Некоторые ножки портов выполняют специальные функции. Например, какие-то порты кроме обычной функции GPIO (программно управляемые порты DIGITAL) могут формировать ШИМ (PWM), некоторые могут работать как входы АЦП (входы коммутатора ADC, ANALOG IN), некоторые совмещены с портами UART (COMMUNICATION) и т. п. Ниже на рисунке приведена подробная функциональная диаграмма платы Arduino Mega 2560, где описаны все эти функции.

Внимание: описываемую здесь процедуру следует делать только в исключительных случаях, когда Вам нужно по какой-то причине обновить firmware моста USB-UART. Обычно это никогда делать не надо.

На платах ревизии 1: замкните капелькой олова перемычку на обратной стороне платы (недалеко от рисунка карты Италии), после чего сбросьте ATmega8U2.

На платах ревизии 2 и более поздних: есть резистор, который притягивает ножку HWB микроконтроллеров 8U2/16U2 к земле, что упрощает их перевод в режим DFU.

После того, как чип моста переведен в режим DFU, Вы можете воспользоваться программным обеспечением Flip компании Atmel (на Windows) или DFU Programmer (на Mac OS X или Linux) для загрузки нового программного обеспечения моста.

Другой вариант - вместо DFU-загрузчика можно использовать обычный ISP-программатор. Внимание, эта процедура сотрет DFU-загрузчик, однако с помощью того же ISP программатора загрузчик всегда можно при желании восстановить.

Когда начинаешь работать с микроконтроллерной системой в первый раз, то обязательно нужно запустить стандартный Hello World: мигание светодиодом. Светодиод подключен на плате Arduino Mega 2560 к цифровому порту 13 (как на всех платах Arduino). Если посмотреть на схему, то это порт PB7, ножка 26 корпуса TQFP100. Чтобы можно было управлять светодиодом, эта ножка порта должна быть настроена как выход, и на неё поочередно, через задержку 1 секунду надо выводить то лог. 1 (тогда светодиод загорится), то 0 (тогда светодиод погаснет). В результате получится мигание с частотой 0.5 Гц - именно то что нам нужно. Давайте рассмотрим по шагам, как это можно сделать для платы Arduino Mega 2560 в разных системах программирования под операционной системой Windows.

1. Установите себе эту систему, если она еще не установлена (можно скачать бесплатно с сайта arduino.cc).

2. Подключите плату к компьютеру. Установите драйвер USB, если он у Вас не установлен (см. вопрос "Где взять драйвер USB?"). Диспетчере Устройств посмотрите, какой получился номер COM-порта. Предположим, что это COM155.

3. Запустите среду программирования Arduino. В меню Сервис -> Плата выберите пункт Arduino Mega 2560 or Mega ADK.

Затем в меню Сервис -> Последовательный порт выберите COM155.

4. В меню Файл -> Примеры -> 01.Basics выберите пример Blink.

Откроется новое окно редактора кода, где Вы увидите текст скетча Blink.

5. Выберите в меню пункт Файл -> Загрузить, или нажмите горячие клавиши Ctrl+U. Несколько секунд понадобится на компиляцию, секунд на загрузку, и в результате на плате замигает с частотой 0.5 Гц светодиод L.

Примечание: если у Вас не разрешена функция автосброса, то придется перед загрузкой нажать на кнопку RESET, расположенную на плате.

Давайте рассмотрим, из чего состоит код скетча Blink.

void setup() {
  // Эта функция инициализирует цифровой порт 13 как выход:
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH);   // Выдать в порт лог. 1, светодиод загорится.
  delay(1000);              // Задержка в 1 секунду.
  digitalWrite(13, LOW);    // Выдать в порт лог. 0, светодиод погаснет.
  delay(1000);              // Задержка в 1 секунду.
}

Все довольно просто. Функции setup и loop стандартные, они обязательно присутствуют в любом скетче Arduino. Функция setup отвечает за первоначальные настройки после сброса или включения питания, здесь настройка заключается только в вызове функции pinMode, которая настраивает нужный нам порт 13. Функция loop выполняет бесконечный цикл (между фигурными скобками функции loop заключено тело этого цикла). В данном примере функция digitalWrite устанавливает на выходе то лог. 1, то лог. 0, а функция delay осуществляет задержку между переключениями.

Эта система разработки получила заслуженную популярность как у профессионалов, так и у опытных радиолюбителей по многим причинам. Она бесплатная, довольно простая, примеров кода и готовых проектов для неё много. Здесь я не буду разбирать, чем AVR Studio лучше или хуже Arduino IDE. Это вопрос чисто личный, каждый волен выбирать то, что для него удобнее и понятнее. Также не будут рассматривать процесс установки AVR Studio - дистрибутив можно свободно скачать с сайта Atmel или других источников, и вся процедура установки состоит в запуске инсталлятора, после чего также нужно скачать и установить тулчейн WinAVR. Рассмотрим, как программировать плату Arduino Mega 2560 в среде AVR Studio на том же самом примере - мигание светодиодом. Предполагаю, что AVR Studio и тулчейн WinAVR у Вас уже установлены.

1. Запустите AVR Studio, выберите в меню Project -> New Project. Откроется окно мастера создания проекта. Выберите тип проекта (Project type:) AVR GCC, вбейте любое имя проекта (английскими буквами, например HelloWorld), выберите место (папку) Location, где будет создан проект. Должно получиться примерно так, как показано на скриншоте:

После этого нажмите на кнопку Next.

2. На следующем шаге Вам предложат выбрать платформу отладки (Debug platform:) и тип микроконтроллера (Device:). Выберите платформу отладки AVR Simulator 2, и микроконтроллер ATmega2560, после чего нажмите на кнопку Finish.

На этом создание проекта завершено, теперь нужно ввести код программы, и настроить параметры проекта.

3. В окне редактора кода модуля HelloWorld.c введите следующий код:

//Подключение заголовков, в которых определены порты микроконтроллера,

// и имя подпрограммы задержки:

#include < avr/io.h >

#include < util/delay.h >
 

//Объявление имени LED для ножки порта, куда подключен светодиод:

#define LED PB7
 

// Основная функция, где находится главный цикл программы.

void main (void)
{
   //До начала главного цикла всегда делаются предварительные настройки.
   DDRB = (1 << LED);  // настройка порта LED как выхода
   
   //Главный бесконечный цикл программы.
   while(1)
   {
      PORTB |=  (1 << LED);     // зажечь светодиод
      _delay_ms (100);          // задержка на 100 мс
      PORTB &= ~(1 << LED);     // погасить светодиод
      _delay_ms (100);          // задержка на 100 мс
   }
}

4. Выберите в меню пункт Project -> Configuration Options. Здесь уже установлен правильно тип микроконтроллера, нужно только ввести тактовую частоту в поле Frequency. Введите в это поле 16000000 (наш микроконтроллер работает на частоте 16 МГц) и нажмите OK. 

После этого попробуйте его скомпилировать проект выбором в меню Build -> Rebuild All. Проект успешно скомпилируется, в консоли выведется сообщение об успешной компиляции. 

В результате компиляции в папке проекта появится файл HelloWorld.hex (он расположен в подкаталоге default проекта). Это и есть двоичный код программы в формате Intel Hex, который нужно как-то передать загрузчику, чтобы он записал этот код в память микроконтроллера.  

Для загрузки кода используется утилита AVRDUDE - это программа, запускаемая из командной строки с нужными опциями. В системе Arduino IDE все уже настроено заранее, незаметно для пользователя, но для AVR Studio нам предстоит организовать процесс загрузки самостоятельно. 

5. Выберите пункт меню Tools -> Customize..., перейдите на закладку Tools. Нажмите вверху на кнопочку с папкой для создания нового пункта меню, введите название пункта наподобие AVRDUDE-Mega2560. В поле ввода Command: введите "C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\bin\avrdude", в поле Arguments: введите -C"C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf" -patmega2560 -cwiring -P\\.\COM155 -b115200 -D -Uflash:w:default\HelloWorld.hex, в поле Initial directory: введите просто точку (это означает текущий каталог проекта).

После этого нажмите кнопку Close. Готово! Новый пункт меню Tools создан, он позволяет запустить программирование платы Arduino Mega 2560 кодом прошивки HelloWorld.hex, который мы получили в результате компиляции.

1. File -> New -> Project... -> выберите раздел C/C++ -> GCC C Executable Project. В нижней части введите в поле Name: имя проекта HelloWorld, выберите папку для размещения корневого каталога проекта Location:, снимите галочку Create directory for solutuon, кликните OK.

2. Откроется окно выбора типа микроконтроллера Device Selection. Выберите микроконтроллер ATmega2560, кликните OK.

3. Будет создан новый проект, и в текстовом редакторе уже будет открыт готовый шаблон функции main. Нужно в свойствах проекта установить тактовую частоту, задав макроопределение F_CPU. Для этого откройте свойства проекта (меню Project -> HelloWorld Properties...), перейдите в раздел Toolchain -> AVR/GNU C Compiler -> Symbols, добавьте в поле Defined symbold символ F_CPU=16000000, нажмите Ctrl+S (сохранение проекта).

4. Перейдите в модуль кода HelloWorld.c, добавьте в тело функции main код, который настраивает ножку порта светодиода PB7, и управляет его состоянием через задержку. Получится примерно следующее:

/*

 * HelloWorld.c

 *

 * Created: 24.04.2015 17:27:31

 *  Author: microsin

 */ 

#include < avr/io.h >

#include < util/delay.h >

int main(void)
{
   DDRB |= (1 << PB7);
   while(1)
   {
      //TODO:: Please write your application code 
      PORTB |= (1 << PB7);
      _delay_ms(1000);
      PORTB &= ~(1 << PB7);
      _delay_ms(1000);
   }
}

Скомпилируйте код, выбрав в меню Build -> Rebuild Hello World. Проект успешно скомпилируется, в подкаталоге Debug появится скомпилированная прошивка HelloWorld.hex. 

5. Теперь осталось настроить выгрузку кода в плату Arduino. Можно сделать, настроив вызов внешнего инструментария в меню Tools -> External Tools..., точно так же, как это было сделано в случае AVR Studio.

Примечание: следует загрузить последнюю версию Atmel Studio, потому что многие предыдущие версии имели баги с передачей во внешние инструменты макропеременных проекта наподобие $(TargetName). На момент написания статьи это была Atmel Studio 6.2 sp2 (build 1563) http://www.atmel.com/images/AStudio6_2sp2_1563.exe.

В поле Title: введите имя нового пункта меню AVRDUDE-Mega2560, в поле Command: введите C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\bin\avrdude.exe (напомню, что это полный путь до модифицированной версии avrdude из каталога установки Arduino IDE, которая поддерживает автосброс), в поле Arguments введите -C"C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf" -patmega2560 -cwiring -P\\.\COM155 -b115200 -D -Uflash:w:$(TargetDir)$(TargetName).hex:a, в поле Initial directory: введите точку. Поставьте галочку Use Output window. 

Кликните OK.

Здесь описана процедура настройки выгрузки кода в среде CodeVisionAVR версии 3.12 Advanced. В сравнении с другими системами программирования это самый простой и удобный вариант быстрого старта после Arduino IDE.

1. Запустите CodeVisionAVR. Выберите в меню File -> New -> Project. Появится окно с запросом - нужно ли для создания проекта использовать мастера (CodeWizardAVR), ответьте утвердительно (Yes). Тип микроконтроллера выберите AT90, ATtiny, ATmega.

2. Откроется большое окно настроек CodeWizardAVR. Выберите тип микроконтроллера (Chip:) ATmega2560, тактовую частоту (Clock:) 16,000000 MHz.

3. В разделе Project Information укажите имя проекта HelloWorld.

4. В разделе Ports перейдите на закладку Port B и переключите Bit 7 в состояние Out.

5. Снимите галочку в меню Program -> Generate Code for Disabled Peripherals. Выберите в меню Program -> Generate, Save and Exit. Появится окно для сохранения генерируемого файла модуля. Выберите папку, куда хотите сохранить модуль (файл с расширением *.c), дайте ему имя main, кликните Сохранить. Введите имя файла проекта HelloWorld (файл с расширением *.prj), кликните Сохранить. Введите имя файла для настроек проекта HelloWorld (файл с расширением *.cwp), кликните Сохранить. В основном окне программы откроется новый проект.

6. Перейдите в редактор кода модуля main.c, после строки #include < mega2560.h > добавьте строчку #include < delay.h >. Прокрутите вниз текст модуля main.c, вставьте в тело цикла while (1) код переключения светодиода:

..

#include < mega2560.h >

#include < delay.h >

..

while (1)
{
    // Place your code here
    PORTB |= (1 << PORTB7);
    delay_ms(500);                          
    PORTB &= ~(1 << PORTB7);
    delay_ms(500);                          
}

7. Выберите в меню Project -> Build (Shift+F9). Откроется окно с результатами компиляции.

Кликните OK. В папке Debug\Exe\ появится двоичный код прошивки HelloWorld.hex.

8. Выберите в меню Tools -> Upload to Arduino (Shift+F5). Выберите тип платы Arduino Mega ATmega2560, COM Port выберите тот, который соответствует виртуальному COM-порту подключенной через USB платы Arduino.

Кликните OK. Программа загрузится в плату и запустится.

Здесь рассматривается работа с Eclipse Luna, с установленным AVR Plugin.

[Создание нового проекта]

Выберите в меню Eclipse пункт File -> New -> Project..., откроется окно визарда нового проекта. Выберите в дереве C/C++ -> C Project, кликните Next.

В поле ввода Project name: введите имя проекта, например HelloWorld, в дереве Project type: выберите AVR Cross Target Application -> Empty Project, в списке Toolchains выберите нужный тулчейн (тулчейнов может быть несколько, но в данном примере он у нас один - AVR-GCC Toolchain). Кликните Next.

На следующем экране настраиваются конфигурации для компиляции проекта. Уже настроены 2 конфигурации Debug (предназначена для отладки) и Release (для конечной рабочей версии программы). Кликните Next.

Выберите тип микроконтроллера (MCU Type) и тактовую частоту (MCU Frequency), кликните Finish.

Примечание: тип микроконтроллера следует выбрать согласно Вашему электронному устройству, которое разрабатываете. Например, Вы пишете программу для платы Arduino Mega 2560. Тогда надо выбрать ATmega2560 и тактовую частоту 16 МГц.

Теперь у нас получился готовый пустой проект, куда нужно добавить модули исходного кода и заголовки. Они могут быть уже готовые (например, какие-нибудь уже готовые подпрограммы или библиотеки в исходном коде), либо новые, которые Вы создаете и пишете. Давайте создадим новый модуль исходного кода, который просто мигает светодиодом.

Раскройте дерево проекта в Project Explorer. Кликните правой кнопкой на имя проекта HelloWorld и выберите в контекстном меню New -> File. Откроется диалог New File. В поле File name: введите main.c и кликните Finish.

В окне редактора кода введите следующий код:

#include < avr/io.h >

#include < util/delay.h >
 

int main (void)
{
   DDRB |= (1 << PB7);
   while(1)
   {
      PORTB |= (1 << PB7);
      _delay_ms (1000);
      PORTB &= ~(1 << PB7);
      _delay_ms (1000);
   }
}

Выберите в меню Project -> Build all (Ctrl+B). Проект скомпилируется. 

[Настройка конфигурации программатора]

Рассмотрим, как настроить перепрошивку памяти программ микроконтроллера на примере использования UART-загрузчика Arduino Mega 2560 R3. Для поддержки функции автосброса понадобится исправленная версия AVRDUDE, которая находится в каталоге Arduino IDE (путь наподобие C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin) и дополненная конфигурация AVRDUDE (которая находится в файле наподобие C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf). 

1. В Eclipse зайдите в меню Windows -> Preferences -> AVRDude, поставьте галочку Use custom configuration file for AVRDude, кликните Browse... и выберите конфигурационный файл (например C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf). 

Примечание: если Вы хотели бы также видеть в консоли Eclipse вывод утилиты avrdude, то поставьте галочку Log internal AVRDude output to console. 

2. Paths -> AVRDude -> кнопка Edit -> Path source: Custom, Custom value: введите полный путь каталога, где находится avrdude.exe (например C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin) -> OK.

Кликните OK. 

3. Откройте свойства проекта, выберите секцию AVR -> AVRDude, создайте новую конфигурацию для программатора (Programmer configuration), для этого кликните кнопку New..., откроется окно для редактирования конфигурации программатора. Установите здесь следующие опции: 

Configuration name. Введите произвольное имя, например Arduino-MEGA2560-autoreset.

Programmer Hardware (-c). Выберите Arduino.

Override default port (-P). Введите системный путь до порта, например //./COM19 (COM19 это имя виртуального COM-порта, который появляется при подключении платы Arduino через USB, имя порта можно подсмотреть в Диспетчере Устройств).

Override default baudrate (-b). Выберите из выпадающего списка скорость 115200.

Other options. Добавьте в поле ввода строку -patmega2560 -cwiring. Здесь выбирается секция конфигурации avrdude.conf, где используется автосброс платы перед загрузкой кода.

Кликните OK. 

4. Перейдите на закладку Advanced, поставьте галочку Disable device signature check. 

Кликните OK. 

5. Для проверки, как работает выгрузка программы в плату, выберите в меню AVR -> Upload Project to Target Device (Ctrl+Alt+U). В результате в консоль будет выведен примерно следующий лог: 

Launching C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin\avrdude -pm2560 -carduino -P//./COM19 -b115200 -patmega2560
 -cwiring -F -Uflash:w:HelloWorld.hex:a "-CC:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf" 
Output:
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions
Reading | ################################################## | 100% 0.01s
avrdude: Device signature = 0x1e9801
avrdude: NOTE: FLASH memory has been specified, an erase cycle will be performed
         To disable this feature, specify the -D option.
avrdude: erasing chip
avrdude: reading input file "HelloWorld.hex"
avrdude: input file HelloWorld.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: writing flash (326 bytes):
Writing | ################################################## | 100% 0.07s
avrdude: 326 bytes of flash written
avrdude: verifying flash memory against HelloWorld.hex:
avrdude: load data flash data from input file HelloWorld.hex:
avrdude: input file HelloWorld.hex auto detected as Intel Hex
avrdude: input file HelloWorld.hex contains 326 bytes
avrdude: reading on-chip flash data:
Reading | ################################################## | 100% 0.04s
avrdude: verifying ...
avrdude: 326 bytes of flash verified
avrdude done.  Thank you.
avrdude finished 

Кто сказал, что Visual Studio придумали для написания только компьютерных программ на C#, C++, Java и Basic? А вот и нет! Эта среда теперь настолько крута, что сгодится даже для программирования микроконтроллеров на C и ассемблемблере.

[Шаг 1. Создание Makefile-проекта] 

Запустите Visual Studio, зайдите в меню Файл -> Создать -> Проект..., выберите раздел Установленные шаблоны -> Visual C++ -> Проект, использующий makefile: 

Введите имя проекта (Имя:), выберите папку, где будет расположен каталог проекта (Расположение:), уберите галочку "Создать каталог для решения", кликните OK. 

Запустится мастер настройки проекта. 

Настройте в окне "Параметры конфигурации отладки" следующие опции: 

1. Командная строка построения: make 

2. Команды очистки: make clean 

3. Командная строка перестроения: make all (эта команда будет впоследствии исправлена)

4. Вывод (для отладки): имя для выходного файла прошивки. Обязательно укажите расширение файла *.hex (HelloWorld.hex, к примеру). 

5. Путь поиска включений: %AVR32_HOME%\avr\include 

Примечание: здесь %AVR32_HOME% это переменная окружения, в которой задан каталог установки WinAVR (например, C:\WinAVR-20100110) или тулчейна из Atmel Studio (например, c:\Program Files\Atmel\AVR Tools\AVR Toolchain). Вместо переменной окружения можно указать просто реальный путь до тулчейна.

Кликните Далее. В окне "Параметры конфигурации выпуска" поставьте галочку "Как в конфигурации отладки". Кликните Готово. 

[Шаг 2. Сконфигурируйте проект] 

Среда Visual Studio автоматически создала для Вас пустой makefile-проект. Теперь его нужно немного настроить, чтобы можно было начать писать программу для AVR. 

Сделайте правый клик на названии проекта (myAVRproj) в дереве Обозревателя решений, и выберите в контекстном меню Свойства. Откроется окно редактирования свойств проекта с активной конфигурацией Debug. 

Перейдите в раздел Свойства конфигурации -> NMake. Измените список команд для перестроения всех файлов, для чего кликните на уже введенную строку make all, справа появится черный треугольничек выпадающего списка вариантов, кликните на него, выберите Изменить..., введите список команд make clean и make all.

Перейдите в раздел Свойства конфигурации -> Каталоги VC++, очистите поля ввода Каталоги включения, Каталоги ссылок, Каталоги библиотек, Каталоги исходного кода, Исключаемые каталоги. Кликните OK. 

[Шаг 3. Создание и добавление makefile]

В корневом каталоге проекта создайте файл с именем makefile следующего содержания:

TARGET = HelloWorld

DEVICE       = atmega2560

F_CPU        = 16000000

SRC          = $(wildcard *.c)

CC = avr-gccCFLAGS = -Wall -Os -gstabs -DF_CPU=$(F_CPU) -mmcu=$(DEVICE)

INCLIDEDIR = -I$(AVR32_HOME)\avr\include
 

.PHONY: clean all default
 

default: $(TARGET)

all: default
 

OBJECTS  = $(patsubst %.c, %.o, $(wildcard *.c))

HEADERS  = $(wildcard *.h)

OBJFILES = $(wildcard *.o)
 

%.o: %.c $(HEADERS)

        $(CC) $(INCLUDEDIR) $(CFLAGS) -c $< -o $@
 

.PRECIOUS: $(TARGET) $(OBJECTS)
 

$(TARGET): $(OBJECTS)
	rm -f $(TARGET).hex$(CC) -g -mmcu=$(DEVICE) -o $(TARGET).elf $(OBJFILES)
	avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex $(TARGET).elf $(TARGET).hex
	avr-size $(TARGET).hex

clean:
	-rm -f *.o $(TARGET).elf $(TARGET).hex

Внимание: используйте в этом файле для пустых отступов слева табуляцию (не пробелы!), иначе утилита make.exe будет работать неправильно.

[Шаг 4. Написание модуля исходного кода]

Сделайте правый клик в дереве Обозревателя решений на папке "Файлы исходного кода", выберите Добавить -> Создать элемент... -> Visual C++ -> Файл C++ (.cpp) -> Имя: введите HelloWorld.c -> кликните Добавить. В текстовом редакторе кода откроется пустой файл HelloWorld.c, вставьте так следующий код (он точно такой же, как был в примере быстрого старта для AVR Studio):

//Подключение заголовков, в которых определены порты микроконтроллера

// и имя подпрограммы задержки:

#include < avr/io.h >

#include < util/delay.h >

 //Объявление имени LED для ножки порта, куда подключен светодиод:

#define LED PB7
 

// Основная функция, где находится главный цикл программы.

void main (void)
{
   //До начала главного цикла всегда делаются предварительные настройки.
   DDRB = (1 << LED);  // настройка порта LED как выхода
   
   //Главный бесконечный цикл программы.
   while(1)
   {
      PORTB |=  (1 << LED);     // зажечь светодиод
      _delay_ms (100);          // задержка на 100 мс
      PORTB &= ~(1 << LED);     // погасить светодиод
      _delay_ms (100);          // задержка на 100 мс
   }
}

Попробуйте скомпилировать проект через меню Построение -> Перестроить HelloWorld. Компиляция должна завершиться успешно: 

1>------ Перестроение всех файлов начато: проект: HelloWorld, Конфигурация: Debug Win32 ------
1>Сборка начата 21.04.2015 12:15:46.
1>CoreClean:
1>  rm -f *.o HelloWorld.elf HelloWorld.hex
1>Rebuild:
1>  rm -f *.o HelloWorld.elf HelloWorld.hex
1>  avr-gcc  -Wall -Os -gstabs -DF_CPU=16000000 -mmcu=atmega2560 -c HelloWorld.c -o HelloWorld.o
1>  rm -f HelloWorld.hex
1>  avr-gcc -g -mmcu=atmega2560 -o HelloWorld.elf HelloWorld.o
1>  avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex HelloWorld.elf HelloWorld.hex
1>  avr-size HelloWorld.hex
1>     text	   data	    bss	    dec	    hex	filename
1>        0	    328	      0	    328	    148	HelloWorld.hex
1>
1>Построение успешно завершено.
1>
1>Затраченное время: 00:00:00.77
========== Перестроение всех: успешно: 1, с ошибками: 0, пропущено: 0 ==========

[Шаг 5. Настройка перепрошивки платы через загрузчик Arduino]

Зайдите в меню Сервис -> Внешние инструменты..., нажмите кнопку Добавить. В поле Название: введите название для нового пункта меню AVRDUDE-arduino-mega2560. В поле Команда: введите C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin\avrdude.exe (полный путь до исправленной версии avrdude из установленной среды Arduino IDE). В поле Аргументы: введите -C"C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf" -patmega2560 -cwiring -P\\.\COM19 -b115200 -D -Uflash:w:$(TargetName).hex (обратите внимание, что здесь указан полный путь до конфигурационного файла avrdude.conf из установленной среды Arduino IDE, и указано имя COM-порта для подключения). В поле Исходный каталог: введите $(ProjectDir). Поставьте галочку Использовать окно вывода, остальные галочки уберите. Получится примерно так:

Нажмите OK. В меню Сервис появится новый пункт меню AVRDUDE-arduino-mega2560.

Теперь выберите этот пункт меню, и файл прошивки будет записан загрузчиком в память микроконтроллера.

avrdude.exe: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.01s

avrdude.exe: Device signature = 0x1e9801
avrdude.exe: reading input file "HelloWorld.hex"
avrdude.exe: input file HelloWorld.hex auto detected as Intel Hex
avrdude.exe: writing flash (328 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.07s

avrdude.exe: 328 bytes of flash written
avrdude.exe: verifying flash memory against HelloWorld.hex:
avrdude.exe: load data flash data from input file HelloWorld.hex:
avrdude.exe: input file HelloWorld.hex auto detected as Intel Hex
avrdude.exe: input file HelloWorld.hex contains 328 bytes
avrdude.exe: reading on-chip flash data:

Reading | ################################################## | 100% 0.05s

avrdude.exe: verifying ...
avrdude.exe: 328 bytes of flash verified

avrdude.exe: safemode: Fuses OK

avrdude.exe done.  Thank you.

Подключил платку к компьютеру, определилось новое устройство "USB Device" с VID 0x2341 и PID 0x0042, система Windows запросила драйвер. Где этот драйвер можно найти?

Драйвер находится в папке наподобие c:\Program Files\Arduino1.0.6\drivers\ (если Вы установили среду разработки Arduino IDE). Укажите мастеру установки драйвера этот каталог, и драйвер установится. В процессе установки драйвера может появиться предупреждение:

В этом случае нажмите "Все равно продолжить", и драйвер установится. В Диспетчере Устройств можно увидеть новый виртуальный COM-порт:

Запомните номер COM-порта (в данном примере COM155), он понадобится в системе разработки Arduino IDE (или Fritzing) для подключения через Serial-монитор и для загрузки кода программы через USB.

Драйвер можно также скачать по ссылке [9], см. в архиве папку ArduinoMega2560\drivers\.

[Windows 7 64 бита]

Эта операционная система драйвер не потребовала, виртуальный COM-порт установился в системе автоматически.

Если Вам нужны технические подробности, то пожалуйста ознакомьтесь со ссылкой [4]. Здесь будет только краткое описание принципа работы UART-загрузчика Arduino.

Во-первых, почему собственно UART-загрузчик, ведь плата Arduino подключается через USB? Все просто - про USB микроконтроллер ничего не знает, потому что он общается с компьютером через свой аппаратный порт UART (Serial). Данные из USB в UART и обратно преобразуются с помощью специального узла, расположенного на плате Arduino - моста USB-UART. Иногда это микросхема FTDI, здесь у нас мост собран на микроконтроллере ATmega16U2 (в ревизиях 1 и 2 плат Arduino Mega это может быть ATmega8U2).

Во-вторых, было бы хорошо разобраться, на чем основана работа загрузчика. Получается, что микроконтроллер может перезаписывать собственную программную память? Да, это именно так. Память программ микроконтроллера (FLASH) поделена на 2 секции - код программы пользователя, который начинается с адреса 0, и код загрузчика, который размещается в старших адресах памяти. В нашем случае загрузчик находится в байтовых адресах 0x3E000..0x3FFFF, программа пользователя может занимать область памяти 0x00000..0x3DFFF. На картинке ниже показана карта памяти микроконтроллера ATmega328, который тоже применяется в платах Arduino. Тот же самый принцип размещения загрузчика и у микроконтроллера ATmega2560, отличие только в начальном адресе загрузчика и в значении фьюзов.

Примечание: отличие также может быть и в использовании протокола обмена. В старых платах Arduino использовалась устаревшая версия протокола STK500. В Arduino Mega 2560 используется обновленный протокол STK500 [6].

Микроконтроллер ATmega2560 настроен фьюзами так, что после сброса он принудительно начнет выполнять код загрузчика, т. е. произойдет безусловное выполнение кода с адреса 0x3E000. Далее загрузчик некоторое время ждет (это время называют таймаутом загрузчика, обычно обычно оно около 1 секунды, но это время может быть и больше, в зависимости от версии загрузчика) поступления данных программы пользователя, т. е. прошивки, которую загрузчик должен записать начиная с адреса 0x00000. Если такие данные поступят, то и начнется процедура самопрограммирования, т. е. компьютер передает по определенному протоколу через USB программу, мост её преобразовывает в данные UART, код загрузчика эти данные обрабатывает, выделяет оттуда байты кода и записывает их в память FLASH микроконтроллера. По окончании процесса записи загрузчик завершает свою работу и передает управление коду пользователя, т. е. по адресу 0. Если же после сброса в течение таймаута загрузчика код через UART не поступил, то загрузчик просто передает управление по адресу 0.

Таким образом, ничего особо сложного нет. Чтобы эта система работала, нужно наличие в памяти микроконтроллера прошитого загрузчика в старших адресах, и определенным образом записанные фьюзы, которые выбирают размер секции загрузчика и разрешают его работу при сбросе. Все это сделано заранее на заводе, где выпускают платы Arduino.

Примечание: в Интернет-магазинах можно купить дешевые китайские платы Arduino. Часто бывает так, что китайцы для удешевления производства "забывают" прошить загрузчик и сконфигурировать фьюзы. Если Вы купили плату Arduino, и загрузка кода не работает, то Вы либо не установили драйвер и неправильно сконфигурировали среду разработки Arduino, либо в память микроконтроллера просто не прошит загрузчик (подробнее обсуждение проблем с загрузчиком см. [4]). Загрузчик можно восстановить / прошить (а также сконфигурировать фьюзы) с помощью любого ISP-программатора AVR. Программатор подключается через к плате Arduino коннектор ICSP.

Чтобы запустить загрузчик и начать записывать код скетча в память микроконтроллера, нужно нажать на кнопку сброса RESET и в среде Arduino IDE кликнуть на кнопку Upload. Если разрешена работа функции автосброса, то кнопку RESET нажимать не надо, сброс произойдет автоматически с помощью перепада 1 -> 0 сигнала DTR (за автосброс отвечают элементы схемы микроконтроллер IC4, резистор RN3D, конденсатор C7, перемычка RESET-EN).

Как происходит передача кода загрузчику? За это отвечает утилита AVRDIDE, среда Arduino IDE просто запускает её с нужными опциями (утилита AVRDUDE входит в пакет установки системы программирования Arduino). Вот пример командной строки операционной системы Linux, которую нужно выполнить для перепрошивки памяти микроконтроллера платы Arduino Mega 2560 файлом программы image.hex:

avrdude -p m2560 -c stk500v2 -P /path/to/serial -b 115200 -F -U flash:w:/path/to/image.hex

Здесь опция -p задает тип микроконтроллера, -c протокол обмена, -P задает имя для последовательного порта (в среде Windows вместо /path/to/serial нужно указать имя виртуального COM-порта, например COM7), -b скорость передачи данных, -F отключает проверку сигнатуры, -U задает тип программирования и путь до файла (его полное имя, т. е. месторасположения на диске), который будет передаваться загрузчику.

Для Windows командная строка может выглядеть примерно так:

avrdude -p m2560 -c stk500v2 -P COM155 -b 115200 -F -U flash:w:c:\temp\HelloWorld.hex

Таким образом, Вы можете пользоваться загрузчиком в любой среде программирования - IAR, AVR Studio, Keil, BASCOM IDE, CodeVision AVR, Eclipse (и даже Visual Studio [8]!) и не ограничены программированием в среде разработки Arduino IDE.

[Как заставить работать функцию автосброса]

Все хорошо, командная строка avrdude, которую я привел в предыдущих примерах, работает, но... Приходится перед загрузкой каждый раз нажимать кнопку RESET! Согласитесь, это довольно неудобно. Хочется, чтобы плата сбрасывалась автоматически всякий раз, когда нужно сделать загрузку - именно так, как это организовано в среде Arduino IDE.

Для того, чтобы автосброс работал, придется воспользоваться исправленной версией AVRDIDE, которая находится в каталоге установки Arduino IDE, и готовым конфигурационным файлом avrdude.conf. Для автосброса введите такую командную строку:

"C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\bin\avrdude" 

-C"C:\Program Files\Arduino1.0.6\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf" 

-patmega2560 -cwiring -P\\.\COM155 -b115200 -D -Uflash:w:HelloWorld.hex

Примечание: не спрашивайте меня, что в командной строке означают все эти опции. Я их не сам придумал, а подсмотрел в логе вывода загрузки Arduino IDE (подробный лог загрузки включается через меню Файл -> Настройки -> поставьте галочку "Показывать подробный вывод при: загрузке").

После этого автосброс заработает без нареканий, больше не нужно нажимать перед запуском загрузки кнопку RESET.

Все это можно скачать из репозитория Arduino [7], либо в архиве [9]. См. папку firmwares\bootloader-mega2560\stk500v2\ архива - там находится исходный код загрузчика. Готовая скомпилированная прошивка находится в файле Mega2560-prod-firmware-2011-06-29.hex.

Все это можно скачать из репозитория Arduino [7], либо в архиве [9]. См. папку firmwares\atmegaxxu2\ архива - там находятся исходный код DFU загрузчика (каталог arduino-usbdfu) и исходный код моста USB-UART (каталог arduino-usbserial). Готовая скомпилированная прошивка, в которой объединены сразу и DFU-загрузчик, и код моста USB-UART, находится в файле Arduino-COMBINED-dfu-usbserial-atmega16u2-Mega2560-Rev3.hex.

Драйвер установлен, при загрузке светодиоды RX и RX мигают как положено, но скетч не грузится, в консоли видим следующие сообщения:

Размер скетча в двоичном коде: 1 628 байт (из 258 048 байт максимум)
avrdude: stk500v2_ReceiveMessage(): timeout
avrdude: stk500v2_ReceiveMessage(): timeout
avrdude: stk500v2_ReceiveMessage(): timeout
avrdude: stk500v2_ReceiveMessage(): timeout
avrdude: stk500v2_ReceiveMessage(): timeout
avrdude: stk500v2_ReceiveMessage(): timeout
avrdude: stk500v2_getsync(): timeout communicating with programmer

Причем драйвер установлен, в Диспетчере Устройств без всяких знаков вопроса виден COM-порт, Arduino IDE настроена правильно, и до этого загрузка нормально работала. В Интернете есть много советов и рецептов решения этой проблемы, но в моем случае все было банально: все заработало после простого перетыкания платы в другой порт хаба. В чем была причина ошибки, выяснить так и не удалось - после "перетыкания" загрузка стала нормально работать в любом порте хаба, даже в том, где наблюдалась проблема.

Что делать, если нужно выводить в порт Serial сообщения на русском языке, но программа Serial Monitor системы программирования Arduino IDE выдает вместо русских букв нечитаемые символы?

Самый простой способ - использовать вместо Serial Monitor терминальный клиент putty. У него есть очень гибкие настройки для сессии подключения, и можно без проблем отображать русские буквы в нужной кодировке.

Проблема в недоработке среды Arduino IDE - программа Serial Monitor не умеет отображать текст в кодировке UTF-8. К сожалению, пока разработчики этот баг не исправят, пользоваться Serial Monitor для отображения русскоязычных сообщений нельзя, придется довольствоваться только английским шрифтом. Или используйте putty! При настройке сессии putty не забудьте правильно выставить настройки последовательного порта (9600, 8 бит данных, 1 стоп-бит, без бита четности, т. е. те же параметры, что используются в скетче), и не забудьте выставить кодировку окна UTF-8.

Еще один недостаток в том, что редактор кода Arduino и Serial Monitor влияют на работу друг друга и не лучшим образом - когда основное окно Arduino подвисает (например, при попытке открыть меню Сервис), то работа программы Serial Monitor подвисает тоже.

Примеры настройки сессии программирования использованием загрузчика для AVR Studio, Visual DSP, Eclipse см. в соответствующих врезках. Однако иногда при первом запуске бывают различные проблемы - неправильно заданы опции для AVRDUDE, не отвечает загрузчик и т. п. Поэтому есть 2 основных инструмента для получения подсказки по правильным опциям командной строки:

1. Подсмотрите командную строку для запуска загрузчика в Adruino IDE. Это безотказный способ решения проблемы, когда Вы не знаете, как настроить загрузчик. Запустите Adruino IDE, выберите порт подключения для платы (меню Сервис -> Последовательный порт), выберите плату (меню Сервис -> Плата), загрузите любой скетч примера кода (меню Файл -> Примеры -> Basics -> Blink или другой простейший), включите подробный вывод сообщений при программировании через загрузчик (меню Файл -> Настройки -> поставьте галочку Показывать подробный вывод при: загрузке). После этого запустите программирование платы (Меню файл -> Загрузить). В нижней части окна Arduino IDE будут выведены командная строка и сообщения загрузчика. Пример для платы Arduino Nano v3.0:

C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware/tools/avr/bin/avrdude -CC:\Program Files (x86)\Arduino\
hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf -v -v -v -v -patmega328p -carduino -P\\.\COM26 -b57600 -D 
-Uflash:w:C:\Users\Andrei\AppData\Local\Temp\build7080307910662311707.tmp\AD7691-tester.cpp.hex:i 

avrdude: Version 5.11, compiled on Sep  2 2011 at 19:38:36
         Copyright (c) 2000-2005 Brian Dean, http://www.bdmicro.com/
         Copyright (c) 2007-2009 Joerg Wunsch
         System wide configuration file is "C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf"
         Using Port                    : \\.\COM26
         Using Programmer              : arduino
         Overriding Baud Rate          : 57600
avrdude: Send: 0 [30]   [20] 
avrdude: Send: 0 [30]   [20] 
...
avrdude done.  Thank you.

Из этого лога можно сразу понять, как настроить командную строку для AVRDUDE.

2. Проверьте правильность командной строки AVRDUDE с помощью BAT-файла. Составьте простейший командный файл, который позволит просмотреть сообщения, выводимые AVRDUDE. Это поможет найти ошибку в командной строке. Пример:

"C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin\avrdude.exe" -C"C:\Program Files 
(x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc\avrdude.conf" -patmega328p -carduino -P\\.\COM26 
-b57600 -D -Uflash:w:default\AD7691-tester.hex

pause

Команда pause в конце BAT-файла нужна для его остановки, чтобы можно было просмотреть сообщения AVRDUDE. Если нужно посмотреть подробный вывод диагностических сообщений, добавьте в командную строку одну или несколько опций -v (можно добавить до 4 опций -v; чем больше их добавлено, тем подробнее будут сообщения от AVRDUDE).