Bootloader

Cuando cargamos un programa en Arduino desde el USB con el IDE, estamos haciendo uso del bootloader, se trata de un pequeño programa que ha sido guardado previamente en el microcontrolador de la placa y que nos permite cargar código sin necesidad de hardware adicional. El bootloader solo está activo unos segundos cuando se resetea el Arduino y después comienza el sketch que está cargado en la flash de Arduino y que hemos programado y subido a la placa.

El bootloader se ejecuta cuando el microcontrolador se enciende o se pulsa el botón reset, durante un corto espacio de tiempo espera que le llegue por el puerto serie un nuevo sketch desde el IDE de Arduino (este distingue un sketch de otra cosa porque tiene un formato definido). Si llega un sketch, este es guardado en la memoria flash y ejecutado, en caso contrario ejecuta el sketch anteriormente cargado.

La mayoría de los Arduinos tienen la función autoreset que permite al IDE de Arduino subir el código sin tener que pulsar el botón de reset.

El bootloader hace que parpadee el pin 13 (led integrado en la placa) cuando se ejecuta.

La mayoría de los microcontroladores de AVR pueden reservar una zona de la memoria flash (entre 256B a 4 KB) para el bootloader. El programa bootloader reprograma el microcontrolador para guardar en la memoria flash el código binario a través de cualquier interface disponible.

El bootloader de Arduino está programado en la memoria flash del ATMega328p y ocupa 0,5 KB de los 32KB disponibles. Este bootloader viene precargado en la memoria flash del microcontrolador y es lo que diferencia el ATMega328p de Arduino de otro que viene de fábrica.

El Arduino UNO viene con el microcontrolador ATMega328p precargado con un bootloader que permite cargar nuevo código sin un programador. El bootloader se comunica usando el protocolo STK500.

El protocolo STK500 http://www.atmel.com/Images/doc2525.pdf es propio de Atmel. Es un protocolo serie y los programadores emulan este protocolo sobre un puerto serie virtual en un USB. Originalmente STK500 fue un programador fabricado por Atmel y a raíz de ello liberaron el protocolo STK500.

En este enlace es posible obtener el código en C del protocolo STK500: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/avr061.zip

Arduino decidió usar avrdude y STK500 serial bootloader para programar o cargar nuevos programas en Arduino sin necesidad de HW adicional. El bootloader de Arduino es esencialmente el bootloader STK500 de Atmel.

Las MCUs AVR de 8bits ATMega con interfaz USB integrado como son el ATmega16U2 y ATmega8U2, vienen de fábrica un USB bootloader en la sección de arranque de la flash. Este bootloader USB permite hacer In-System programming desde USB host controller sin la necesidad de un HW externo. En este documento se describe las funcionalidades del USB bootloader: http://www.atmel.com/Images/doc7618.pdf

El puerto serie durante el proceso de bootloader funciona a 19200 baudios.

El bootloader estándar de Arduino usa el protocolo STK500 versión 2 y por ese motivo es el valor que usamos en el IDE de Arduino.

Los comandos para “quemar” el bootloader en Arduino usan una herramienta open nsource llamada avrdude, de la que se hablará más tarde. Hay cuatro pasos a la hora de cargar el bootloader:

  • Desbloquear la sección de bootloader en el chip
  • Configurar los fuses en la MCU
  • Cargar el código del bootloader en el microcontrolador
  • Bloquear la sección del bootloader en la MCU

Todo esto es controlado por una serie de preferencia en el fichero de preferencias de Arduino: https://www.arduino.cc/en/Hacking/Preferences

Cuando el Boot Reset Fuse (BOOTRST) está configurado, el contador de programa en la memoria flash es inicializado a una dirección de memoria de un bloque en el extremo superior de la memoria (esto depende de como se hayan configurado los fuses, ver https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino_Uno_Rev3-schematic.pdf para más información). El código que comienza no puede hacer nada, si realmente se quiere se podría poner su propio programa de allí si se utiliza un ICSP (los bootloaders por lo general no puede sobrescribirse a sí mismos).

Funciones de la AVR-lib para bootloader: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__boot.html

El bootloader se trata de un programa especial y puede leer datos de una fuente externa como UART, I2C, CAN, etc… para reescribir el programa guardado en la memoria flash del microcontrolador. El bootloader busca un evento especial que puede ser cualquier cosa, pero para el desarrollo es más conveniente algo en el bus de datos que será puesto en la flash de la MCU. Si el bootloader ve ese evento especial, entonces entra en modo bootloading en el que hace un reflash de la memoria de programa del microcontrolador, pero si no aparece el evento, pasa el control al código del usuario.

El bootloader no consume RAM y los únicos efectos que tiene son modificaciones en los registros del hardware periferivo, pero un buen bootloader no debe dejar ningún estado perjudicial en el que encienda periféricos que malgasten energía cuando pones la MCU en modo sleep. Es una buena práctica inicializar los periféricos que se usan, así aunque el bootloader haga algo extraño, habremos inicializado como queremos que se comporte.

Avrdude es un programa para descargar y cargar a la memoria de las MCUs AVR de Atmel. Puede programar la Flash y la EEPROM y es soportado por el puerto serie.

Avrdude funciona mediante la línea de comandos y soporta los siguientes tipos de programadores:

  • Atmel’s STK500
  • Atmel’s AVRISP and AVRISP mkII devices
  • Atmel’s STK600
  • Atmel’s JTAG ICE (both mkI and mkII, the latter also in ISP mode)
  • appnote avr910
  • appnote avr109 (including the AVR Butterfly)
  • serial bit-bang adapters
  • PPI (parallel port interface)

Avrdude junto con otras herramientas se encuentran en: C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr

Para cargar un sketch con avrdude en Arduino en lugar de usar el IDE, simplemente conectar el cable USB y presionar el botón de reset antes de ejecutar avrdude. Luego ejecutar con estas opciones:

  • Use -b 19200 to set the baud rate to 19200
  • The device signature reads dont seem to work so you’ll want to use -F
  • The programmer type is avrisp
  • The device type is -p m168
  • The port is whatever the FTDI chip shows up as

Un tutorial de avrdude se encuentra en http://ladyada.net/learn/avr/index.html

Más información:

Reparar el bootloader de un ATTiny: https://learn.adafruit.com/introducing-trinket/repairing-bootloader

Auto Reset

Para cargar un nuevo sketch en un microcontrolador, es necesario hacer un reset para pausar la ejecución de su programa y poder cargar el nuevo.

En el caso de los Arduinos, tienen la funcionalidad de auto-reset que está diseñado de forma que permite ser reseteado vía software conectado a un ordenador como el IDE de arduino. Una de las líneas de hardware flow control (DTR) del ATmega8U2/16U2 está conectada a la línea de reset de ATmega328 a través de un condensador de 100 nF.

El SW de Arduino usa esta capacidad para cargar el código simplemente pulsando el botón de carga en el IDE. De esta forma se sincroniza perfectamente el envío del nuevo sketch junto con el reset del microcontrolador.

Al resetear lo primero que arranca es el bootloader y puede comenzar la carga del sketch. El bootloader espera unos segundos para ver si un nuevo sketch se está cargando y en ese caso borra lo que hay en la flash y luego empieza a cargar el programa que está en la flash.

Arduino Uno dispone de un jumper soldado que se puede cortar para deshabilitar el auto-reset y luego estos se pueden soldar de nuevo para habilitarlo.

Más información en:

Bootloaders

Además del bootloader que disponemos desde el IDE de Arduino y el que viene precargado en los microcontroladores de Arduino, existen otros bootloaders con mejoras en algunos aspectos o para ofrecer nuevas características.

Codigo fuente del bootloader de Arduino: https://github.com/arduino/Arduino/tree/master/hardware/arduino/avr/bootloaders

Optiboot es un bootloader muy conocido que está más optimizado que el bootloader oficial de Arduino, permitiendo sketches mayores, carga más rápida.

Toda la información del optiboot:

HoodLoader2 te la opción de reprogramar el ATmega16u2 de un Arduino normal con sketcehs: https://github.com/NicoHood/HoodLoader2, se  trata de un proyecto muy intersante.

Como funciona el optiboot: https://code.google.com/archive/p/optiboot/wikis/HowOptibootWorks.wiki

Adaboot es otro bootloader optimizado cuyas mejoras ya las incluye optiboot. Más información: https://learn.adafruit.com/arduino-tips-tricks-and-techniques/bootloader

Optiloader es un sketch diseñado para automatizar las actualización de los bootloaders de Arduino usando otro Arduino como programador. Almacena múltiples copias de optiboot en la flash y cuando se inicia consulta al Arduino a cargar el bootloader y averigua la CPU que tiene e inicia la carga del bootloader ya programación adecuada de los fuses.

Interesante un TFTP bootloader: http://playground.arduino.cc/Code/TFTP_Bootloader_1

Más información: https://github.com/WestfW/OptiLoader

Cargar el Bootloader en Arduino

Antes de cargar el bootloader, debemos asegurarnos la placa seleccionada en el IDE para que al realizar el “quemado” del bootloader se configure el bootloader adecuado para cada placa y los comandos de carga del bootloader.

  • Arduino Uno y mini posee auto reset usando el optiboot bootloader
  • Arduino mega  posee auto reset y usa el stk500v2 bootloader

Para cargar o “quemar” el bootloader, necesitaremos un programador externo (in-system programmer). como USBtinyISP (https://learn.adafruit.com/usbtinyisp), un programador parallelo (http://arduino.cc/en/Hacking/ParallelProgrammer) u otro arduino con un programa adecuado cargado.

El programador se conecta a ICSP y debemos asegurarnos que lo conectamos correctamente y asegurarnos que hemos seleccionado la placa correcta, luego lanzar el comando herramientas > grabar secuencia de inicio desde el IDE de arduino. Este proceso tarda 15 o más segundos.

Más información:

En el fichero de preferencias están todos los datos para la carga del bootloader un función del modelo de bootloader: http://arduino.cc/en/Hacking/Preferences

Ver los ficheros boards.txt y programmers.txt en C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino y ver es esa misma ruta los bootloader.

Más información en: https://code.google.com/p/arduino/wiki/Platforms

Para el Arduino mini hay diferencias a la hora de cargar el bootloader: http://arduino.cc/en/Hacking/MiniBootloader

Cargar sketches con un programador externo

Con un programador externo, además de cargar el bootloader a un microcontrolador, también podemos cargar los sketchs en la MCU sin necesidad del bootloader.

Esto nos permite usar el espacio completo de la memoria flash del microcontrolador, además de ahorrarnos el retraso que hay en el arranque cuando tenemos el bootloader.

Esto nos permite usar un arduino sin un bootloader y también es posible cargar el hex ya compilado en arduino con herramientas gráficas como XLoader: http://xloader.russemotto.com/ o con avrdude directamente como hemos visto anteriormente. La compilación puede ser con el IDE de Arduino o con cualquier otro compilador basado en avr-GCC

Para usar el programador externo debemos modificar ligeramente el fichero de preferencias del IDE de Arduino y debemos hacerlo con el IDE cerrado. Para encontrar el fichero de preferencias: http://arduino.cc/en/Hacking/Preferences

Debemos cambiar la línea  upload.using=bootloader por el identificador de uno de los programadores que tenemos en el fichero programmers.txt. Por ejemplo avrispmkii.

Después de hechos estos cambios, puedes cargar los sketches a la placa con el botón normal de upload, pero no es necesario pulsar el botón de reset, puesto que Arduino ya tiene la configuración de auto-reset.

Para volver a programar usando el bootloader, debemos volver a la configuración upload.using=bootloader en el fichero de preferencias y por supuesto el bootloader de nuevo en la placa.

Más información: http://arduino.cc/en/Hacking/Programmer

Ejemplos de programadores:

También es posible programar un ATtiny con una Raspberry Pi por SPI: http://www.instructables.com/id/Programming-the-ATtiny85-from-Raspberry-Pi/?ALLSTEPS

Ejercicios Bootloader

Ejercicio36-ArduinoISP: Usar un Arduino para hacer In-Sytem Programming a otro Arduino.

Usar un Arduino como pasarela para programar otro directamente sin bootloader.

ATENCIÓN –  esto eliminará el bootloader de Arduino

Tutoriales:

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio36-ArduinoISP

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