Bootloader: что это и как записать заново

Чип приехал в мягком конверте за 130 рублей: ATmega328P-PU, заводской, в антистатике. Я воткнул его в макетку, подал 5 вольт, подключил USB-UART адаптер к TX и RX, выбрал порт — и попытался залить мигалку. avrdude ответил stk500_recv(): programmer is not responding. Три попытки, две смены проводов, полчаса форумов. Чип не был бракованным: в нём не было загрузчика — той крошечной программы, через которую среда разговаривает с платой по UART.

Через неделю тем же способом молчать начала и моя рабочая Uno — после неудачного эксперимента с питанием. Светодиод L при этом честно мигал старой программой: flash цела, чип жив, а канал прошивки мёртв. Обе истории лечатся одной операцией — записью загрузчика заново. Ниже — что это за программа, как одна Uno прошивает другую или голый чип по шести проводам и какие ошибки я поймал за тот вечер, чтобы вы поймали меньше.

Загрузчик — маленькая программа в самом конце flash-памяти, которая первой получает управление после ресета. На Uno это optiboot: 512 байт из 32 768. Меньше секунды после включения он слушает UART: если среда прислала команду — принимает прошивку и записывает её во flash; если тишина — передаёт управление скетчу, который уже лежит в памяти. Пауза примерно в секунду между подачей питания и первым миганием — это окно ожидания загрузчика, а не задумчивость платы.

Цена удобства видна из арифметики: из 32 768 байт скетчу остаётся около 32 256 — мелочь, и только проекты, упёршиеся в потолок, спасают заливкой через ISP, со всеми 32 килобайтами. Есть и обратный тест: нажмите RESET на Uno — с живым optiboot светодиод L мигнёт три раза подряд, загрузчик коротко представляется. Если тройки нет, а при заливке не мелькают огоньки TX и RX, канал разорван именно в месте загрузчика.

Чаще всего загрузчик не умирает — его там просто нет. Чипы, купленные отдельно для макеток, приходят с завода пустыми, и это норма, а не брак: завод не стал тратить место на optiboot. Второй типичный случай — чип прошивали через ISP целиком, поверх загрузчика: flash занята скетчем от первого до последнего байта.

Чтобы операция не выглядела магией, вспомним, как проходит обычная заливка — та, что мы разобрали в уроке про загрузку скетча. Среда дёргает линию DTR на USB-чипе, тот коротким импульсом роняет RESET, просыпается загрузчик, и по UART на 115200 бод в него летит прошивка. Если загрузчика нет, импульсу не на что отвечать — вот и not in sync вместо живых огоньков TX и RX.

Прежде чем объявлять загрузчик мёртвым, проверьте банальности: порт выбран, плата та самая — мы это проходили в уроке про плату и порт. Дальше — путь в обход: ISP-программирование по шине SPI, тем же способом, каким чип прошивают на заводе.

Идея Arduino as ISP простая: одна Uno берёт на себя роль заводского программатора и шьёт чип-цель напрямую по SPI, минуя загрузчик. Сначала готовим программатора: Файл → Примеры → 11.ArduinoISP → ArduinoISP, заливаем на Uno обычной загрузкой — этот скетч и есть её новая профессия. Он ждёт команды по USB от среды и переводит их в сигналы SPI на пинах 11, 12 и 13.

Второй шаг, который я в первый раз пропустил: конденсатор 10 мкФ между RESET и GND на программаторе. Ставится он ПОСЛЕ заливки ArduinoISP, и вот почему: при открытии порта Uno авто-ресетится и сессия ISP срывается. Конденсатор этот импульс гасит. Но с конденсатором обычная загрузка на программатора тоже перестанет работать — поэтому строгий порядок: сначала скетч, потом конденсатор, потом сессия.

Дальше провода. От программатора к цели идут шесть линий: RESET, MOSI, MISO, SCK, 5V и GND — на Uno им соответствуют пины 10, 11, 12, 13. Если цель — вторая Uno, соединяйте пин с пином; для голого чипа сверяйтесь с распиновкой DIP-28. Шлейф из разноцветных перемычек, чтобы не путать линии, я описывал в уроке про провода и перемычки, а питание голого чипа с кварцем — в уроке про полярность и рельсы питания.

Кнопки нажимаются в таком порядке. Инструменты → Плата: выбираете плату ЦЕЛИ, не программатора — для голого ATmega328P с кварцем 16 МГц это Arduino Uno. Инструменты → Программатор: Arduino as ISP — не перепутайте с Arduino as ISP for Mega, рядом лежит. Инструменты → Записать загрузчик.

Не перепутайте «Записать загрузчик» с «Загрузить через программатор»: вторая команда шьёт скетч поверх существующего загрузчика, первая — пишет сам загрузчик и заодно настраивает фьюзы чипа под выбранную плату. Для голого чипа профиль Uno означает внешний кристалл 16 МГц — кварц должен стоять ДО записи, иначе чип останется без тактирования, об этом отдельная история в плашке ниже. После успеха — ресет, заливаем Blink обычным способом из урока про мигалку и смотрим на L целевой платы.

После успешной записи чип снова полноценная Arduino: скетчи едут по UART, RESET работает; повторная операция понадобится, только если вы снова что-то сломаете или соберёте партию чипов. Про партию — отдельный разговор: перекидывать шесть проводов на каждый чип быстро надоедает, для этого придуман внешний программатор, которому посвящён урок про USBasp.

Если же вы шли сюда, чтобы оживить собранный на макетке «почти-Uno» из голого чипа — поздравляю: дома теперь мини-завод. Следующая дверь — ATtiny85: тот же ISP и та же механика, но с сюрпризом в виде фьюзов, о котором расскажет соседний урок.