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optiboot anchor.png

optibootはATMEL AVRを搭載したボード用のbootloaderの一つ。

optibootの特徴は，

  • 機能を必要最低限に絞ってサイズを512byte以下と小さくしている。
    これにより，ユーザープログラム領域を大きく出来る。
  • avrdude等との通信のbaudrateが115200と高速。
    Flash ROMへの書き込み時間が短くなる。
    RC発振器を使用しているボードではうまく通信できなくなるので，baudrateを57600にする必要がある。
  • 電源投入時にはすぐにユーザープログラムにジャンプする。
  • ATmega8/ATmega168/ATmega328Pを使用したボードに対応している。
    ATmega168PやATmega328には対応していない。
  • ビルドすることで異なるbaudrateやcpuに対応する。

市販されているArduinoボードには，このoptibootが標準で搭載されているようだ。

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optibootのバージョン anchor.png

市販されているArduinoボードに書き込まれているoptibootはversion 4.4。
optibootサイトで開発は行われていて，現在はversion8.3になっている。

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自作ボード用にoptibootをビルドする anchor.png

ATmega168PやATmega328を使った自作ボードがあるので，optibootをビルドして書き込んでみた。

内蔵RC発振器の8MHz仕様のボードと16MHzのX'talを実装したボードがある。内臓RC発振器はその精度が悪い（±10%）ため，optibootのデフォルトのbaudrate 115200ではうまく通信出来ない。
このため，内蔵RC発振器を使うボードでは，baudrateが57600を使うようにする。
また，オンボードLEDやポートの使い方が違うのでそれにも対応する。

Arduino IDEのboards.txtもそのように設定する必要がある。

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version 4.4 anchor.png

optiboot 4.4はArduino IDEにソースコードがバンドルされているので，それを使用した。
bootloaderにあるoptibootディレクトリに各ボード用のビルド済みoptiboot version4.4とソースコードが用意されている。

optiboot 4.4では，ATmega168P/ATmega328に対応していない。これはArduinoの公式ボードではこれらのCPUは使われていないからと思われる。

ATmega168P/ATmega328とbaudrate 57600に対応するためソースコードを以下のように編集した。

optiboot.cの178行目あたりを編集。

/* set the UART baud rate defaults */
#ifndef BAUD_RATE
#if F_CPU >= 8000000L
#define BAUD_RATE   115200L // Highest rate Avrdude win32 will support
#elsif F_CPU >= 1000000L
#define BAUD_RATE   9600L   // 19200 also supported, but with significant error
#elsif F_CPU >= 128000L
#define BAUD_RATE   4800L   // Good for 128kHz internal RC
#else
#define BAUD_RATE 1200L     // Good even at 32768Hz
#endif
#endif
 ↓
/* set the UART baud rate defaults */
#ifndef BAUD_RATE
#if F_CPU = 8000000L
#define BAUD_RATE   57600L  // for internal RC osc.
#elsif F_CPU > 8000000L
#define BAUD_RATE   115200L // Highest rate Avrdude win32 will support
#elsif F_CPU >= 1000000L
#define BAUD_RATE   9600L   // 19200 also supported, but with significant error
#elsif F_CPU >= 128000L
#define BAUD_RATE   4800L   // Good for 128kHz internal RC
#else
#define BAUD_RATE 1200L     // Good even at 32768Hz
#endif
#endif

optiboot.cの231行目あたりを以下のように編集。

#if defined(__AVR_ATmega168__)
 ↓
#if defined(__AVR_ATmega168__) || defined(__AVR_ATmega168P__)

pin_defs.hの1行目を以下のように編集。

#if defined(__AVR_ATmega168__) || defined(__AVR_ATmega328P__) || defined(__AVR_ATmega328__) || defined(__AVR_ATmega88) || defined(__AVR_ATmega8__) || defined(__AVR_ATmega88__)
 ↓
#if defined(__AVR_ATmega168__) || defined(__AVR_ATmega328P__) || defined(__AVR_ATmega88) || defined(__AVR_ATmega8__) || defined(__AVR_ATmega88__)

pin_defs.hの18行目に以下を追加。

#if defined(__AVR_ATmega328__)
// ATmega328のボード(USB IO PCB)のオンボードLEDは，PC5
#define LED_DDR  DDRC
#define LED_PORT PORTC
#define LED_PIN  PINC
#define LED      PINC5

/* Ports for soft UART */
#ifdef SOFT_UART
#define UART_PORT   PORTD
#define UART_PIN    PIND
#define UART_DDR    DDRD
#define UART_TX_BIT 1
#define UART_RX_BIT 0
#endif
#endif

#if defined(__AVR_ATmega168P__)
// ATmega168P(PIRAMP PCB)のオンボードLEDは，PB0
#define LED_DDR  DDRB
#define LED_PORT PORTB
#define LED_PIN  PINB
#define LED      PINB0

/* Ports for soft UART */
#ifdef SOFT_UART
#define UART_PORT   PORTD
#define UART_PIN    PIND
#define UART_DDR    DDRD
#define UART_TX_BIT 1
#define UART_RX_BIT 0
#endif
#endif

Makefileの96行目以降に以下を編集。

ISPFUSES    = $(GCCROOT)avrdude $(AVRDUDE_CONF) -c $(ISPTOOL) \
              -p $(MCU_TARGET) -P $(ISPPORT) $(ISPSPEED) \
              -e -u -U lock:w:0x3f:m -U efuse:w:0x$(EFUSE):m \
              -U hfuse:w:0x$(HFUSE):m -U lfuse:w:0x$(LFUSE):m
ISPFLASH    = $(GCCROOT)avrdude $(AVRDUDE_CONF) -c $(ISPTOOL) \
              -p $(MCU_TARGET) -P $(ISPPORT) $(ISPSPEED) \
              -U flash:w:$(PROGRAM)_$(TARGET).hex -U lock:w:0x2f:m
 ↓
ISPFUSES    = avrdude -c $(ISPTOOL) \
              -p $(MCU_TARGET) -P $(ISPPORT) $(ISPSPEED) \
              -e -u -U lock:w:0x3f:m -U efuse:w:0x$(EFUSE):m \
              -U hfuse:w:0x$(HFUSE):m -U lfuse:w:0x$(LFUSE):m
ISPFLASH    = avrdude -c $(ISPTOOL) \
              -p $(MCU_TARGET) -P $(ISPPORT) $(ISPSPEED) \
              -U flash:w:$(PROGRAM)_$(TARGET).hex -U lock:w:0x2f:m

Makefileの115行目以降に以下を編集。

CC         = $(GCCROOT)avr-gcc

# Override is only needed by avr-lib build system.

override CFLAGS        = -g -Wall $(OPTIMIZE) -mmcu=$(MCU_TARGET) -DF_CPU=$(AVR_FREQ) $(DEFS)
override LDFLAGS       = $(LDSECTIONS) -Wl,--relax -Wl,--gc-sections -nostartfiles -nostdlib

OBJCOPY        = $(GCCROOT)avr-objcopy
OBJDUMP        = $(call fixpath,$(GCCROOT)avr-objdump)

SIZE           = $(GCCROOT)avr-size
 ↓
CC         = avr-gcc

# Override is only needed by avr-lib build system.

override CFLAGS        = -g -Wall $(OPTIMIZE) -mmcu=$(MCU_TARGET) -DF_CPU=$(AVR_FREQ) $(DEFS)
override LDFLAGS       = $(LDSECTIONS) -Wl,--relax -Wl,--gc-sections -nostartfiles -nostdlib

OBJCOPY        = avr-objcopy
OBJDUMP        = avr-objdump

SIZE           = avr-size

Makefileの420行目以降に以下を追加。

# PIRAMP PCB
piramp8: TARGET = piramp_8mhz
piramp8: MCU_TARGET = atmega168p
piramp8: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x3e00 -Wl,--section-start=.version=0x3ffe
piramp8: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=57600'
piramp8: AVR_FREQ = 8000000L
piramp8: $(PROGRAM)_piramp_8mhz.hex
piramp8: $(PROGRAM)_piramp_8mhz.lst
 
piramp8_isp: piramp8
piramp8_isp: TARGET = piramp_8mhz
piramp8_isp: MCU_TARGET = atmega168p
piramp8_isp: LFUSE = C2
piramp8_isp: HFUSE = DF
piramp8_isp: EFUSE = FC
piramp8_isp: isp
 
piramp16: TARGET = piramp_16mhz
piramp16: MCU_TARGET = atmega168p
piramp16: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x3e00 -Wl,--section-start=.version=0x3ffe
piramp16: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=115200'
piramp16: AVR_FREQ = 16000000L 
piramp16: $(PROGRAM)_piramp_16mhz.hex
piramp16: $(PROGRAM)_piramp_16mhz.lst
 
piramp16_isp: piramp16
piramp16_isp: TARGET = piramp_16mhz
piramp16_isp: MCU_TARGET = atmega168p
piramp16_isp: LFUSE = CF
piramp16_isp: HFUSE = DF
piramp16_isp: EFUSE = FC
piramp16_isp: isp
 
# USB IO PCB
usbio8: TARGET = usbio_8mhz
usbio8: MCU_TARGET = atmega328
usbio8: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x7e00 -Wl,--section-start=.version=0x7ffe
usbio8: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=57600'
usbio8: AVR_FREQ = 8000000L 
usbio8: $(PROGRAM)_usbio_8mhz.hex
usbio8: $(PROGRAM)_usbio_8mhz.lst
 
usbio8_isp: usbio8
usbio8_isp: TARGET = usbio_8mhz
usbio8_isp: MCU_TARGET = atmega328
usbio8_isp: LFUSE = C2
usbio8_isp: HFUSE = DE
usbio8_isp: EFUSE = FF
usbio8_isp: isp
 
usbio16: TARGET = usbio_16mhz
usbio16: MCU_TARGET = atmega328
usbio16: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x7e00 -Wl,--section-start=.version=0x7ffe
usbio16: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=115200'
usbio16: AVR_FREQ = 16000000L 
usbio16: $(PROGRAM)_usbio_16mhz.hex
 
usbio16_isp: usbio16
usbio16_isp: TARGET = usbio_16mhz
usbio16_isp: MCU_TARGET = atmega328
usbio16_isp: LFUSE = CF
usbio16_isp: HFUSE = DE
usbio16_isp: EFUSE = FF
usbio16_isp: isp

ToolchainにWinAVR-20100110を使用した場合，USB IO PCBが使用しているATmega328のデバイスIDがATmega328Pのものになってしまう。
これはWinAVR-20100110（AVR-GCC 4.3.3）がATmega328に対応していないために発生する。

このためWinAVR-20100110（AVR-GCC 4.3.3）でoptibootをビルドするには，WinAVR-20100110（AVR-GCC 4.3.3）のファイルを以下のように編集する。
C:\WinAVR-20100110\avr\include\avr\iom328p.hを編集。

/* Signature */
#define SIGNATURE_0 0x1E
#define SIGNATURE_1 0x95
define SIGNATURE_2 0x0F
#endif
 ↓
/* Signature */
#define SIGNATURE_0 0x1E
#define SIGNATURE_1 0x95
#if defined(__AVR_ATmega328__)
#  define SIGNATURE_2 0x14
#else /* ATmega328P */
#  define SIGNATURE_2 0x0F
#endif

これでうまく動作するoptibootがビルド出来た。
ビルドしてみる。

> make piramp8
> make piramp16
> make usbio8

hexファイルが作成出来ていればOK。

optiboot version4.4をWinAVR-20100110（AVR-GCC 4.3.3）ビルドすると500byte(0x1f4)のサイズになった。
optiboot version4.4をAVR-GCC 7.3.0でビルドすると542byte(0x21e)のサイズになり512byteを超えてしまう。
なのでoptiboot version4.4を使う場合は，WinAVR-20100110（AVR-GCC 4.3.3）でビルドしたものを使用した。

ボードにoptibootを書き込むには，

> make piramp8_isp

のようにすれば書き込める。

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version 8.3 anchor.png

ソースコードは，こちらのサイトからダウンロードする。

> git clone https://github.com/Optiboot/optiboot.git
> cd optiboot/optiboot/bootloaders/optiboot/

Makefileの137行目から以下のように編集。

override CFLAGS        = -g -Wall $(OPTIMIZE) -mmcu=$(MCU_TARGET) -DF_CPU=$(AVR_FREQ) $(DEFS)
override LDFLAGS       = $(LDSECTIONS) -Wl,--relax -nostartfiles

OBJCOPY        = $(GCCROOT)avr-objcopy
OBJDUMP        = $(call fixpath,$(GCCROOT)avr-objdump)

SIZE           = $(GCCROOT)avr-size
 ↓
override CFLAGS        = -g -Wall $(OPTIMIZE) -mmcu=$(MCU_TARGET) -DF_CPU=$(AVR_FREQ) $(DEFS)
override LDFLAGS       = $(LDSECTIONS) -Wl,--relax -Wl,--gc-sections -nostartfiles -nostdlib

OBJCOPY        = avr-objcopy
OBJDUMP        = avr-objdump

SIZE           = avr-size

Makefileの666行目に以下を追加した。

include Makefile.yuji

Makefile.yujiを以下の内容で作成した。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
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13
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15
16
17
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19
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30
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32
33
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37
38
39
40
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42
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44
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46
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48
49
50
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52
53
54
55
56
57
58
59
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62
63
64

# PIRAMP PCB
piramp8: TARGET = piramp_8mhz
piramp8: MCU_TARGET = atmega168p
piramp8: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x3e00 -Wl,--section-start=.version=0x3ffe
piramp8: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=57600' '-DLED=B0'
piramp8: AVR_FREQ = 8000000L
piramp8: $(PROGRAM)_piramp_8mhz.hex
piramp8: $(PROGRAM)_piramp_8mhz.lst
 
piramp8_isp: piramp8
piramp8_isp: TARGET = piramp_8mhz
piramp8_isp: MCU_TARGET = atmega168p
piramp8_isp: LFUSE = C2
piramp8_isp: HFUSE = DF
piramp8_isp: EFUSE = FC
piramp8_isp: isp
 
piramp16: TARGET = piramp_16mhz
piramp16: MCU_TARGET = atmega168p
piramp16: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x3e00 -Wl,--section-start=.version=0x3ffe
piramp16: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=115200' '-DLED=B0'
piramp16: AVR_FREQ = 16000000L
piramp16: $(PROGRAM)_piramp_16mhz.hex
piramp16: $(PROGRAM)_piramp_16mhz.lst
 
piramp16_isp: piramp16
piramp16_isp: TARGET = piramp_16mhz
piramp16_isp: MCU_TARGET = atmega168p
piramp16_isp: LFUSE = CF
piramp16_isp: HFUSE = DF
piramp16_isp: EFUSE = FC
piramp16_isp: isp
 
# USB IO PCB
usbio8: TARGET = usbio_8mhz
usbio8: MCU_TARGET = atmega328
usbio8: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x7e00 -Wl,--section-start=.version=0x7ffe
usbio8: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=57600' '-DLED=C5'
usbio8: AVR_FREQ = 8000000L
usbio8: $(PROGRAM)_usbio_8mhz.hex
usbio8: $(PROGRAM)_usbio_8mhz.lst
 
usbio8_isp: usbio8
usbio8_isp: TARGET = usbio_8mhz
usbio8_isp: MCU_TARGET = atmega328
usbio8_isp: LFUSE = C2
usbio8_isp: HFUSE = DE
usbio8_isp: EFUSE = FF
usbio8_isp: isp
 
usbio16: TARGET = usbio_16mhz
usbio16: MCU_TARGET = atmega328
usbio16: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x7e00 -Wl,--section-start=.version=0x7ffe
usbio16: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=4' '-DBAUD_RATE=115200' '-DLED=C5'
usbio16: AVR_FREQ = 16000000L
usbio16: $(PROGRAM)_usbio_16mhz.hex
 
usbio16_isp: usbio16
usbio16_isp: TARGET = usbio_16mhz
usbio16_isp: MCU_TARGET = atmega328
usbio16_isp: LFUSE = CF
usbio16_isp: HFUSE = DE
usbio16_isp: EFUSE = FF
usbio16_isp: isp

ビルドしてみる。。

> make piramp8
> make piramp16
> make usbio8

これでhexファイルが作成された。

WinAVR-20100110（AVR-GCC 4.3.3）でビルドすると490byte(0x1ea)のサイズになった。
AVR-GCC 7.3.0でビルドすると488byte(0x1e8)のサイズになった。
しかしWinAVR-20100110（AVR-GCC 4.3.3）でビルドしたものは，何故かうまく動作しなかった。

ボードにoptibootを書き込むには，

> make piramp8_isp

のようにすれば書き込める。

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自作ボード用にビルドしたoptiboot anchor.png

file自作ボード用にビルドしたoptiboot。

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