利用PROGISP实现ARDUINO IDE编写的程序的下载以及如何把AVR单片机做成ARDUINO板

首先讲讲题目的由来吧。我做的东西原本是利用ARDUINO MEGA2560及各种模块搭建起来的，程序自然也是用ARDUINO IDE写的。但这种东拼西凑的产品自然不够好，更主要的是，之前ARDUINO板的电源烧掉了，我看了下原理图，当电脑USB电源和12V电源都接上时，USB5V和12V转的5V并联了，以此来提供大电流，但是我上网查了下，两个相同电压的电源并联其实是很容易出问题的，电流的分配关系并没有想象的那么听话是均分的，而是和电源的内阻有关，很容易烧电源，于是想着自己参考着开源原理图设计了一块电路板，修改了电源方案并把所有元件都放在一块板上，并修改固件（即之前说的程序）后烧进单片机中。说到这里，有必要阐述一下AVR与ARDUINO的关系。

ARDUINO是以ATMEL公司的AVR单片机为主控芯片的开源硬件，同时它还有自己的开发环境ARDUINO IDE。那么ARDUINO板是怎么利用AVR单片机搭建起来的呢？比如ARDUINO MEGA2560就是以AT MEGA2560 为主控芯片搭建起来的。ARDUINO把AVR单片机的部分通用I/O口挑出来，给他重新赋予名字：如maga2560 中PD0对应ARDUINO板上的digital 21（PWM和COMMUNICATION 的I/O口也是DIGITAL口），PF0对应ADC0即板子上ANALOG IN的A0.每个版本都是事先把AVR单片机的各设置都设置好了之后才出售的。每个版本的相关信息可通过ARDUINO所在文件夹下hardware\arduino下的boards.txt查看，里面记载了各版本的熔丝位设置，串口波特率设置，bootloader文件所在位置等等。在ARDUINO IDE中选择版本时，就会把相关参数切换为这个文件里说明的参数。

说完I/O口，再说说ARDUINO的下载方式。AVR单片机的下载方式有ISP,JTAG仿真，高压并行下载等。早期的ARUIDNO的下载用的还是CH340G，后来从某个版本开始就使用AT MEGA8以及16来实现USB转串口了。ARDUINO MEGA2560的手册的下载模块原理图如下：

由于这个原理我也不懂，所以就不多说了。重点是，ARDUINO并没有用传统的下载方式，那他这个下载方式是怎么实现的呢？答案就是BOOTLOADER。有一篇帖子对此作了很有趣的比喻，他说如果芯片是人，那么ISP下载相当于给人洗脑，而通过串行口下载则是让他看文字然后记到脑子里，详细见链接
isp与串口下载比较

BOOTLOADER就是正式程序之前的一段小程序，他在FLASH中有自己专门的存储区（忘记叫什么了），可以根据需要实现各种功能，一般被用作系统启动前的初始化工作。而ARDUINO就利用他实现了串行口下载。具体步骤见后面叙述。

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下面说下我的开发过程。

一.利用PROGISP实现ARDUINO IDE编写的程序的下载

由于我的micro usb焊接不上去，又不想浪费其余部分已经焊好的板子，于是用PROGISP来下载ARDUINO IDE上写好的程序。
ARDUINO板子正常的下载是通过USB口，在编译器上一键下载的。而我们用PROGISP下载则需要编译好的16进制文件。导出ARDUINO IDE编译好的hex文件设置如下：

1. 打开ARDUINO IDE，File->preferences，点那个C盘的路径，用记事本打开preferences.txt
   
2. 关闭ARDUINO IDE（非常重要！）
3. 用记事本打开preferences.txt后,选择hex文件存放的路径，在最后行加入 build.path=D:\arduino\MyHexDir。这个路径自己选择。关闭文件。
4. 验证是否成功，如果没有成功，很可能是修改文件时ARDUINO没有关闭，此时重新打开文件，会发现那段语句并没有加入到文中。
5. 成功后，目录里能找到编译好的HEX文件。

接下来就是AVR单片机的一些需要设置的地方了，谈下我的经历以及需要注意的东西：熔丝位。这是我第一次接触AVR单片机，很多地方都不懂，之前一直以为直接用CH340G就可以实现下载了，后来发现并不是这样。首先AVR的熔丝位就是一个很独特的东西，它决定了时钟选择，系统时钟分频，启动时从哪个地址开始执行程序，各种使能等等。AVR出厂时默认的是使用内部的RC振荡电路，我的板子上用的是外部的16M晶振，所以需要修改熔丝位来选择外部晶振作为时钟电路。而熔丝位是需要用ISP来下载的，所以第二版PCB我增加了ISP的下载口，并在网上买了两个usb isp下载器，无奈的是，把下载器插到电脑上后，电脑竟然没发现新硬件，在设备管理器里也没有找到。好在卖家负责，给我发了个免驱动的烧录软件，见下图。


下载链接:免驱动 progisp
这个软件对熔丝位的烧写有向导模式，非常方便，不用去查熔丝位各个位的意义，大大便利了熔丝位的设置。利用这个软件，我成功的实现了熔丝位的修改和程序的烧录（别忘了第一步永远是先选择芯片型号）。当然中间也有一些小插曲。比如说熔丝位中我选择了“系统时钟8分频”，导致实际时钟只有晶振值的八分之一，又如我明明没用BOOTLOADER，却选择了“将复位向量移至BOOT区起始地址”，导致单片机没有执行我的程序。其中主要的问题是单片机时钟选择的问题，这里需要重点强调一下：“RC振荡器”指的是利用电路和电容电路组成的时钟电路，“外部时钟”指的是一种有源晶振而不是我们平时所见的细长的无源晶振，“外部低频晶振”就是频率很低的无源晶振，“外部满幅晶振”我不懂，看有些地方写的它对应的几个熔丝位的值是外部RC振荡电路，总之不用他就对了，而“外部低功率晶振”则是我们常用的外接的无源晶振加起振电容组成的时钟电路，它对应的CKSEL3:0=1000~1111。现在，熔丝位的设置就完成了。

接下来看烧入程序，点“调入FLASH”,设置好其他的选项后，点“自动”就可完成所有操作。这里顺便说下FLASH和EEPROM的区别，FLASH容量很大，一般程序就装在里面。而EEPROM的容量较小，对MEGA2560，它只有4K的大小，多用于非易失性的数据存储器。至此，你已经成功的完成了用PROGISP下载ARDUINO IDE编好的程序到AVR里。
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现在说下我在开发的过程中遇到的一个很有趣的现象。当我全部设置好熔丝位后，我立即用示波器观察了下晶振的起振情况，得到的却是下面的结果：

电压大概是1V，有轻微的纹波。于是我判断晶振依然没有起振。后来又是重焊时钟电路，始终没有解决问题。最后我抱着试一试的态度写了个LED闪烁的程序，并把时钟改成内部RC振荡电路，测试了下输出，发现有输出，只不过频率不对，并且实际频率是理论频率的八分之一，我突然想到之前的“系统时钟8分频”，于是我把这个选项去掉了，果然，输出正常了。紧接着，我把时钟切换为外部晶振，又测了一下输出，输出正常！接着重新测了下晶振，波形依然是一条横线！得出结论：AVR与C51不同，晶振起振后并没有明显的正弦波波形。当设置为内部RC振荡电路时，晶振的引脚电平为0V；当设置为外部晶振时，晶振的一只引脚电压为1V，另一只电压为0.7V，没有正弦波形。

二.如何把AVR单片机做成ARDUINO板

上一种下载方法是AVR的下载方式，而这里提到的下载方法就是ARDUINO的下载方式。ARDUINO的下载其实利用的是AVR单片机的IAP下载方式。IAP是in application programming的缩写，常用来做系统升级。它的原理就是把整个芯片的flash分成两部分，一个叫app区，一个叫boot区。这两个区的大小可根据熔丝位来设置。这里把bootloader烧写进boot区，再让boot区的程序接收串口来的程序，实现程序的自更新即下载。

在你的串口电路好使（用CH340G搭建的串口电路见我的另一篇博客基于CH340G的一键下载）以及焊接等都没问题的情况下，把电脑和板子用AVR ISP连好，在ARDUINO里的TOOLS->Board上选择好板子型号后，再在programmer里选择AVR ISP，最后点Burn Bootloader。成功后，你就可以用ARDUINO正常的下载方式实现下载啦。

然而和前面的问题一样，我的电脑并不识别AVR ISP，所以这里仍然要使用bootloader的hex文件。找到arduino的安装目录，打开hardware/arduino/下的boards.txt，里面有关于各种型号板子的信息，这里我们只关注熔丝位和bootloader在哪。以Arduino Mega 2560为例，
mega2560.bootloader.low_fuses=0xFF
mega2560.bootloader.high_fuses=0xD8
mega2560.bootloader.extended_fuses=0xFD
mega2560.bootloader.path=stk500v2
mega2560.bootloader.file=stk500boot_v2_mega2560.hex
按照以上信息更改熔丝低位，高位和拓展位，再在stk500v2目录下找到stk500boot_v2_mega2560.hex文件，将其烧录到boot区即可。至于加密值，不管他吧，万一锁了就不好了。这样，一个能用ARDUINO IDE下载的板子就做好了。

这里详细说一下熔丝位是怎么设置的。虽然arduino都给我们固定好了，但我们也要把它弄懂。


以上就是按照arduino提供的熔丝位设置后的结果。
1.它把boot区的大小设置为了4096words，毕竟bootloader有20k+。
2.勾选了“将复位向量移至Boot区起止地址”，如果不这样做的话，每次单片机复位后程序将从头开始执行即IAP下载没有使能。勾选了后，复位后单片机将先执行boot区的程序，如果此时有下载需求，则下载程序，完成后正常执行app区的程序。
3.勾选了“无加密”。建议勾选，如果改为勾选下面两个，则不能再更改flash内容。
4.从其他人的博客上来看，在boot区程序执行并把新程序写入app区的过程中，读取app区的内容是绝对禁止的。所以这里应该勾选“不允许运行于Boot Loader区的LPM指令从应用区读取数据”。（LPM是读程序区指令，SPM是写程序区指令）但是他这里勾选的却是“SPM和LPM对应用区的访问没有限制”，对此我很不理解，希望有大神能指点。