Assembler aufgerufen (m8.asm für ATMega 8) und der Bootloader kompiliert:

avrasm2 -fI BOOTLOAD.ASM

Es ist wichtig, dass die Includes des avrasm2 und nicht die der alten Version verwendet werden, da es sonst beim Assemblieren zu dem Fehler "fastload.h(112): error: Use of undefined or forward referenced symbol 'SRAM_START' in .org" kommt.

Das AVRStudio lässt sich unter Linux auch mit WINE installieren (die IDE des AVR Studio 4 geht allerdings nur mit ein paar Tricks aus der AppDB - ist für das Assemblieren des Bootloaders aber nicht nötig). Wenn "avrasm2.exe" und die zum AVR passende Include-Datei (beispielsweise "tn45def.inc" für ATtiny45) im gleichen Verzeichnis wie die restlichen Dateien des Bootloaders liegen, kann der Bootloader mit folgendem Befehl assembliert werden:

wine avrasm2.exe -fI BOOTLOAD.ASM

Brennen des Bootloaders[Bearbeiten]

Der nun erzeugte Bootloader wird mit dem vorhanden ISP Dongle in den AVR gebrannt (Intel Hex Format):

"avrdude" -p m8 -c avr910 -P com1 -U flash:w:"C:\Test\m8 3686400.hex":i -U flash:v:"C:\Test\m8 3686400.hex":i -y

Brennen mit AVRDude auf COM 1 und einem AVR910 kompatiblen Dongle (z. B. myAVR USB)

Einstellen der Fuses[Bearbeiten]

Damit der Bootloader zu Beginn gestartet wird, müssen die entsprechenden Fuses gesetzt werden. Möglich ist dies u.a. mit der AVRDude GUI.

  • BOOTRST muss auf 0 gestellt werden (aktiviert den Bootloader)
  • BOOTSZ muss auf 256 Worte (= 512 Byte) (oder dem minimal möglichen Wert, wenn AVR nur größere Bootloader Regionen unterstützt) gestellt werden. Beispielsweise ist für den ATMega8 der Wert 10.

Bei einigen Controllern wie z. B. dem ATMega 48 wird das Flag

  • Selfprogramming enabled gesetzt.

Auf dieser Website (Fusecalc) kann man sich die Fuses elegant zusammenstellen und erhält gleich die Parameter für avrdude. Eine schnelle und *sichere* Alternative zum fehlerträchtigen "Kaputtflashen" von Atmels.

Brennen des eigentlichen Programmes[Bearbeiten]

Damit das Programm mit Peters Tool in den Controller geladen werden kann, muss es im Intel HEX Format vorliegen. Im makefile Template von WinAVR (und auch der ATMegaIDE) ist dies standardmäßig eingestellt.

# Output format. (can be srec, ihex, binary)
FORMAT = ihex

Danach wird Peters Firmware-Update Tool aufgerufen (hier COM2)

fboot /C2 /Pmain.hex

hier wird die main.hex als Hauptprogramm gebrannt

Wichtig hierbei ist, dass der Dateiname der alten DOS Konvention entspricht. Also keine langen Dateinamen.

Peters Firmware-Update Tool lässt sich unter Linux leider nicht mit WINE starten, dafür aber mit DOSBOX. Der Aufruf ist dann der gleiche wie unter Windows.

Wenn noch keine Firmware im Controller ist (direkt nach dem Installieren des Bootloaders), startet der Brennvorgang automatisch. Andernfalls wartet das Programm auf den Reset des Controllers. Peters Tool arbeitet nur mit COM1 bis COM4 zusammen. Also ggf. den USB Adapter im Gerätemanager umstellen.

Die Ausgabe sieht dann wie folgt aus:

C:\DOCUME~1\zzzzzz\Desktop\avr\_soft\fboot18>fboot18 /Ptest.hex /b9600 /c1
COM 1 at 9600 Baud: Connected (One wire)
Bootloader V1.8
Target: 1E9108
Buffer: 32 Byte
Size available: 1534 Byte
Program test.hex: 00000 - 00073 successful
CRC: o.k.
Elapsed time: 1.43 seconds

Für Linux steht ebenfalls ein Programmiertool (aus diesem Beitrag) für die aktuelle Version 2.1 des Bootloaders für die Kommandozeile zur Verfügung, das auch den One-Wire-Betrieb unterstützt.

Es lässt sich nach dem Entpacken durch ein simples "make" übersetzen. Die Verwendung ist analog zum DOS-Tool:

./bootloader -d /dev/ttyS0 -b 115200 -p tiny45test.hex

=================================================
|           BOOTLOADER, Target: V2.1            |
=================================================
Port    : /dev/ttyS0
Baudrate: 115200
File    : tiny45test.hex
Reading : tiny45test.hex... File read.
Size    : 2717 Bytes
Program device.
-------------------------------------------------
Waiting for device... connected (one wire)!
Bootloader    : V2.1
Target        : 1E9206 ATtiny45
Buffer        : 64 Byte
Size available: 3582 Byte
CRC enabled and OK.
Programming   : 00000 - 00A9D
Writing | ##################################### | 100%
Elapsed time: 0.79 seconds, 3439 Bytes/sec.

 ++++++++++ Device successfully programmed! ++++++++++

...starting application

Bootloader-Support in ATMegaIDE 2007[Bearbeiten]

Die IDE kann wahlweise mit AVRDude und einem entsprechenden ISP-Dongle oder mit dem Bootloader das Programm in den Flash brennen.


Anpassen des Programms[Bearbeiten]

Um das Firmware Update komfortabler zu gestalten, kann ein Software-Reset eingebaut werden, der per RS232- bzw. USB-Schnittstelle oder Tastendruck ausgelöst wird.

Tastendruck[Bearbeiten]

In der mitgelieferten Standard.h gibt es den Befehl void Reset();. Er löst mit Hilfe des Watchdog-Timers einen Hardwarereset aus. Man kann jetzt z. B. auf einen bestimmten Tastendruck (-kombination) hin diesen Reset ausführen.

RS232/USB[Bearbeiten]

Alternativ kann ein entsprechender Befehl über die RS232 gesendet werden. Standardmäßig ist dies 0xFF ‚R‘.

Einstellungen in der IDE[Bearbeiten]

Der Bootloader Support kann bei den Projekt-Eigenschaften eingestellt werden. Beim Brennen wird er dann automatisch benutzt.

ToDo[Bearbeiten]

Komfortables Stand-Alone Firmware-Update[Bearbeiten]

Basierend auf dem Code der IDE wird es im September noch ein Standalone-Programm für das Firmware-Update geben. Es wird auch ein entsprechendes Protokoll zur Versionskontrolle haben (die bisherige Soft- und viel wichtiger Hardwareversion wird überprüft). Eine Verschlüsselung der Firmware-Datei ist in Planung.

Automatisches Erzeugen des Bootloaders[Bearbeiten]

Sobald ich Zeit habe kommt in die IDE auch die Möglichkeit, die Anpassungen des Bootloaders von der IDE durchführen zu lassen.


Integration von fastboot in avrdude[Bearbeiten]

Scheint zu laufen, wurde aber wegen diversen Änderungen in avrdude noch nicht integriert. Eventuell erbarmt sich ja mal jemand :)