Bootloader, no ambiente dos microcontroladores, é um programa residente em parte específica da memória que permite ao chip se “auto programar”, seja recebendo o programa via serial ou USB, não irei entrar no mérito aqui dos mais raros via WiFi ou rede Ethernet.

O Arduino foi o grande precursor tanto de placa de prototipagem rápida como de uso de um bootloader, quando foi lançado o comum era usarmos um Programador/Gravador dedicado pra gravação dos chips, incluindo os Atmel usados no Arduino.

E também uso de um software de gravação separado da IDE onde se editava o código durante o desenvolvimento. Com a baixa de preços e consequente popularização dos Debugers dedicados isso começou a mudar um pouco:

Figura 1 – Pickit da Microchip conectado a uma placa de desenvolvimento

 

Figura 2 – Atmel ICE Debuger / Programador

Mas voltando ao nosso Bootloader, e mais especificamente do Arduino que usa o microcontrolador Atmega328 de 32Kbytes de memória de programa organizados em 16K x 16bits. Esses dados da memória são especialmente importantes pois

  1. O Bootloader ocupa um espaço na memória, ficando sempre lá “residente”
  2. Por motivos óbvios, ele fica alocado sempre no começo ou no final da memória

Então daí extraímos algumas coisas como:

  1. quanto maior o Bootloader (mais espaço ocupa) pior será, ocupando mais memória que não pode ser utilizada para o programa
  2. outra coisa é que, na prática, o compilador gera o programa por padrão, sempre começando do endereço 0x00, e nesse começo da memória também temos os chamados Vetores de Interrupção, então se o bootloader for alocado nesse começo teremos que realocar de alguma maneira esses pontos.

Sabendo desses fatos podemos entender da melhor maneira que o bootloader pode ser aplicado, no caso do projeto Arduino foi escolhido o OptiBoot que une várias qualidades, como ser de código fonte aberto/ uso livre, ocupa um mínimo de espaço que no Atmega328 é de 512bytes somente e também fica alocado no endereço final da memória, sendo assim compatível com os AVRs (que reservam esse espaço pro Bootloader) e é o menos intrusivo possível dentro dessa arquitetura de microcontroladores.

-Esquema de Memória/ endereçamento do Bootloader

Na figura 3, podemos ver a organização de memória e o espaço no final que a Atmel reserva para o Bootloader (mas que também pode ser utilizada pelo programa se disponível).

Mas e como funciona isso ?

O processo de funcionamento é relativamente simples:

  1. Ao ser resetado o microcontrolador “desvia” o endereço normal que programa iniciaria (0x00) para o início do programa de Bootloader no caso do OptiBoot no Atmega328, esse endereço é o 0x3DFF, que é:  0x3FFF – 0x3DFF = 512bytes
  2. Nesse ponto sob controle do programa de bootloader, esse espera alguns momentos por um ‘caracter de início’ vindo pela serial, caso não receba até o tempo estipulado ele aborta e retorna ao endereço logo
  3. Recebendo o ‘caracter de início’, que é a variável STK_READ_SIGN cujo valor é definido em 0x75, o OptiBoot envia o Device Signature pro software que dá início ao processo de auto gravação: Recebe o endereço, dado a ser gravado e grava na memória seguindo um protocolo específico.Figura 4- Fluxograma do OptiBoot

Alguns detalhes bem importantes:

  • Para que ao resetar ocorra o desvio para o (endereço do) Bootloader é necessário que isso seja habilitado o Boot fuse bit BootRST
  • O tamanho pré definido pro Bootloader (Boot Size), e consequentemente o endereço para o qual ocorrerá esse salto, é também gravado nos fuse bits BootSZ1 e BootSZ0.

Ambas configurações acima se encontram no “High Fuse” do Atmega328, que devem ser configurados no software gravador inicial que irá fazer a 1a gravação do chip com o próprio Bootloader.

 

Referências:

Github do OptiBoot: https://github.com/Optiboot/optiboot

Instruções do Atmega: http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/atmel-0856-avr-instruction-set-manual.pdf

Datasheet do Atmega328: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf


 

 

 

 

 

 

Written by Marcelo Campos

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