ArduinoのBootloaderを修復する

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Arduino を使っているときに、ときどき動作がおかしくなってしまうときがありますよね。自分の作ったスケッチがバグっているなら、スケッチを修正してファームウェアを再度ダウンロードすればいいのですが、まれにブートローダ(Bootloader)がおかしくなってしまう場合があります。純正品ではあまりないと思いますが、格安の互換機でちょっと変則的な使い方をするとときどき発生します。

ブートローダーがやられると、通常のバグとは全く異なる動作をしてしまいなにがなんだかわからない状況に陥ってしまいます。そのような「Arduinoがなんかおかしくなっちゃった!」というかたのために、ブートローダを修復する方法を記載します。「なんかわからんけどそもそも全然動かん!」というかたは目を通して見ていただければなと思います。

内容としては、下記の公式サイト(英語)を ArduinoUNO(の互換機)でやって見ただけ、という感じですので、英語が得意なかたは公式の方を見ていただいた方が早いかもしれません。

Arduino - ArduinoISP
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Arduinoのブートローダ

Arduino のブートローダは電源オン時にユーザーのスケッチをロードする(実行する)以外に、「PCと接続する」「スケッチをROMに書き込む」などの基本的な機能も提供しています。つまり、ブートローダが破損すると「PCとの接続ができない、COMポートから見えない、もしくは接続が不安定になる」「コンパイルしたスケッチをダウンロードしようとしたらエラーが出てしまう」などの症状が発生します。

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ブートローダの修復に必要なもの

ブートローダはROM(EEPROM)に格納されているため、PCからは書き換えできません。例えばArduino用ブートローダ/スケッチライタキットのようなキットを使えば書き換え可能です。

このようなキットは、ブートローダをガチャガチャいじるようなマニアな人は持っているかもしれませんが、標準のブートローダで事足りるかたは普通持っていないかと思います。また、ブートローダ復旧のためにキットを買うのもなんだか躊躇してしまうかもしれません。そこで今回はライタキットでなく、普通のArduinoをライタ代わりに使います(つまりブートローダを書き換えるために、もう1枚正常動作するArduinoを使います)。
Arduinoを2枚持っているかたもあまり多くはないかもしれませんが、値段の安さと、ライタと違って通常使用で予備として使えることを考えれば、ライタよりも普通のArduinoを代用した方がリーズナブルかなと思います。

今回は例として、下記のArduinoUno 互換品を使います。ワンコインで買えちゃうのでお財布に優しいです。もちろん純正でもOKです。

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Arduino をブートローダのライタ(ISP:In-circuit Serial Programmer)として使う

ライタ側のArduinoUNO の準備

まず、ブートローダが正常に動く方、つまりライタ側のArduinoをPCと接続します。そしてArduino IDEを起動して、「ArduinoISP」というスケッチを開きます。下記の図を参照してください。

次に、そのスケッチをArduinoにダウンロードします。通常通りにボタンをポチッとすればOKです。

これでこのArduinoはブートーローダのライタとして動作可能になりました。

ライタ側のArduinoと書き込まれる側のArduinoの接続

まず、念のために両方のArduinoをPCから外しておきます(電源を供給していな状態にしておきます)。そしてライタ側のArduinoと書き込まれる側のArduinoの接続を接続します。

通常ブートローダを書き込む際はICSPコネクタを使います。もちろんこれを使ってもいいのですが、ライタ側のArduinoと書き込まれる側のArduinoが同じ製品ならサクッと各SPIピン同士をつなげてしまう方が楽です、ICSPのピン配置をチェックするめんどうがないので。

今回は例としてライタ側、書き込まれる側ともにArduinoUNOをしています。その場合の配線は下記のようにします。全部で6本です。基本的にライタ側と書き込まれる側とで同じピンを接続しますが、書き込まれる側のリセット(RST)だけは異なるので注意していください。

  •  ライタ側10ピン ー 書き込まれる側RST
  •  ライタ側GND   ー 書き込まれる側GND
  •  ライタ側 5V   ー 書き込まれる側 5V
  •  ライタ側11ピン ー 書き込まれる側11ピン
  •  ライタ側12ピン ー 書き込まれる側12ピン
  •  ライタ側13ピン ー 書き込まれる側13ピン
  • 配線したらこんな感じです(公式サイトより抜粋)。すごく簡単ですね。

    実際の基板を配線するとこんな感じになります。今回は純正品でなく
    純正品でなくEasyWordMall UNO R3開発ボード USBケーブル付属 Arduinoと互換を使っていますが、純正品でも同じです。

    これで配線は完了です。簡単ですね。

    ブートローダの書き込み

    いよいよブートローダの修復です。まず、ライタ側のArduinoUNOをPCと接続します。書き込まれる側はPCとは接続しません。配線にて5Vをつないでいるので電源はライタ側のArduinoから供給されます。

    次に Arduino IDE を起動してメニュー「ツール」から「書込装置」を設定します。「Arduino as ISP」というものを選択してください。似たような名前のものがあるので間違えないように注意してください。「ArduinoISP」ではありません。

    ここまでくればあとは、「ブートローダを書き込む」をポチッとすればOKです。下記の図を参考にして見てください。

    書き込みには数分くらいかかるかもしれません。IDE上に下記のようなログが出るはずです。

    C:\Programs\arduino\hardware\tools\avr/bin/avrdude
    -CC:\Programs\arduino\hardware\tools\avr/etc/avrdude.conf -v
    -patmega328p -cstk500v1 -PCOM3 -b19200 -e -Ulock:w:0x3F:m
    -Uefuse:w:0xFD:m -Uhfuse:w:0xDE:m -Ulfuse:w:0xFF:m
    
    avrdude: Version 6.3, compiled on Jan 17 2017 at 12:00:53
             Copyright (c) 2000-2005 Brian Dean, http://www.bdmicro.com/
             Copyright (c) 2007-2014 Joerg Wunsch
    
             System wide configuration file is
    "C:\Programs\arduino\hardware\tools\avr/etc/avrdude.conf"
    
             Using Port                    : COM3
             Using Programmer              : stk500v1
             Overriding Baud Rate          : 19200
             AVR Part                      : ATmega328P
             Chip Erase delay              : 9000 us
             PAGEL                         : PD7
             BS2                           : PC2
             RESET disposition             : dedicated
             RETRY pulse                   : SCK
             serial program mode           : yes
             parallel program mode         : yes
             Timeout                       : 200
             StabDelay                     : 100
             CmdexeDelay                   : 25
             SyncLoops                     : 32
             ByteDelay                     : 0
             PollIndex                     : 3
             PollValue                     : 0x53
             Memory Detail                 :
    
                                      Block Poll               Page
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               eeprom        65    20     4    0 no       1024    4      0
     3600  3600 0xff 0xff
               flash         65     6   128    0 yes     32768  128    256
     4500  4500 0xff 0xff
               lfuse          0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               hfuse          0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               efuse          0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               lock           0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               calibration    0     0     0    0 no          1    0      0
        0     0 0x00 0x00
               signature      0     0     0    0 no          3    0      0
        0     0 0x00 0x00
    
             Programmer Type : STK500
             Description     : Atmel STK500 Version 1.x firmware
             Hardware Version: 2
             Firmware Version: 1.18
             Topcard         : Unknown
             Vtarget         : 0.0 V
             Varef           : 0.0 V
             Oscillator      : Off
             SCK period      : 0.1 us
    
    avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions
    
    Reading | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p)
    avrdude: erasing chip
    avrdude: reading input file "0x3F"
    avrdude: writing lock (1 bytes):
    
    Writing | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: 1 bytes of lock written
    avrdude: verifying lock memory against 0x3F:
    avrdude: load data lock data from input file 0x3F:
    avrdude: input file 0x3F contains 1 bytes
    avrdude: reading on-chip lock data:
    
    Reading | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: verifying ...
    avrdude: 1 bytes of lock verified
    avrdude: reading input file "0xFD"
    avrdude: writing efuse (1 bytes):
    
    C:\Programs\arduino\hardware\tools\avr/bin/avrdude
    -CC:\Programs\arduino\hardware\tools\avr/etc/avrdude.conf -v
    -patmega328p -cstk500v1 -PCOM3 -b19200
    -Uflash:w:C:\Programs\arduino\hardware\arduino\avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex:i
    -Ulock:w:0x0F:m
    Writing | ################################################## | 100% 0.02s
    
    avrdude: 1 bytes of efuse written
    avrdude: verifying efuse memory against 0xFD:
    avrdude: load data efuse data from input file 0xFD:
    avrdude: input file 0xFD contains 1 bytes
    avrdude: reading on-chip efuse data:
    
    Reading | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: verifying ...
    avrdude: 1 bytes of efuse verified
    avrdude: reading input file "0xDE"
    avrdude: writing hfuse (1 bytes):
    
    Writing | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: 1 bytes of hfuse written
    avrdude: verifying hfuse memory against 0xDE:
    avrdude: load data hfuse data from input file 0xDE:
    avrdude: input file 0xDE contains 1 bytes
    avrdude: reading on-chip hfuse data:
    
    Reading | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: verifying ...
    avrdude: 1 bytes of hfuse verified
    avrdude: reading input file "0xFF"
    avrdude: writing lfuse (1 bytes):
    
    Writing | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: 1 bytes of lfuse written
    avrdude: verifying lfuse memory against 0xFF:
    avrdude: load data lfuse data from input file 0xFF:
    avrdude: input file 0xFF contains 1 bytes
    avrdude: reading on-chip lfuse data:
    
    Reading | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: verifying ...
    avrdude: 1 bytes of lfuse verified
    
    avrdude done.  Thank you.
    
    
    avrdude: Version 6.3, compiled on Jan 17 2017 at 12:00:53
             Copyright (c) 2000-2005 Brian Dean, http://www.bdmicro.com/
             Copyright (c) 2007-2014 Joerg Wunsch
    
             System wide configuration file is
    "C:\Programs\arduino\hardware\tools\avr/etc/avrdude.conf"
    
             Using Port                    : COM3
             Using Programmer              : stk500v1
             Overriding Baud Rate          : 19200
             AVR Part                      : ATmega328P
             Chip Erase delay              : 9000 us
             PAGEL                         : PD7
             BS2                           : PC2
             RESET disposition             : dedicated
             RETRY pulse                   : SCK
             serial program mode           : yes
             parallel program mode         : yes
             Timeout                       : 200
             StabDelay                     : 100
             CmdexeDelay                   : 25
             SyncLoops                     : 32
             ByteDelay                     : 0
             PollIndex                     : 3
             PollValue                     : 0x53
             Memory Detail                 :
    
                                      Block Poll               Page
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     3600  3600 0xff 0xff
               flash         65     6   128    0 yes     32768  128    256
     4500  4500 0xff 0xff
               lfuse          0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               hfuse          0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               efuse          0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               lock           0     0     0    0 no          1    0      0
     4500  4500 0x00 0x00
               calibration    0     0     0    0 no          1    0      0
        0     0 0x00 0x00
               signature      0     0     0    0 no          3    0      0
        0     0 0x00 0x00
    
             Programmer Type : STK500
             Description     : Atmel STK500 Version 1.x firmware
             Hardware Version: 2
             Firmware Version: 1.18
             Topcard         : Unknown
             Vtarget         : 0.0 V
             Varef           : 0.0 V
             Oscillator      : Off
             SCK period      : 0.1 us
    
    avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions
    
    Reading | ################################################## | 100% 0.02s
    
    avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p)
    avrdude: NOTE: "flash" memory has been specified, an erase cycle will
    be performed
             To disable this feature, specify the -D option.
    avrdude: erasing chip
    avrdude: reading input file
    "C:\Programs\arduino\hardware\arduino\avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex"
    avrdude: writing flash (32768 bytes):
    
    Writing | ################################################## | 100% 0.00s
    
    avrdude: 32768 bytes of flash written
    avrdude: verifying flash memory against
    C:\Programs\arduino\hardware\arduino\avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex:
    avrdude: load data flash data from input file
    C:\Programs\arduino\hardware\arduino\avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex:
    avrdude: input file
    C:\Programs\arduino\hardware\arduino\avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex
    contains 32768 bytes
    avrdude: reading on-chip flash data:
    
    Reading | ################################################## | 100% -0.00s
    
    avrdude: verifying ...
    avrdude: 32768 bytes of flash verified
    avrdude: reading input file "0x0F"
    avrdude: writing lock (1 bytes):
    
    Writing | ################################################## | 100% 0.03s
    
    avrdude: 1 bytes of lock written
    avrdude: verifying lock memory against 0x0F:
    avrdude: load data lock data from input file 0x0F:
    avrdude: input file 0x0F contains 1 bytes
    avrdude: reading on-chip lock data:
    
    Reading | ################################################## | 100% 0.01s
    
    avrdude: verifying ...
    avrdude: 1 bytes of lock verified
    
    avrdude done.  Thank you.

    なにやら最後にベリファイしてサンキューて書いてあるので、大丈夫そうですね。
    これでブートローダの書き込みは完了です。お疲れ様でした。不具合の原因がブートローダだったなら、これで解決するはずです!

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    まとめ

    ArduinoUNO(の互換機)を例に、ブートローダの修復方法を説明しました。基本的に公式サイト通りにやれば問題ありません。基板さえあればブートローダの修復は簡単なので、ハードウェアのチェックをする前にダメ元で試してみるのもありかなと思います。ブートローダライタキットを買うよりも安いですしね。

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