Arduino bez Arduino IDE

2025-02-08

6 minute read

arduino , embedded

As engineers, we were going to be in a position to change the world — not just study it.

Henry Petroski

Po co to komu?

Gdy miałem zacząć prowadzić zajęcia ze studentami na Arduino Uno Rev3¹, chciałem uniknąć stosowania Arduino IDE; zarówno ze względu na ograniczony zakres stosowania tego środowiska, jak i z powodu chęci pokazania niskopoziomowych aspektów programowania mikrokontrolerów. Nigdy wcześniej jednak nie używałem Arduino i, przeglądając zasoby Internetu, miałem problem, by jednoznacznie stwierdzić, czy można w prosty sposób wgrać własne oprogramowanie z użyciem fabrycznego bootloadera, a także czy ten bootloader można bez problemu usunąć i przywrócić. Postanowiłem więc zbadać ten temat, gdy tylko zdobyłem Arduino.

Pierwsze spotkanie z Arduino

Zacząłem od sprawdzenia, czy płytka i połączenie z komputerm działają prawidłowo. Uruchomiłem webowe IDE Arduino Cloud Editor, bo nie przewidywałem potrzeby używania tego narzędzia lokalnie. Wybrałem typowe embeddedowe Hello, world, czyli Examples -> BUILT IN -> BASICS -> Blink. Tu IDE poinformowało mnie, że:

To upload a sketch via USB port, make sure the Agent is installed and running on this computer.

Pobrałem więc ArduinoCreateAgent-1.3.5-linux-amd64-installer.tar.gz, rozpakowałem i uruchamiłem instalator:

tar xvf ArduinoCreateAgent-1.3.5-linux-amd64-installer.tar.gz
./ArduinoCreateAgent-1.3.5-linux-amd64-installer.run

poszło gładko i to z poziomu zwykłego użytkownika. W trayu pojawiła się ikona agenta.

Po podłączeniu Arduino do komputera dmesg wypluł:

[ 4933.114636] usb 1-2: new full-speed USB device number 6 using xhci_hcd
[ 4933.258237] usb 1-2: New USB device found, idVendor=2341, idProduct=0043, bcdDevice= 0.01
[ 4933.258255] usb 1-2: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=220
[ 4933.258263] usb 1-2: Manufacturer: Arduino (www.arduino.cc)
[ 4933.258268] usb 1-2: SerialNumber: 55736313438351C060D0
[ 4933.328895] cdc_acm 1-2:1.0: ttyACM0: USB ACM device
[ 4933.328919] usbcore: registered new interface driver cdc_acm
[ 4933.328921] cdc_acm: USB Abstract Control Model driver for USB modems and ISDN adapters

A jego przyjaciel lsusb potwierdził, że podłączyłem:

Bus 001 Device 006: ID 2341:0043 Arduino SA Uno R3 (CDC ACM)

Po sprawdzeniu uprawnień urządzenia /dev/ttyACM0:

Permissions  Size User Group Date Modified    Date Created     Name
crw-rw----  166,0 root uucp  2023-11-18 14:17 2023-11-18 14:17  /dev/ttyACM0

dodałem swojego użytkownika do grupy uucp, aby uzyskać prawo korzystania z urządzenia i móc wybrać w IDE /dev/ttyACM0. Po kliknięciu ptaszka Verify przykład został skompilowany:

/usr/local/bin/arduino-cli  compile --fqbn arduino:avr:uno --build-cache-path /tmp --output-dir  /tmp/2473313307/build --build-path  /tmp/arduino-build-5946F7B4B9011FEF3B520D38FBC37C35   /tmp/2473313307/Blink
Sketch uses 924 bytes (2%) of program storage space. Maximum is 32256 bytes.
Global variables use 9 bytes (0%) of dynamic memory, leaving 2039 bytes for local variables. Maximum is 2048 bytes.

Po kliknięciu strzałki Upload zamrugały diody na płytce, a po chwili dioda L zaczęła migać z częstotliwością 0,5 Hz (1 s zgaszona, 1 s zaświecona). W trakcie programowania został użyty avrdude:

Upload started
Programming with: Serial
Flashing  with  command:/home/vmario/.arduino-create/arduino/avrdude/6.3.0-arduino17/bin/avrdude   -C/home/vmario/.arduino-create/arduino/avrdude/6.3.0-arduino17/etc/avrdude.conf  -v -patmega328p -carduino -P/dev/ttyACM0 -b115200 -D  -Uflash:w:/tmp/arduino-create-agent2548950536/Blink.hex:i

Własny przykład

Napisanie odpowiednika programu z Arduino IDE nie było skomplikowane. Ze schematu ideowego, wynika, że dioda L sterowana jest wzmacniaczem operacyjnym podłączonym do linii SCK, czyli pinu PB5. Procesor to ATmega328P taktowana rezonatorem 16 MHz. Nic więcej wiedzieć nie potrzebowałem. Przygotowałem plik main.cpp:

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

enum { PIN_LED = 5 };

/**
 * Inicjalizuje porty GPIO.
 */
void gpioInitialize()
{
    DDRB = _BV(PIN_LED);
}

/**
 * Pętla główna.
 */
void mainLoop()
{
    PORTB |= _BV(PIN_LED);
    _delay_ms(100);
    PORTB &= ~_BV(PIN_LED);
    _delay_ms(100);
}

/**
 * Funkcja główna.
 */
int main()
{
    gpioInitialize();

    while (true) {
        mainLoop();
    }
}

Pozostała kompilacja, utworzenie Intel Heksa i wgranie go za pośrednictwem agenta, czyli de facto oryginalnego bootloadera tak, jak to robi Arduino IDE:

avr-g++ -mmcu=atmega328p -std=c++14 -Wall -Wextra -pedantic -Os -flto -DF_CPU=16000000 main.cpp -o arduino-without-ide.elf
avr-objcopy -O ihex arduino-without-ide.elf arduino-without-ide.hex
avrdude -v -p atmega328p -c arduino -P /dev/ttyACM0 -b115200 -U flash:w:arduino-without-ide.hex:i

Uruchomienie programatora ISP

Po podłączeniu programatora ISP, a konkretnie USBTinyISP, Linux poinformował, że nowe urządzenie jest widoczne:

[18969.976197] usb 1-2: new low-speed USB device number 10 using xhci_hcd
[18970.120705] usb 1-2: New USB device found, idVendor=1781, idProduct=0c9f, bcdDevice= 1.07
[18970.120724] usb 1-2: New USB device strings: Mfr=0, Product=2, SerialNumber=0
[18970.120731] usb 1-2: Product: USBtinyISP

Potwierdził to lsusb:

Bus 001 Device 010: ID 1781:0c9f Multiple Vendors USBtiny

Oczywiście, avrdude miał problem z uprawnieniami:

avrdude: usbdev_open(): found USBtinyISP, bus:device: 001:010
avrdude usbtiny_open() warning: cannot open USB device: Permission denied
avrdude usbtiny_open() error: cannot find USBtiny device (0x1781/0xc9f)
avrdude main() error: unable to open programmer usbtiny on port usb

Tym razem urządzenie nie było w grupie uucp, gdyż nie udaje modemu, jak bootloader Arduino:

Permissions  Size User Group Date Modified    Date Created     Name
crw-rw-r--  189,9 root root  2023-11-18 18:11 2023-11-18 18:11  /dev/bus/usb/001/010

Dodałem więc do katalogu /etc/udev/rules.d plik 99-avr.rules:

# USBasp Programmer rules http://www.fischl.de/usbasp/
SUBSYSTEMS=="usb", ATTRS{idVendor}=="16c0", ATTRS{idProduct}=="05dc", GROUP="uucp", MODE="0664"
# USBtinyISP Programmer rules
SUBSYSTEMS=="usb", ATTRS{idVendor}=="1781", ATTRS{idProduct}=="0c9f", GROUP="uucp", MODE="0664"

Programator nabrał ochoty do współpracy z użytkownikami grupy uucp:

Permissions   Size User Group Date Modified    Date Created     Name
crw-rw-r--  189,11 root uucp  2023-11-18 18:26 2023-11-18 18:26  /dev/bus/usb/001/012

Backup oryginalnej zawartości

Mając uruchomiony programator ISP, zacząłem od odczytania fuse bitów:

avrdude -c usbtiny -p atmega328p -U lfuse:r:-:h -U hfuse:r:-:h -U efuse:r:-:h -U lock:r:-:h

które przedstawiały się następująco:

avrdude: processing -U lfuse:r:-:h
avrdude: reading lfuse memory ...
avrdude: writing output file <stdout>
0xff

avrdude: processing -U hfuse:r:-:h
avrdude: reading hfuse memory ...
avrdude: writing output file <stdout>
0xde

avrdude: processing -U efuse:r:-:h
avrdude: reading efuse memory ...
avrdude: writing output file <stdout>
0xfd

avrdude: processing -U lock:r:-:h
avrdude: reading lock memory ...
avrdude: writing output file <stdout>
0xcf

Wreszcie przyszedł czas na odczytanie zawartości pamięci flash:

avrdude -c usbtiny -p atmega328p -U flash:r:arduino.hex:i

Po obejrzeniu Intel Heksa widać, że początek pokrywa się ze skompilowanym własnym programem, a na końcu jest bootloader Optiboot, do którego wrócimy za chwilę.

Usunięcie bootloadera

Zabezpieczywszy oryginalny bootloader, wgrałem skompilowany program przez ISP, tym samym usuwając bootloader:

avrdude -v -p atmega328p -c usbtiny -U flash:w:arduino-without-ide.hex:i

Dioda mrugała tak jak trzeba, tym samym wykazałem, że do Arduino Uno można wgrywać programy skompilowane samodzielnie za pomocą AVR GCC, zarówno przez wbudowany programator, jak i zewnętrzne urządzenie ISP.

Przywrócenie bootloadera

Oczywiście po takim zabiegu podłączenie agenta i próba programowania przez Arduino IDE zakończyła się niepowodzeniem:

Upload started
Programming with: Serial
Flashing  with  command:/home/vmario/.arduino-create/arduino/avrdude/6.3.0-arduino17/bin/avrdude   -C/home/vmario/.arduino-create/arduino/avrdude/6.3.0-arduino17/etc/avrdude.conf  -v -patmega328p -carduino -P/dev/ttyACM0 -b115200 -D  -Uflash:w:/tmp/arduino-create-agent4050385497/Blink.hex:i
avrdude: Version 6.3-20190619
         Copyright (c) 2000-2005 Brian Dean, http://www.bdmicro.com/
         Copyright (c) 2007-2014 Joerg Wunsch
         System wide configuration file is "/home/vmario/.arduino-create/arduino/avrdude/6.3.0-arduino17/etc/avrdude.conf"
         User configuration file is "/home/vmario/.avrduderc"
         User configuration file does not exist or is not a regular file, skipping
         Using Port                    : /dev/ttyACM0
         Using Programmer              : arduino
         Overriding Baud Rate          : 115200
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 1 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 2 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 3 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 4 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 5 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 6 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 7 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 8 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 9 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding
avrdude: stk500_getsync() attempt 10 of 10: not in sync: resp=0x00
avrdude done.  Thank you.

Aby to naprawić, wystarczyło wgrać kopię zapasową wsadu z oryginalnym bootloaderem. Co jednak zrobić, gdy się takiej kopii nie wykonało zawczasu? Można pobrać bootloader ze strony projektu Arduino. Jest tam skompilowany wsad. Co ciekawe, nie jest to aktualny Optiboot, ale wersja sprzed kilkunastu lat.

avrdude -v -p atmega328p -c usbtiny -U flash:w:optiboot_atmega328.hex:i

Wybrałem tę platformę nie tylko z powodu wygody i łatwej dostępności, ale przede wszystkim dlatego, że studenci chcą uczyć się na tym, o czym słyszą w Internecie. ↩︎