von Karsten Donat

[bearbeiten] Was ist ein Bootloader?

Der Bootloader ist selbst ein kleines Programm. Es wird beim Start des Controllers zuerst ausgeführt. Damit das PC-Programm für das Firmware-Update sich 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, den der Bootloader benötigt, verloren. Da Peters Bootloader jedoch in ein 512Bytes (256 Worte!) großes Segment passt, stört das nicht weiter.

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

• Speed: 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 STK-500 noch an den Flash)
• 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).

[bearbeiten] Features

• 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.

[bearbeiten] Downloads

• http://www.mikrocontroller.net/topic/73196 - Forum-Beitrag und Bootloader
• Forums-Beitrag mit dem Download der aktuellen Version 2.1
• http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card.asp?tool_id=2725 - Atmel AVR-Studio (Bootloader compilieren)
• http://www.avrfreaks.net - Passende PC Software für Linux und MAC-OSX (Leider nur mit Anmeldung zu erreichen)
• http://www.KarstenDonat.de/AVR/Bootloader.pdf - diese Anleitung als PDF
• http://www.KarstenDonat.de/AVR - ATMega IDE 2007
• http://www.myavr.de/download/myAVR_WorkpadPLUS_Demo.exe - myAVR Workpad Plus Demoversion (Fuses beim myAVR ändern)
• Python Implementierung des bootloaders
• http://www.mikrocontroller.net/attachment/27570/Bootloaderprotokoll.txt - Protokollbeschreibung

[bearbeiten] Bootloader anpassen

[bearbeiten] CPU-Frequenz, Wartezeit - FASTLOAD.H

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		= 3686400	; 8MHz, not critical 

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

.equ	BootDelay	= XTAL / 3	; 0.33s 

[bearbeiten] UART Port/ Pins – BOOTLOAD.ASM

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

STX_PORT: Hier den Sendeport angeben. Für den Hardware-UART des M8 wäre das Port D. Es muss zwar nicht der Hardware-UART sein, wenn man den aber ohnehin als Schnittstelle nutzt, ist es sinnvoll, diesen zu wählen.

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

Beispiel für Hardware-UART im ATMega 8, 48, 168

Zusätzlich muss noch oben in der Datei die für den AVR passende .inc Datei eingebunden und die voreingestellte auskommentiert werden. Die hier benötigten Dateien werden bei dem AVR Studio mit geliefert und werden am Besten einfach in das Verzeichnis des Bootloaders kopiert. 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.

[bearbeiten] Compilieren des Bootloaders

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 m8.asm

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). Der Aufruf des Assemblers lautet dann:

wine avrasm2.exe -fI M8.ASM

[bearbeiten] Brennen des Bootloaders

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:\Developing\AVR\Test\Bootloader Peter Dannegger\fastload_V14\m8 3686400.hex":i
 -U flash:v:"C:\Developing\AVR\Test\Bootloader Peter Dannegger\fastload_V14\m8 3686400.hex":i -y

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

[bearbeiten] Einstellen der Fuses

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.

[bearbeiten] Fuses mit myAVR ändern

Der myAVR Dongle unterstützt leider keine Fuses mit AVRDude. Abhilfe liefert hier jedoch das myAVR Workpad Plus. Die Demo-Version (reicht hierfür) kann unter

http://www.myavr.info/download/myAVR_WorkpadPLUS_Demo.exe

heruntergeladen werden. Nach dem Installieren und Starten im Menü Extras – Fuse- und Lock-Bits wählen. Das Programm ermittelt automatisch den aktuellen Status. Je nach Controller steht der Bootloader Support unter High oder Extended Fuses.

[bearbeiten] Brennen des eigentlichen Programmes

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

[bearbeiten] Bootloader-Support in ATMegaIDE 2007

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

[bearbeiten] Anpassen des Programms

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

[bearbeiten] Tastendruck

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.

[bearbeiten] RS232/USB

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

[bearbeiten] Einstellungen in der IDE

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

[bearbeiten] ToDo

[bearbeiten] Komfortables Stand-Alone Firmware-Update

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.

[bearbeiten] Automatisches erzeugen des Bootloaders

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