Atmega328P ile bootloader yükleme

Atmega serisi ve Attiny serisi ile birçok uygulama geliştirdik. Ama bu güne kadar geliştirilen tüm ürünlerde işlemciyi programlamak için ek bir cihaza (programlayıcıya) ihtiyaç duyduk. İşlemci için program geliştirilirken ve işlemciye program yüklenirken alternatif yollar ve yöntemlerde mevcuttur. Bu alternatif program yükleme yöntemi bootloader'dir.


Bu uygulamada "Atmega328P ile bootloader yükleme" üzerinde çalışacağız.

Not : Kart asıl tasarımı " http://vonkonow.com/wordpress/2012/10/nanino-the-diy-friendly-arduino/" adresindeki "Johan von Konow" ait. Biz sadece birkaç ekleme ve değişiklik yaptık.

Bootloader

Elektronik ile uğraşanlar özellikle yazılım güncellemesi gereken bazı cihazların seri port veya USB port üzerinden güncelleme (yazılım yüklemesi) yapılabildiğini rastlamıştır. Bu servis kolaylığı sağlamaktadır. Çünkü cihazın fabrikaya gönderilmesi gerekmeden, veya cihazı açmadan mikrokontroller üzerindeki yazılımı kolaylıkla yüklenebilmesine imkan sağlar. Bu yöntemin başka bir avantajı kart üzerinde özellikle SMD yapısındaki kılıflardaki mikrokontrollerlerin (sökülmesinin zorluğu ve riski bir yana) üzerinde işlem yapılması ve programlanacak mikrokontroller ve programlayıcı çeşitliliği gibi konularla uğraşması ayrı bir durumdur.
Tüm bu sorunları çözümü olarak mikrokontoller üzerine üretim esnasında bir yazılım yüklenir ve bu yazılımın tek görevi seri port, ethernet veya USB gibi iletişim yöntemleri ile gelecek verilerin (burada asıl program diyelim) mikrokontrollerin hafızasına yazmaktır. İşte bu mikrokontrollerin üzerine yazılan bu ilk programa bootloader denir. Bootloader işlemci tarafından koruma altındadır. İşlemci tamamen silinene kadar flash bellekte kalır.

8 bit mikrokontroller çipler üzerinde belki gerekli olmasada (dip kılıfındaki çiplerin kolay sökülebilmesi sayesinde) özellikle yüksek hafızalı 32 bit mikrokontrollerler üzerinde gereklidir. Kılıf yapıları ve program özellikleri nedeniyle gereklidir.

Bootloader örneği olarak yazıcılarda kullanılmaktadır. Bazen gelen yazıcı yazılımında bazı hatalar olabiliyor. Daha önemlisi üretici yazıcının daha verimli çalışması için yazılımında küçük güncellemeler yapmış olabiliyor, bu durumda yazıcının USB portu üzerinden yazıcının yazılımı kolaylıkla güncellenebilmektedir.

Şekil-1:Bootloader prensip çalışma şekli

Tüm bunların yanında başlıkta belirtilen Atmega328p işlemcisin değişik yöntemlerle programlanabilmektedir. İşlemciye başlangıçta yüklenen bootloader yazılımı sayesinde artık (bir sorun çıkana kadar) bir daha bir programlayıcıya ihtiyaç duymadan seri port üzerinden (veya usb çevirici yardımı ile) işlemciye yazılım atılıp çalıştırılabilmektedir. Bootloader özelliği taşıyan cihazların en yaygın örnekleri şu anda piyasada Arduino olarak bilinmektedir ve kullanılmaktadır.
Sonuçta projede kullanılan bootloader dosyası Arduino dosyasıdır. Dolayısı ile kolaylıkla programlayıcıı üzerinde oluşturulan dosya derlenip kart üzerine gönderilebilecektir.
Atmega328p flash bellek bölümü iki ana bölüme ayrılmıştır; uygulama bölümü ve Bootloader bölümü. Her iki bölüm kendine göre koruma bitleri ile istenirse koruma altına alınabilir.
Normalde Atmega328p çiplerinde uygulama bölümünde flash alanı yazma komutu çalışmaz. (SPM) Flash alanını yazma komutu ancak bootloader alanına yazılmış programlar tarafından kullanılabilir.
Boot loader bitlerini kullanıcı aşağıdaki gibi seçebilir;

• Mikrokontroller tarafından yazılım güncellemesinden tüm Flash'ı koruyabilir
• Mikrokontroller tarafından bir yazılım güncellemesinden sadece Boot Loader Flash koruyabilir
• Mikrokontroller tarafından bir yazılım güncellemesinden sadece Uygulama Flash koruyabilir

Konu ile ilgili daha ayrıntılı bilgi Atmega328p veri kağıdında elde edilebilir. Hatta veri kağıdında örnek basit bir bootloader programı (assembler dilinde yazılmış) yer almaktadır.

Devre

Devre açısından fazla bir şey yok. İşlemci, kristal ve birkaç tane bağlantı için konnektör.

Şekil-2 :İşlemci kartı üstten görünümü

Kart üzerinde kristal olarak 16MHz kristal kullanılmıştır. (Buna göre bootoader programı yüklemeye dikkat etmek gerekir) Power olduğunu gösteren bir LED ve işlemcinin bacağına bağlı olan ek bir LED bulunmaktadır. İşlemcinin bacağına bağlı olan LED ek bir donanım kullanmadan devreyi test etmek için kullanılmaktadır.

Şekil-3 :USB çevirici olarak kullanılan FTDI232BL kartının önden ve arkadan görünümü

Devreye program yüklemek için RXD , TXD (GND) bacağı yeterli olduğu belirtilmektedir. Bu durumda devreye program yüklenirken RESET butonuna basmak gerekmektedir. Bu bacaklara ek olarak DTR (Data Terminal Ready) kullanılarak programlama esnasında otomatik resetleme sağlanarak mikrokontroller üzerinde bootloader bölümünün devreye girmesi sağlanır. Bu programlama esnasında devre üzerindeki RESET butonuna basma derdinden kurtaracaktır.

Şekil-4 :USB çevirici ile bilgisayar arasındaki bağlanıyı sağlayan USB kablosu.

Devre üzerine ek bir besleme (köprü diyot ve 7805'den oluşan) bölümü eklenmiştir. Eğer bilgisayardan ayrı bir ortamda ek bir besleme gerektiğinde kullanışlı olacaktır. Bir köprü yardımı ile besleme devreye alınabilir veya ayrılabilir. Klemens üzerine bağlanacak beslemeden 5V besleme gerilimi üretilebilir.

Şekil-5 :İşlemci ve USB çevirici kartlarının bağlantıları yapılmış hali

Devre bootloader işleminde USB-seri dönüştürücü olarak FTDI232BL çipli bir devre kullanılmaktadır. Devre şeması ve PCB ile ilgili bilgiler ayrı olarak verilmiştir. Atmega328p programlayıcı portuna IDC10 gibi bir konnektör ile bağlansada, normalde işlemci kartı üzerinde 5 bacaklı 90 derecelik sıra pin ile bağlantı sağlanmaktadır.

Burada dikkat edilecek nokta işlemci üzerinde bootloader için kullanılan RXD ve TXD bacakları işlemcinin seri (UART) haberleşmesi içinde kullanılmaktadır.

Şema

Devrede kullanılan USB çevirici hariç, projede kullanılan elemanlar IC1 (Atmega328p) sistemin kalbi olarak çalışmaktadır. IC1 (Atmega328p) bacaklarına bağlı X1 (16MHz ) kristal, C5 ve C6 (22pF) kondansatörler işlemcinin ihtiyacı olan saat frekansını üretmektedir. İşlemcinin 19 nolu bacağına bağlı olar R3 (1k) ve LED1 (LED13) işlemcinin çalışmasını test etmek üzere kullanım amacıyla monte edilmiştir. (ilk LED yak söndür uygulaması için temel elemandır)

İşlemcinin 1.bacağına bağıl S1 (anahtarı) sıfırlama işlemi için kullanılırken, bu bacak ile Vcc arasına bağlı R2 (10) direnç pull up olarak kullanılmaktadır. İşlemcinin 1. bacağı ile P6 konnektörü DTR bacağı arasına bağlı C7 (100nF) kondansatör özellikle programlama esnasında işlemcinin sıfırlanmasını sağlar.

İşlemcinin bacaklarına bağlı P2,P3,P4,P5 (dişi) konnektörleri özellikle bu kartın üzerine takılacak ek kartlar için veya ek donanımların bağlanması için bağlantı noktalarını oluşturur.

Buradaki P6 (erkek) konnektör işlemcinin bootloader programlama için bağlantı noktasını oluşturur.
Besleme hatları üzerine bağlı R1(1k) ve LED2 (PWR LED) devrenin beslemeye bağlı olduğunu belirtir.
J1 konnektörü bir köprü yardımı ile harici besleme için kullanılıp kullanılmayacağını belirtir.

P1 klemensi, D1 (2W10M) köprü diyodu ve IC2 (7805) devrenin harici besleme ile kullanımı içindir. (J1 köprü bağlı iken)

Devre üzerinde belirtilmeyen kondansatörler filtre amaçlıdır.

Şekil-6:Blok şeması

Şekil-7:Devre şeması

Devre Yapımı

Devre yapımı kondansatör ve dirençlerin SMD olmasından başka bir özelliği yoktur. Kendinize güveniyorsanız kartı tekrar dip kılıf elemanlar için tekrar çizip çıkartabilirsiniz. Bazı noktalardaki yakın lehim adalarının lehimlenirken kısa devre olmaması için dikkat etmek yeterlidir. Entegre için için 28 bacaklı dar tip soket kullanılması entegrenin bir sonraki kullanımı için yerinde bir seçenek olacaktır.

Şekil-8:İşlemci kartı yollar

Şekil-9:İşlemci eleman yerleşimi

Şekil-10:İşlemci kartı üzerindeki bakırlı taraftaki eleman yerleşimi(SMD).

Şekil-11:İşlemci yolları birlikte eleman yerleşimi

Şekil-12:İşlemci yolları birlikte SMD eleman yerleşimi

Şekil-13:İşlemci kartı monte edilmiş halde önden ve arkadan görünümü . Kondansatör ve dirençlerin SMD kılıfında olduğunu unutmayın.

şlemci kartı ile USB dönüştürücü kartı arasındaki bağlantıları ilk başlangıçta kısa kablolar ile yapılmış olsada daha sonra işlemci kartının gerektiğinde bağımsız olması gerekliliği üzerinde şerit kablo ve IDC konnektör ile (kablonun sadece USB dönüştürücü tarafı lehimlenmiştir) bağlantı yapılmasına kararlaştırılmıştır. Bu sayede gerektiğinde işlemci kartı bağımsız olarak çalışabilmektedir.

Projede kullanılan USB dönüştürücü sadece program yükleme işi için düşünülsede gerektiğinde seri port ile bilgisayar bağlantısını da yerine getirir. (USB-UART olarak çalışmaktadır.)

Şekil-14:İşlemci kartı ile USB dönüştürücü kartı arasındaki bağlantılar. Bağlantılar doğrudan kablo ile sağlanabileceği gibi, projedeki resimlerde görüldüğü gibi bağlantıları yapılan IDC10 kablo ve konnektörü ile sağlanabilir. İstenirse USB dönüştürücü tarafına kart tekrar elden geçirilip uygun bağlantılara sahip IDC konnektörü eklenebilir.

Devre Elemanları

İşlemci kartı ve ekran kartı için malzeme listesi

1K (SMD-1206)	R3,R1
10K (SMD-1206)	R2
22pF (SMD-1206)	C5,C6
100nF (SMD-1206)	C1,C2,C4,C7,
10µF (SMD-1206)	C3
3mm LED	LED1,LED2
ATMEGA328P(DIL)	IC1
7805	IC2
W10M veya benzeri	D1
2'li klemens	P1
28 bacaklı entegre soketi (DIL)	1 adet
1x5 header pin erkek 90 derece	P6
1x2 header pin erkek	J1
1x8 header pin dişi	P2,P3
1x6 header pin dişi	P4,P5
buton	S1

Malzeme listesinde USB çevirici verilmemiştir. Bu tamamen kullanıcının tercihine bırakılmıştır.

Hazırlık

Şekil-15:Bootloder dosyasının bulunduğu yer ve bilgisayar üzerindeki simge görünümü.

İşlemcinin başka bir kart üzerinde veya programlayıcı üzerinde programlanması gerekmektedir. Tabii kart üzerine ISP bağlantıları ayrı ayrı yapılmayacaksa. Kart üzerinde ISP olarak tanımlanmış (Normalde SPI +REST bacaklarını kapsayan) bacaklar üzerinden bir programlayıcı bağlanarak programlama yapılabilir.

Şekil-16:İşlemci farklı olsada AVRISP MKII programlayıcı bağlantısı ve görüntüsü. Programlayıcının kablosu kart üzerinde ISP olarak tanımlanan (2x3) konnaktöre takılır.

Not: Örnek olarak verilen AVRISP MKII olmasının nedeni elimde sadece bu programlayıcının olmasından kaynaklanmaktadır. Siz isterseniz kendinize uygun bir programlayıcıyı seçebilir ve kullanabilirsiniz.

Şekil-17:AVR Studio programlama ana penceresi "Maim" sekmesi. "Device and Signature Bytes" başlığı altında "Atmega328p" seçili olduğuna emin ol. "Read Signature" butonuna basılırsa işlemcinin kodu görüntülenir.

Gereken bootloder programı bilgisayarınıza yüklenen Arduino yazılımının içinde "C:\Program Files\Arduino\hardware\arduino\avr\bootloaders\atmega " yolu üzerindeki klasörde bulunmaktadır. İşlemciye yüklenecek program "ATmegaBOOT_168_atmega328.hex" olarak belirtilmektedir.

Şekil-18:"Program" sekmesi altında "Flash" bölümünde programlanması istenen hex dosyası seçilir ve "Program" butonuna tıklanır. Seçilmiş olan hex dosyası işlemcinin flash belleğine aktarılır.

Not: Burada verilen örnek yol ve program değişiklik gösterebileceğini göz önüne almanız gerekmektedir.

Şekil-19:Sigorta ayarları. Buradaki görüntü sadece fikir vermesi açısından AVR Studio görüntüsüdür. Kullanılacak farkli programlayıcılarda farklı ayarlar görülenecektir.

Program işlemciye yüklendikten sonra sigorta ayarlarını ("Fuses" sekmesi altında)

low fuses=0xFF 

high fuses=0xDE 

extended fuses=0x05

şeklinde elle değer girerek ayarlıyor ve "Program" butonuna basılarak yazılıyor.

Şekil-19:"LockBits" sekmesi altında koruma bitlerinden sadece boot bölümü ile ilgili olanların seçilmesi gerekir.

Aynı şekilde sigorta ayarlarından koruma bitlerini (LockBits sekmesi altında)

lock bits=0x0F

şeklinde elle girerek ayarlayıp, "Program" butonuna basılarak yazılıyor. Dikkat edilirse sadece Boot bölümü ile ilgili ayarları değişecektir.

Tek yapılması gereken artık işlemcinin burada monte edilmiş kartın üzerine takmak. Programlama portuna gerekli bağlantıyı yapıp bilgisayarın USB portuna bağlamak. Bu noktada aslında seri port üzerinden haberleşme sağlanacağı için atanan seri port numarasının öğrenilmesi gerekiyor. Bilgisayar sistemleri arasında değişiklik gösterebileceği için sizinkini anlatan belgeleri internetten aramanız yerinde olacaktır.

Not: Arduino programını incelerseniz,  bazı programlayıcılar ile doğrudan işlemcinin (Atmega serisi) programlanabildiğini görebilirsiniz.

Programlama

Şekil-20:Montajı tamamlanmış, bağlantıları yapılmış ve programlanmış sistem.

Şekil-21:İşlemci kartı üzerindeki programlama pinlerine bağlı USB dönüştürücü kablosu. Ters takılmamasına dikket etmek gereklidir.Konnektörün iki sırası da bağlantı için kullanılabilir. Kart üzerine yerleştirilmiş pinler yüzünden sadece bir sırası kullanılabilmektedir.

Kart monte edildi, programlama konnektörüne FTD232BL kartı bağlantısı yapıldı ve bilgisayarın USB portuna kablo ile bağlantı sağlandı.

Not: Burada verilen USB çevirici kullanmanız gerekli değildir. Herhangi bir USB dönüştürücü veya bilgisayarınız uygunsa RS232 dönüştürücü de kullanabilirsiniz.

Şekil-22:Yan-sön (blink) LED programını örnek dosyasını yükleme.

Bilgisayar üzerinden Arduino programını çalıştırmak gerekiyor. Programı kendiniz yazabileceğiniz gibi "Dosya-Önekler-01.Basic--Blink" dosyasını seçip açmak. Yeni bir pencerede program açılacaktır.

Şekil-23:USB çeviricinin bilgisayarda atadığı sanal portu seçme.

"Araçlar-Port-COMx" (COMx USB dönüştürücünün bağlı olduğu portu tanımlar) uygun port seçilir. Pencere üzerinde "Yükle" butonuna tıkla.

Şekil-24:Son olarak "Yükle" butonuna tıklandığında program derlenecek ve mevcut bağlantı üzerinden işlemcie yüklenecektir.

Program derlenecek ve seri port üzerinden işlemci kartındaki Atmege328P işlemcisine yüklenecektir. Kart üzerinden LED1 ( LED13) 1 saniye aralıkla yanıp sönmeye başlayacaktır.

Artık istenen her program yüklemesi sadece "Yükle" butonuna basma veya "Dosya -Yükle" menüsünden seçme ile gerçekleştirilebilir.

Programlama ile ilgili örnekler ve komut seti bu program üzerinde yer almaktadır.

Sonuç

Elimizde örnek olduğu için bootloader Arduino ve nanino uygulamaları üzerinden anlatılmıştır. İstenildiği takdirde kendi bootloader programınızı oluşturmanız mümkündür. USB-seri dönüştürücü olarak FTDI232BL ile yapılmış blogda uygulaması yapılan bir devre önersek de, hazır veya kendizin yaptığı bir dönüştürücü kullanabilirsiniz. Burada size gereken 5V, RXD, TXD DTR ve GND uçlarıdır. Eğer devrenizi harici olarak besleyecekseniz,  o zaman USB çeviricide 5V ucu gerekli değildir.

Şekil-25:Tabii ki projede anlatılan kartı öyle çıplak kullanılacak değil, bu kartı çeşitli ek kartlar ile daha geliştirmek gerekir. Soldan sağa doğru yapılmış bazı ek kartlar: 74HC595 için LED sürücü kart, ENC28J60 için ethernet kartı, SD kart için sürücü kartı ve en sağdaki karakter LCD için (ve LM35 için) ek sürücü kartı. (Renkli konnekteörler kart üzerinde güzel duruyormuş)

Bu projede anlatılan kart tek başına kullanılabildiği gibi çeşitli çevre birimleri kontrol etmek içinde kullanılabilir. Çevre birimler konnektörler üzerinden kablolar ile bağlanabildiği gibi  üzerine yapılacak ek bir kart ile de gerçekleştirilebilir.

Not: Kendi adıma uzun zamandır özellikle SPI portunu kullanan uygulamalardan kaçındım. Çünkü bu port aynı zaman işlemcinin ISP programlama bacaklarını kapsıyordu. Bu türden bir uygulama elbette benim için biçilmiş kaftan oldu. Şekil 25 üzerindeki kartlar ile ilgili projeleri uygun bir zamanda eklemeyi planlamaktayım.

Ekler:

ATMEGA328p hakkında bilgi için

"Atmega328P ile bootloader yükleme" projesi için gereken dosyalar

Bu devrenin yapım sorumluluğu size aittir. Devre yapıldı ve çalışıyor. K.A....

---