Тактирование Ардуино от внутреннего RC-генератора

При написании публикации про ATtiny85 я обратил внимание на то, как реализовано изменение частоты микроконтроллера: достаточно выбрать нужное значение тактовой частоты в меню IDE Ардуино и затем выполнить команду "Записать загрузчик". А почему бы не сделать так же для Ардуино? Чтобы можно было простыми действиями настроить ее на тактирование либо от внешнего резонатора на 16МГц, либо от внутреннего RC-генератора на 8МГц. Кстати при тактировании от внутреннего генератора микроконтроллер можно извлечь из Ардуино, тем самым значительно снизить энергопотребление. В общем, тема весьма интересная, подробности под катом.

Содержание

Что нужно знать о тактировании AVR микроконтроллеров
Редактирование файла boards.txt
Что такое Optiboot
Компиляция Optiboot для работы на частотах 8МГц и 1МГц
Изменение частоты и источника тактирования Ардуино

Что нужно знать о тактировании AVR микроконтроллеров

AVR микроконтроллеры способны работать с различными источниками тактового сигнала. Это может быть внешний резонатор, RC-цепочка (внутренняя или внешняя), а так же внешний сигнал синхронизации. Источник тактирования выбирается исходя из требований к устройству. Так для построения точных микроконтроллерных систем следует использовать внешние кварцевые или керамические резонаторы, так как они обладают высокой стабильностью и не чувствительны к изменениям температуры. В этом плане им уступают генераторы на основе времязадающей RC-цепочки: они менее стабильны и чувствительны к изменениям температуры и напряжения. С другой стороны внутренний RC-генератор присутствует практически во всех AVR микроконтроллерах и его использование будет наиболее простым и экономичным решением в системах, не предъявляющих высоких требований к стабильности тактового сигнала.

Настройка микроконтроллера на работу с тем или иным источником тактового сигнала осуществляется установкой конфигурационных битов (фьюзов) при помощи программатора. Применительно к нашей ситуации установка фьюзов происходит при выполнении команды "Записать загрузчик" из меню IDE Ардуино, значения фьюзов берутся из файла boards.txt. Он же отвечает за добавление новых пунктов в меню Инструменты. Поэтому доработка IDE Ардуино для добавления в нее меню выбора частоты начинается с редактирования файла boards.txt

Редактирование файла boards.txt

Перейдите в каталог Arduino_dir\hardware\arduino\avr\, где Arduino_dir - это каталог, в который установлена среда разработки Ардуино. У меня этот путь выглядит так: d:\Arduino\arduino-1.6.12\hardware\arduino\avr\. Перед внесением изменений в файл boards.txt я рекомендую сделать его резервную копию. Теперь открываем файл boards.txt в текстовом редакторе (подойдет notepad++ или другой, поддерживающий кодировку UTF-8, чтобы не было проблем с отображением русских букв в IDE Ардуино)  и добавляем в него строку menu.clock=Тактирование

Затем находим секцию для Ардуино Уно (я опишу порядок действий применительно к Ардуино Уно, но таким же образом можно скорректировать секции других плат с поправкой на микроконтроллер):

Здесь нужно добавить наше подменю для выбора источника тактирования и частоты. Для этого сперва удалим строки, определяющие:

1. скорость загрузки - uno.upload.speed;
2. значения фьюзов - uno.bootloader.low_fuses, .high_fuses, .extended_fuses;
3. имя файла загрузчика - uno.bootloader.file;
4. частоту микроконтроллера - uno.build.f_cpu.

Эти параметры мы перенесем в подменю, в основной же секции останутся только общие параметры. Ниже приведен фрагмент, добавляющий подменю выбора источника тактирования,  вставьте его в свой файл.

uno.menu.clock.external16=Внешний резонатор 16МГц
uno.menu.clock.external16.upload.speed=115200
uno.menu.clock.external16.bootloader.low_fuses=0xFF
uno.menu.clock.external16.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.menu.clock.external16.bootloader.extended_fuses=0xFF
uno.menu.clock.external16.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328.hex
uno.menu.clock.external16.build.f_cpu=16000000L

uno.menu.clock.internal8=Внутренний RC-генератор 8МГц
uno.menu.clock.internal8.upload.speed=57600
uno.menu.clock.internal8.bootloader.low_fuses=0xE2
uno.menu.clock.internal8.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.menu.clock.internal8.bootloader.extended_fuses=0xFF
uno.menu.clock.internal8.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328_8.hex
uno.menu.clock.internal8.build.f_cpu=8000000L

uno.menu.clock.internal1=Внутренний RC-генератор 1МГц
uno.menu.clock.internal1.upload.speed=4800
uno.menu.clock.internal1.bootloader.low_fuses=0x62
uno.menu.clock.internal1.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.menu.clock.internal1.bootloader.extended_fuses=0xFF
uno.menu.clock.internal1.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328_1.hex
uno.menu.clock.internal1.build.f_cpu=1000000L

Для наглядности я приведу скриншот моего файла boards.txt, каким он был и каким стал после выполнения описанных изменений:

Таким образом мы описали меню из трех пунктов, для каждого из них указали скорость загрузки скетчей, значения фьюзов, имя файла загрузчика (об этом чуть позже) и частоту микроконтроллера. При помощи онлайн калькулятора вы можете расшифровать приведенные значения фьюзов и увидеть, как происходит выбор источника тактирования. И что для получения тактовой частоты 1МГц при работе от внутреннего RC-генератора используется деление частоты на 8 (фьюз CKDIV8).

Сохраните файл в кодировке UTF-8 без BOM и запустите IDE. Если все сделано правильно, то при выборе платы Arduino Uno вам станет доступно меню Инструменты->Тактирование. Но этих изменений пока еще мало. Если сейчас выбрать в меню, например, Внутренний RC-генератор 8МГц и выполнить запись загрузчика, то новые значения фьюзов, конечно, запишутся в микроконтроллер и он начнет работать с внутренним RC-генератором. Но мы потеряем возможность загружать в Ардуино новые скетчи, потому что записанный в нее загрузчик рассчитан на частоту 16МГц. Выход - скомпилировать загрузчик для работы на частотах 8МГц и 1МГц. Если у вас нет желания заморачиваться с компиляцией загрузчика, то можете скачать уже скомпилированные файлы отсюда, поместить их в каталог Arduino_dir\hardware\arduino\avr\bootloaders\optiboot\ и перейти к пункту Изменение частоты и источника тактирования Ардуино. А кому интересно могут скомпилировать их самостоятельно. О том как это сделать описано далее.

Что такое Optiboot

Optiboot - это загрузчик для AVR микроконтроллеров, созданный Питером Найтом (Peter Knight). В его основу легли труды нескольких разработчиков и групп (Jason P. Kyle, Arduino group, Spiff , AVR-Libc group, Ladyada), впоследствии он значительно развился. Загрузчик получился настолько удачным, что компания-разработчик Ардуино стала использовать его в своей плате Ардуино Уно. С недавнего времени Optiboot является официальным загрузчиком и для других плат на базе ATmega328p (Нано, Мини). По сравнению с использовавшимся в них старым загрузчиком Optiboot обладает рядом преимуществ:

• занимает всего 512 байт, освобождая 1,5кб для программ пользователя;
• значительно быстрее выполняет загрузку скетчей;
• поддерживает альтернативные серийные порты, скорости загрузки и частоты микроконтроллера.

С 2011 года поддержкой Optiboot занимается  Билл Вестфилд (Bill Westfield). Это самостоятельный проект, не финансируемый какими-либо организациями.

Компиляция Optiboot для работы на частотах 8МГц и 1МГц

Исходные файлы Optiboot входят в состав IDE Ардуино и находятся в каталоге Arduino_dir\hardware\arduino\avr\bootloaders\optiboot\. Там же расположен батник omake.bat для сборки загрузчика. Вот только для его сборки в составе IDE Ардуино (начиная с версий 1.5.x) не хватает утилиты make.exe. Наиболее простое решение - это скопировать ее из старой версии. Для этого:

1. скачайте IDE версии 1.0.6;
2. распакуйте архив и перейдите каталог \arduino-1.0.6\hardware\;
3. скопируйте или переместите каталог tools в Arduino_dir\hardware\arduino\ вашей рабочей IDE;
4. IDE 1.0.6 больше не нужна, ее можно удалить.

Перейдите в каталог optiboot и откройте файл Makefile в Блокноте. В нем нужно найти секцию для atmega328:

Между ней и началом следующей секции для Sanguino вставляем код:

atmega328_8: TARGET = atmega328

atmega328_8: MCU_TARGET = atmega328p

atmega328_8: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=3' '-DBAUD_RATE=57600'

atmega328_8: AVR_FREQ = 8000000L

atmega328_8: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x7e00 -Wl,--section-start=.version=0x7ffe

atmega328_8: $(PROGRAM)_atmega328_8.hex

atmega328_8: $(PROGRAM)_atmega328_8.lst

atmega328_1: TARGET = atmega328

atmega328_1: MCU_TARGET = atmega328p

atmega328_1: CFLAGS += '-DLED_START_FLASHES=3' '-DBAUD_RATE=4800'

atmega328_1: AVR_FREQ = 1000000L

atmega328_1: LDSECTIONS  = -Wl,--section-start=.text=0x7e00 -Wl,--section-start=.version=0x7ffe

atmega328_1: $(PROGRAM)_atmega328_1.hex

atmega328_1: $(PROGRAM)_atmega328_1.lst

Это копии секции atmega328. От исходной они отличаются частотой микроконтроллера и скоростью загрузки скетчей. Эти значения соответствуют указанным нами ранее в файле boards.txt. Думаю, можно указать и большую скорость загрузки, но я не экспериментировал с этим. Однозначно, при слишком высокой скорости ошибки будут неизбежны, поэтому с уменьшением частоты микроконтроллера я уменьшаю и скорость загрузки.

Теперь нужно скомпилировать загрузчик для работы на пониженной частоте. Для этого, находясь в каталоге Arduino_dir\hardware\arduino\avr\bootloaders\optiboot\, запустите командную строку, введите и выполните по очереди команды:
omake.bat atmega328_8
omake.bat atmega328_1

Загрузчики для работы на частоте 8МГц и 1МГц готовы! Теперь нужно удалить папку tools, которую мы позаимствовали из IDE Ардуино 1.0.6. Если этого не сделать, то среда не запустится. Связано это с тем, что содержимое Arduino_dir\hardware\arduino\ должно иметь определенную структуру и папке tools здесь не место.

Изменение частоты и источника тактирования Ардуино

Для изменения частоты и источника тактирования необходимо записать в Ардуино новый загрузчик. Для выполнения этой процедуры нужен программатор. Если у вас его нет, то можете использовать в качестве программатора другую плату Ардуино, в статье Arduino as ISP - программатор из Ардуино эта тема подробно расписана. Я для записи загрузчика воспользуюсь программатором USBasp.

Итак, запускаем среду разработки Ардуино, выбираем в списке плат Arduino/Genuino Uno, в меню Инструменты->Тактирование выбираем значение Внутренний RC-генератор 8МГц. Подключаем программатор к компьютеру, выставляем соответствующее значение в меню Инструменты->Программатор. Записываем загрузчик. После этого отключаем программатор, подключаем Ардуино напрямую к компьютеру и в меню Инструменты->Программатор выставляем стандартное значение - AVRISP mkII. Теперь можете проверить работу платы, загрузив в нее скетч Blink из стандартных примеров. Когда решите снова изменить частоту, нужно будет повторно выполнить запись загрузчика, выбрав соответствующее значение в меню Тактирование.

Если при записи загрузчика на 1МГц через USBasp у вас возникнет следующая ошибка:

- не пугайтесь, просто нужно установить перемычку JP3 на программаторе. При использовании Ардуино в качестве программатора такая ошибка не возникает.

Теперь было бы интересно вынуть ATmega328P из Ардуино и измерить его энергопотребление при работе на 8МГц / 1МГц, а также в режиме PowerDown. Но это я оставлю для будущей публикации - Энергопотребление ATmega328P при тактировании от внутреннего RC-генератора