燒錄 Bootloader 到 ATmega328P* 並獨立運作

最近購買了 1塊 ATmega328P-U 就是 Arduino UNO Rev3 的 核心
但在下嘗試上載 Sketch 到發現卻出現錯誤，究竟是甚麼原因？

在下為了測試這塊 ATmega328P-U ，網上建議最簡單的方法，就是將 ATmega328P* 安裝到 Arduino UNO Rev3
在下便將原來 Arduino UNO Rev3 上的 ATmega328P-PU 卸除，並安裝 ATmega328P-U 到 Arduino UNO Rev3


但在下發現當上載測試用的 Sketch 到 Arduino 卻出現錯誤
翻查資料估計是這塊 ATmega328P-U 是沒有載入 Bootloader ，需要先將 Bootloader 燒錄到 ATmega328P-U 才能上載 Sketch

• 外觀
  
  • 引腳
• 線路接駁
  
  • 使用 ATmega328P* Host
  • 直接連接 ATmega328P*
• 寫入 Arduino ISP
• 燒錄 Bootloader
• 補充資料
• 總結
• 參考資料

外觀

ATmel 的 ATmega328P-U 晶片 的 正面


ATmel 的 ATmega328P-U 晶片 的 背面

引腳

使用 雙列直插封裝 (Dual In-line Package (DIP)) 的 ATmega328P* 共有 28支引腳

後	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15
用途	A5	A4	A3	A2	A1	A0	GND	AREF	AVCC	D13	D12	D11	D10	D9
	RST	D0/RX	D1/TX	D2	D3	D4	VCC	GND	C0	C1	D5	D6	D7	D8
前	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14

編號	引腳	方向	用途
1	RST	輸入	重新啟動 當訊號 為 低電壓 時會 重新啟動
2	D0/RX	輸入/輸出	第0 數碼訊號 接收數據 (序列通訊用途) PORTD0
3	D1/TX	輸入/輸出	第1 數碼訊號 送出數據 (序列通訊用途) PORTD1
4	D2	輸入/輸出	第2 數碼訊號 PORTD2
5	D3	輸入/輸出	第3 數碼訊號 支援 脈衝寬度調變 輸出 10位元訊號 PORTD3
6	D4	輸入/輸出	第4 數碼訊號 PORTD4
7	VCC		電源 (接受 1.8V 至 5.5V)
8	GND		接地
9	C0		第0 16KHz晶體振盪器 連接
10	C1		第1 16KHz晶體振盪器 連接
11	D5	輸入/輸出	第5 數碼訊號 支援 脈衝寬度調變 輸出 10位元訊號 PORTD5
12	D6	輸入/輸出	第6 數碼訊號 支援 脈衝寬度調變 輸出 10位元訊號 PORTD6
13	D7	輸入/輸出	第7 數碼訊號 PORTD7
14	D8	輸入/輸出	第8 數碼訊號 PORTB0
15	D9	輸入/輸出	第9 數碼訊號 支援 脈衝寬度調變 輸出 10位元訊號 PORTB1
16	D10	輸入/輸出	第10 數碼訊號 支援 脈衝寬度調變 輸出 10位元訊號 Arduino UNO Rev3 預設 SPI SS引腳 PORTB2
17	D11	輸入/輸出	第11 數碼訊號 支援 脈衝寬度調變 輸出 10位元訊號 Arduino UNO Rev3 預設 SPI MOSI引腳 PORTB3
18	D12	輸入/輸出	第12 數碼訊號 Arduino UNO Rev3 預設 SPI MISO引腳 PORTB4
19	D13	輸入/輸出	第13 數碼訊號 Arduino UNO Rev3 預設 SPI SCK引腳 PORTB5
20	AVCC		類比電源
21	AREF	輸入	類比參考 (接受 0V 至 5V) 改變 類比訊號最大值 的 電壓參考值 類比參考 給予 4V 時，類比訊號最大值 為 1023 = 4V 此引腳沒有接駁時 為 5V
22	GND		接地
23	A0	輸入/輸出	第0 類比訊號 類比訊號 時只可以作為 輸入10位元訊號 數碼訊號 時可以作為 輸入訊號 或 輸出訊號 PORTC0
24	A1	輸入/輸出	第1 類比訊號 類比訊號 時只可以作為 輸入10位元訊號 數碼訊號 時可以作為 輸入訊號 或 輸出訊號 PORTC1
25	A2	輸入/輸出	第2 類比訊號 類比訊號 時只可以作為 輸入10位元訊號 數碼訊號 時可以作為 輸入訊號 或 輸出訊號 PORTC2
26	A3	輸入/輸出	第3 類比訊號 類比訊號 時只可以作為 輸入10位元訊號 數碼訊號 時可以作為 輸入訊號 或 輸出訊號 PORTC3
27	A4	輸入/輸出	第4 類比訊號 類比訊號 時只可以作為 輸入10位元訊號 數碼訊號 時可以作為 輸入訊號 或 輸出訊號 Arduino UNO Rev3 預設 I2C SDA引腳 PORTC4
28	A5	輸入/輸出	第5 類比訊號 類比訊號 時只可以作為 輸入10位元訊號 數碼訊號 時可以作為 輸入訊號 或 輸出訊號 Arduino UNO Rev3 預設 I2C SCL引腳 PORTC5

線路接駁

使用 ATmega328P* Host

以 ATmega328P* Host 方式最簡單
如果閣下有 2塊 Arduino底板 而其中 1塊是 THT版本 便可以使用
將 非 ATmega328P* Host 的 Arduino 寫入 Arduino ISP (Arduino In-System Programming)
再將 Bootloader 經 Arduino 燒錄到 ATmega328P* Host 的 ATmega328P*

Arduino ISP 引腳	Arduino Host 引腳
5V	5V
GND	GND
D13	D13
D12	D12
D11	D11
D10	RST

Arduino UNO Rev3 THT版本 上的 28 DIP 引腳座，可以簡單安裝及卸除 ATmega328P*


安裝時， ATmega328P* 的缺口為電源插孔的反方向


使用 ATmega328P* Host 線路接駁 原型


使用 ATmega328P* Host 實際線路接駁



Arduino ISP 的 5V引腳 連接到 ATmega328P* Host 的 5V引腳
Arduino ISP 的 GND引腳 連接到 ATmega328P* Host 的 GND引腳



Arduino ISP 的 D10引腳 連接到 ATmega328P* Host 的 RST引腳


Arduino ISP 的 D13引腳 連接到 ATmega328P* Host 的 D13引腳
Arduino ISP 的 D12引腳 連接到 ATmega328P* Host 的 D12引腳
Arduino ISP 的 D11引腳 連接到 ATmega328P* Host 的 D11引腳

直接連接 ATmega328P*

如果閣下只有 1塊 Arduino底板 便需要接駁電子零件


要直接連接 ATmega328P* 寫入 Bootloader 還需要 1粒16MHz晶體振盪器 及 2粒22pF電容

Arduino ISP 引腳	ATmega328P* 引腳		接駁電子零件
	C0	C1	16MHz晶體振盪器
	GND	C0	22pF電容
	GND	C1	22pF電容
5V	VCC
GND	GND
D13	D13
D12	D12
D11	D11
D10	RST

直接連接 ATmega328P* 線路接駁 原型


將 ATmega328P* 安裝到 麵包板 方便接駁


16MHz晶體振盪器 連接到 ATmega328P* C0引腳 及 C1引腳


22pF電容 連接到 ATmega328P* GND引腳 及 C1引腳


另1粒 22pF電容 連接到 ATmega328P* GND引腳 及 C0引腳


接駁方式大致與原型相似


ArduinoISP VCC引腳 連接到 ATmega328P* VCC引腳
ArduinoISP GND引腳 連接到 ATmega328P* GND引腳


ArduinoISP D10引腳 連接到 ATmega328P* RST引腳


ArduinoISP D11引腳 連接到 ATmega328P* D11引腳
ArduinoISP D12引腳 連接到 ATmega328P* D12引腳
ArduinoISP D13引腳 連接到 ATmega328P* D13引腳

寫入 Arduino ISP

開啟 Arduino IDE
選擇 檔案(File) > 例子(Examples) > ArduinoISP 的範本


到 工具(Tools) > Programmer 選擇 AVRISP mk II


將程式上載到 Arduino


到 工具(Tools) > Programmer 選擇 Arduino as ISP


到 工具(Tools) > Burn Bootloader

燒錄 Bootloader

將 Bootloader 燒錄到空白 ATmega328P*


選擇 檔案(File) > 例子(Examples)
選擇測試範本，例如 Basics > Blink


將範本上載到已燒錄 Bootloader 的 ATmega328P* 中


將 Bootloader 燒錄至 ATmega328P* 並上載 Blink 範本測試
如果將這塊 ATmega328P* 安裝到 Arduino ， Arduino 上標記著 L 的 LED 會閃動

補充資料

數碼引腳 及 類比引腳 寫著 PORTB 、 PORTC 、 PORTD
在下學習 Arduino 時，網上翻查資料經常出現 PORTD = 0x00; 或 byte value = PORTD; 程式碼，最初在下完全不知甚麼意思
翻查 ATmega328P 的說明書都提及 PORT* 時，因此仔細翻找相關資料

PORT* 是 讀取 或 寫入 對應引腳的訊號
例如 寫入

PORTD = 0xB4;

由於 0xB4(hex) = 10110100(bin) ，位元資料為 0 = LOW ， 為 1 = HIGH
等價於

digitalWrite(7, HIGH);
digitalWrite(6, LOW);
digitalWrite(5, HIGH);
digitalWrite(4, HIGH);
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(2, HIGH);
digitalWrite(1, LOW);
digitalWrite(0, LOW);

例如 讀取

byte value = PORTD;

等價於

byte value = 0;
value |= ((digitalRead(7) == LOW) ? 0 : 1) << 7;
value |= ((digitalRead(6) == LOW) ? 0 : 1) << 6;
value |= ((digitalRead(5) == LOW) ? 0 : 1) << 5;
value |= ((digitalRead(4) == LOW) ? 0 : 1) << 4;
value |= ((digitalRead(3) == LOW) ? 0 : 1) << 3;
value |= ((digitalRead(2) == LOW) ? 0 : 1) << 2;
value |= ((digitalRead(1) == LOW) ? 0 : 1) << 1;
value |= ((digitalRead(0) == LOW) ? 0 : 1) << 0;

除了 PORT* 還有 DDR* 及 PIN* (* 同樣是 B, C, D)
DDR* 為設定對應引腳的 輸入 或 輸出 方向
例如

DDRD = 0x4B;

由於 0x4B(hex) = 01001011(bin) ，位元資料為 0 = INPUT ， 為 1 = OUTPUT
等價於

pinMode(7, INPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(5, INPUT);
pinMode(4, INPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(2, INPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
pinMode(0, OUTPUT);

PIN* 只是 讀取 對應引腳的訊號
例如

byte value = PIND;

等價於

byte value = 0;
value |= ((digitalRead(7) == LOW) ? 0 : 1) << 7;
value |= ((digitalRead(6) == LOW) ? 0 : 1) << 6;
value |= ((digitalRead(5) == LOW) ? 0 : 1) << 5;
value |= ((digitalRead(4) == LOW) ? 0 : 1) << 4;
value |= ((digitalRead(3) == LOW) ? 0 : 1) << 3;
value |= ((digitalRead(2) == LOW) ? 0 : 1) << 2;
value |= ((digitalRead(1) == LOW) ? 0 : 1) << 1;
value |= ((digitalRead(0) == LOW) ? 0 : 1) << 0;

簡單來說 PORT*, ADD*, PIN* 是一種簡化程式碼或語法的寫法
PORTD 存取 D7 至 D0 共 8位元 資料
但 PORTC 存取 D13 至 D8 及 PORTB 存取 A5 至 A0 ，分別只有 6位元 資料
都是 讀取 第5位元 至 第0位元 的 資料，而非 第7位元 至 第2位元 的 資料

PORT*	第n引腳	第n位元
PORTC	A5	5
	A4	4
	A3	3
	A2	2
	A1	1
	A0	0
PORTB	D13	5
	D12	4
	D11	3
	D10	2
	D9	1
	D8	0
PORTD	D7	7
	D6	6
	D5	5
	D4	4
	D3	3
	D2	2
	D1	1
	D0	0

補充資料

使用較舊版 Bootloader 的 Arduino Nano
亦可以使用這方法，將新版本的 Bootloader 燒綠到 Arduino Nano 的 QFP ATmega328P

總結

淺綠色的 Arduino UNO Rev3 是 Arduino 的官方版本
藍色是與 Arduino UNO Rev3 相容的 UNO ，形狀大小與官方版本是完全相同，不過 UNO 比官方版本提供更多引腳
Arduino UNO Rev3 數碼引腳 及 類比引腳 等 常用引腳 都是 插孔，但 UNO 還提供 插頭 方便讓 其他電子零件 連接

設計線路、接駁電子零件、編寫程式、提供電源便可以運作
例如要在 LCD顯示器上 顯示溫度、濕度資料，可以編寫好運作程式，測試正確後，設計編路甚至製作印刷電路板
當安裝所有需要使用的零件都印刷電路板後，接通電源便可以立即使用

比起購買 Arduino ，只購買 ATmega328P* 的成本更低
而且獨立運作的話， Arduino底板 的體積反而會佔據使用空間，可能不太適合小型專案
雖然 Arduino Nano 等版本的體積會細小及便宜，但仍不及單購買 ATmega328P*
如果要更細小，可以使用 SMT 版本的 ATmega328P* 可以更節慳空間及成本
沒有預載 Bootloader 的 ATmega328P* 會再稍微便宜一點
如果需要大量購買，可以選擇沒有預裝 Bootloader 的版本

另外如果上載 Sketch 到 ATmega328P* 時，突然終斷連接，排除晶片的內部受損，有機會導致寫入資料出錯而不能再上載 Sketch
這時同樣需要重新寫入 Bootloader 到 ATmega328P* 讓 ATmega328P* 能正常運作

參考資料

• ATmega328P Datasheet