にわとりたまご！　Arduino用ブートローダの巻

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　このＷｅｂページはＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのターゲットとなるワンチップマイコンにブートローダを書き込んだ経緯を記録として残した個人的なメモです。　当方にしか役立たない情報です。　その点、ご了承願います。　

　まじめに（？）Ａｒｄｕｉｎｏに取り組み始めた初期のメモ書きです。　実は「ブートローダ書き込み済みＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵ」を含んだキット類を所有していたのです。　このメモ書きを作成した時点ではその事実に気付いていませんでした・・・・・。

　今回、短時間でコンテンツを作成しようと部品点数の少ない「あちゃんでいいの（2022お楽しみ福袋） (AKIT-ADINO)」の組み立てに着手しました。　基板自体の組み立てはすぐにできましたが、ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵにプログラムを書き込むところで手が止まりました。　これまでＡｒｄｕｉｎｏ関連の図書は簡単に目を通していましたが、応用例ばかりで実際の立上げに関してはまじめに読まず理解していなかったのです。　今回、まじめに情報収集すると下記の２点に関する記載を多く目にしました。

　こんな基本的な事すら理解していなかったのです。　（知識のないことを年齢のせいにする今日この頃です。　新しい情報に接した際に一瞥で内容を理解することが若い頃のように出来なくなっているのは事実です。）　上記を理解したうえでブートローダを書き込もうにもブートローダ書き込み済みの「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ」や「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３」を所有していません。　「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３」互換基板は所有していますが、価格比較をして安価なブートローダを書き込んだＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵ未実装基板を購入していました。　ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵも複数所有していました、ケチケチして何も書き込まれていないＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵを購入していました。

　さて、これは困りました。　ブートローダを書き込むためには「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３」（互換基板）を手に入れないといけないのですね。　あれ？ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵを用いた「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３」を立ち上げるためには、ブートローダが書き込まれたＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵを実装した「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３」が必要？？　ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵが「たまご」ならば「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３」は「にわとり」です。　「にわとり」を得るためには「たまご」が必要ですが、「にわとり」に実装する「たまご」はありません！！！　ここで「にわとりたまご」状態に陥りました。

　とりあえず安価な「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３」（互換基板）を入手するかブートローダ書き込み済みのＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵを入手しようかなと思いショップで価格比較をしていると、プログラマを使ってブートローダを書き込むとの情報を目にしました。　「ＡＶＲ　ＩＳＰ」、「「ＡＶＲ　ＩＳＰシールド」、「ＵＳＢａｓｐ」などの他に「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」の記載がありました。　「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」はどこかで見た記憶があります。　早速、保管用段ボール箱置場の奥を探して見つけ出しました。　この「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」は２０１５年に購入していました。　この度、やっと日の目を見ることになりました。

　ＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵに書き込みをするためのターゲットとして「ブートローダライタキット (SBW-S-Z)」を利用しました。　これは、いつかＡｒｄｕｉｎｏを使おうと思って購入していたものです。　もう少し詳しくいうならば、２０１７年にａｉｔｅｎｄｏ直営店の店頭で、「そうか、これを使えばＡｒｄｕｉｎｏマイコンのプログラムを書き込みできるのか、やり方はわからないけれどもゼロプレッシャーＩＣソケット付きで５００円なので、とりあえず買っておこう。」と、仕様も使い方もわからず衝動買いしたキットです。　この時、「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」購入済であることは忘れていたと思います。　　

　残念ながら「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」のＩＳＰコネクタを直接「ブートローダライタキット (SBW-S-Z)」に接続することができません。　このため、接続用の専用ケーブルも自作しました。　下記の回路となるように接続用ケーブルを製作しました。

上記画像をクリックすると原寸大回路図をダウンロード／閲覧できます。

　「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」のＩＳＰコネクタにあるＶＣＣピンはターゲットデバイスの電圧検出用です。　「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」からターゲットデバイスへの電源供給はできないため、別途ＤＣジャックを追加して「ブートローダライタキット (SBW-S-Z)」へ５Ｖｄｃの電源供給できるようにしました。

　ハードウエアの準備が済みましたので、つぎはソフトウエアの準備です。　　本Ｗａｂ公開時点では、「ＡＶＲＩＳＰｍｋⅡ」をＭｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏで利用することになります。　実は一番最初はＭｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏを用いてブートローダの書き込みをしました。　その際、ブートローダのＨＥＸファイルを入手するためにＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥをダウンロードしたり、Ｆｕｓｅ設定をしたりなど結構めんどうな手順を経て書き込みをしました。　その後、Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのみでブートローダを書き込みできることを知り、その後はＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのみでブートローダを書き込みしました。（最後に記載していますが、結局はＭｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏの方が良さそうです。）

　以下にＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥによるブートローダ書き込み手順とＭｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏによるブートローダ書き込み手順を下記に記載します。

Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥによるブートローダ書き込み

　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのメニューバーで「ツール」→「ボード：”ＸＸＸＸＸ”」を選択してボードマネージャを開きます。　ここで「Ａｒｄｕｉｎｏ　Ｕｎｏ」を選択します。

【　ボード設定　】

　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのメニューバーで「ツール」→「書き込装置：”ＸＸＸＸＸ”」を選択して書き込装置選択を開きます。　ここで「ＡＶＲＩＳＰ　ｍｋⅡ」を選択します。

【　書き込装置設定　】

　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのメニューバーで「ツール」→「ブートローダを書き込む」をクリックするとブートローダの書き込みが開始されます。

【　「ブートローダを書き込む」選択　】

【　ブートローダ書き込中　】

【　ブートローダを書き込み完了　】

Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏによるブートローダ書き込み

Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏのメニューバーで「TOOL」→「Device　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ」を選択して「Device　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ」を開きます。

　ここでTOOL「AVRISP ｍｋⅡ」、Ｄｅｖｉｃｅ「ＡＴｍｅｇａ３２８Ｐ」を選択して「Ａｐｐｌｙ」ボタンを押します。

【　「Ａｐｐｌｙ」ボタンを押した後　】

　次に「Ｆｕｓｅｓ」ウィンドウで「Ｆｕｓｅ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」の値を設定してＰｒｏｇｒａｍボタンを押しました。　今回はＥＸＴＥＮＤＥＤ：０ｘＦC、ＨＩＧＨ：０ｘＤＡ、ＬＯＷ：０ｘＤＦとなるように設定しました。　この設定ではＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵを電源電圧５Vで動作させることになります。

【　Ｐｒｏｇｒａｍ　ＦＵＳＥＳ　】

設定内容
BODLEVEL = 4V3 RSTDISBL = [ ] DWEN = [ ] SPIEN = [X] WDTON = [ ] EESAVE = [ ] BOOTSZ = 1024W_3C00 BOOTRST = [X] CKDIV8 = [ ] CKOUT = [ ] SUT_CKSEL = EXTXOSC_8MHZ_XX_16KCK_14CK_0MS EXTENDED = 0xFC (valid) HIGH = 0xDA (valid) LOW = 0xDF (valid)

　なお、「Ｆｕｓｅｓ」ウィンドウを選択した時点で「Ｄｅｖｉｃｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」が更新されます。

【　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　　】

　次に「Ｌｏｃｋ　ｂｉｔｓ」ウィンドウで「Ｌｏｃｋ　ｂｉｔ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」の値を設定してＰｒｏｇｒａｍボタンを押しました。　今回はＬＯＣＫＢＩＴ：０ｘCＦとなるように設定しました。

【　Ｐｒｏｇｒａｍ　Ｌｏｃｋ　ｂｉｔｓ　】

設定内容
LB = NO_LOCK BLB0 = NO_LOCK BLB1 = LPM_SPM_DISABLE LOCKBIT = 0xCF (valid)

　次にブートローダ用HEXファイルを書き込みます。　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥをｅｘｅファイルでインストールすると「C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\bootloaders\atmega\」フォルダに格納されています。　

【　ブートローダ用HEXファイル選択　】

【　　ブートローダ用HEXファイル設定　】

　Ｆｌａｓｈ段の「Ｐｒｏｇｒａｍ」ボタンを押すとブートローダの書き込みが始まります。

【　　ブートローダ用書き込み完了　】

　ここまでで、やっとブートローダの書き込み済みＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵを手に入れることができました。　これで「にわとりだまご」の「たまご」から「にわとり」を作ることができます。　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３互換機「びんぼうでいいの (U3R)」にブートローダ書き込み済みＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵを実装して、「ブートローダライタキット (SBW-S-Z)」を用いてブートローダを書き込みました。

上記画像をクリックすると原寸大回路図をダウンロード／閲覧できます。

　次にソフトウエアです。　今回はＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥによりブートローダを書き込みました。

Ａｒｄｕｉｎｏ　UNOとＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥによるブートローダ書き込み

　最初にＡｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３互換機「びんぼうでいいの (U3R)」（以下、Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯと記載します。）をＩＳＰとして動作させる必要があります。　そのためＡｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯにＩＳＰとして動作させるスケッチを書き込みます。
　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのメニューバーで「ファイル」→「スケッチ例」→「１１．ＡｒｄｕｉｎｏＩＳＰ」を選択しＩＳＰ用のスケッチを書き込みます。

【　「１１．ＡｒｄｕｉｎｏＩＳＰ」選択　】

【　ＡｒｄｕｉｎｏＩＳＰのコンパイル・書き込み　】

【　ＡｒｄｕｉｎｏＩＳＰのコンパイル・書き込み完了　】

　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥのメニューバーで「ツール」→「ブートローダを書き込む」をクリックするとブートローダの書き込みが開始されます。

【　「ブートローダを書き込む」選択　】

【　ブートローダ書き込中　】

【　ブートローダを書き込み完了　】

　これで「にわとりたまご」は解決してブートローダ書き込みＡＴＭＥＧＡ３２８Ｐ－ＰＵをいくつも入手することができました。　とても簡単です。　おしまいおしまい。

　あれ？　Ａｒｄｕｉｎｏ　UNOとＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥによるブートローダ書き込みはできましたが、「Ｆｕｓｅ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」と「Ｌｏｃｋ　ｂｉｔ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」の設定はどうなっているの？

　この疑問は「ＡＶＲＤＵＤＥ」（以下、Ａｖｒｄｕｄｅと表記）を用いると解決するとのことでした。　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥも内部でＡｖｒｄｕｄｅを利用していると記載がありました。　もともとのAvrdudeとは「Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ社製ＡＶＲマイクロコントローラのオンチップメモリをダウンロードおよびアップロードするためのプログラム。」とのことでした。

　確かに、Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥをインストールすると、デフォルトで「C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin」に「avrdude.exe」がインストールされていました。　このプログラムはコマンドプロンプトで利用するキャラクタベースのツールでした。　つまり、「まじめに理解しておかないと使ってはいけないプログラムくん達」のお仲間です。　上記参照元（https://github.com/avrdudes/avrdude/）を調べていくと「avrdude.exe」の説明書（今回はavrdude-doc-6.4.pdf）がありましたのでダウンロードして読んで（正しくは眺めて）みましたが、最初は何をすればよいのかすら分かりませんでした。

　しかし、今はインターネット時代です。　下記のホームページ（Ｗｅｂページ）でＡｖｒｄｕｄｅの使い方を教えていただき、やっと「Ｆｕｓｅ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」と「Ｌｏｃｋ　ｂｉｔ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」の読出し、書き込みをすることができました。

　この場を借りて、これらの情報を公開されている谷川寛氏に感謝申し上げます。　「しなぷすのハード製作記」には他にもいろいろな情報が分かりやすく、具体的に掲載されています。　また、「Ａｒｄｕｉｎｏ電子工作」も２０１６年６月に購入させて頂いておりました。（でも、詳しく読んでいませんでした。。。。。。）　

　これらの情報を元に、いろいろ試行錯誤した内容をまとめて記載します。

　「avrdude.exe」のディレクトリに移動後、「avrdude.exe」を実行すると「config file」を開くことができないとのメッセージが表示されて起動できませんでした。

　「config file」は「avrdude.conf」名で「C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc\」に格納されていました。　「avrdude.conf」ファイルの場所を指定する、もしくは「avrdude.conf」ファイルの格納ディレクトリをカレントディレクトリにすることで起動できました。　一例として下記のディレクトリ構造で試した結果を掲載します。

「avrdude.exe」実行例（「avrdude.conf」ファイルの指定無し）
Microsoft Windows [Version 10.0.19044.1889] (c) Microsoft Corporation. All rights reserved. C:\Windows\SysWOW64>cd C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin>avrdude -c avrisp -P COM11 -b 19200 -p m328p avrdude: can't open config file "": Invalid argument avrdude: error reading system wide configuration file ""

「avrdude.exe」実行例（「avrdude.conf」ファイルの場所を指定、もしくはカレントディレクトリ）
Microsoft Windows [Version 10.0.19044.1889] (c) Microsoft Corporation. All rights reserved. C:\Windows\SysWOW64>cd C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin>avrdude -c avrisp -P COM11 -b 19200 -p m328p avrdude: can't open config file "": Invalid argument avrdude: error reading system wide configuration file "" C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin>avrdude -c avrisp -C ..\etc\avrdude.conf -P COM11 -b 19200 -p m328p avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading \| ################################################## \| 100% 0.02s avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p) avrdude: safemode: Fuses OK (E:FC, H:DA, L:DF) avrdude done. Thank you. C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin>cd C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc>..\bin\avrdude -c avrisp -P COM11 -b 19200 -p m328p avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading \| ################################################## \| 100% 0.03s avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p) avrdude: safemode: Fuses OK (E:FC, H:DA, L:DF) avrdude done. Thank you. C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\etc> tc>

ディレクトリ構造（サンプル）
ファイル／フォルダ名バイト数 ─────────────────────────────────────────────── E:\avr < Folder > ├ avrdude < Folder > │ ├ avrdude.conf 506,993 │ └ avrdude.exe 562,688 ├ avrdude_conf < Folder > │ └ avrdude.conf 506,993 └ avrdude_exe < Folder > 　└ avrdude.exe 562,688 ───────────────────────────────────────────────

「avrdude.exe」実行例（任意ディレクトリの「avrdude.exe」・「avrdude.conf」の場合）
Microsoft Windows [Version 10.0.19044.1889] (c) Microsoft Corporation. All rights reserved. C:\Windows\SysWOW64>e: E:\>cd avr E:\avr>cd \avr\avrdude E:\avr\avrdude>avrdude -c avrisp -P COM11 -b 19200 -p m328p avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading \| ################################################## \| 100% 0.03s avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p) avrdude: safemode: Fuses OK (E:FC, H:DA, L:DF) avrdude done. Thank you. E:\avr\avrdude>cd \avr\avrdude_exe E:\avr\avrdude_exe>avrdude -c avrisp -C ..\avrdude_conf\avrdude.conf -P COM11 -b 19200 -p m328p avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading \| ################################################## \| 100% 0.02s avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p) avrdude: safemode: Fuses OK (E:FC, H:DA, L:DF) avrdude done. Thank you. E:\avr\avrdude_exe>cd \avr\avrdude_conf E:\avr\avrdude_conf>..\avrdude_exe\avrdude -c avrisp -P COM11 -b 19200 -p m328p avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading \| ################################################## \| 100% 0.02s avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p) avrdude: safemode: Fuses OK (E:FC, H:DA, L:DF) avrdude done. Thank you. E:\avr\avrdude_conf>

（３）　「Ｆｕｓｅ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」と「Ｌｏｃｋ　ｂｉｔ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」は「－Ｕ」オプション（-U memtype:op:filename[:format]）で読み書きできます。

　「－Ｕ」オプションは説明書avrdude-doc-6.4.pdfに記載されていますので参照していただければと思います。　下記に「Ｆｕｓｅ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」と「Ｌｏｃｋ　ｂｉｔ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」の読出し例を掲載します。

「avrdude.exe」実行例（任意ディレクトリの「avrdude.exe」・「avrdude.conf」の場合）
E:\avr\avrdude>avrdude -c avrisp -P COM11 -b 19200 -p m328p -U lfuse:r:con:h -U hfuse:r:con:h -U efuse:r:con:h avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading \| ################################################## \| 100% 0.03s avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p) avrdude: reading lfuse memory: Reading \| ################################################## \| 100% 0.02s avrdude: writing output file "con" 0xdf avrdude: reading hfuse memory: Reading \| ################################################## \| 100% 0.02s avrdude: writing output file "con" 0xda avrdude: reading efuse memory: Reading \| ################################################## \| 100% 0.00s avrdude: writing output file "con" 0xfc avrdude: safemode: Fuses OK (E:FC, H:DA, L:DF) avrdude done. Thank you. E:\avr\avrdude>

（４）　Ｔｅａｍｉｎａｌ　Ｍｏｄｅを利用すると操作が少し楽になります。

「avrdude.exe」実行例（任意ディレクトリの「avrdude.exe」・「avrdude.conf」の場合）
E:\>cd \avr\avrdude E:\avr\avrdude>avrdude -c avrisp -P COM11 -b 19200 -p m328p -t avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions Reading \| ################################################## \| 100% 0.03s avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p) avrdude> d efuse >>> d efuse 0000 fc \|. \| avrdude> d hfuse >>> d hfuse 0000 da \|. \| avrdude> d lfuse >>> d lfuse 0000 df \|. \| avrdude> d lock >>> d lock 0000 0f \|. \| avrdude> pgm >>> pgm E:\avr\avrdude>

　以上、一通りブートローダ書き込みを試してみました。　ブートローダの書き込み自体はＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥによるブートローダ書き込みの方が簡単でした。　しかし、「Ｆｕｓｅ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」や「Ｌｏｃｋ　ｂｉｔ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ」の設定や確認が必要であれば、ａｖｒｄｕｄｅの操作が必要となるためＭｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏによるブートローダ書き込みの方がＧＵＩ操作だけで済みます。