ATmega32u4 (1)

ATmega32u4開発ボード

ATmega32u4を5V 16MHzで使う開発ボードをしては、 Arduino Leonardo、 Arduino micro、 SparkFun Pro Micro、 RobotDyn Micro ATmega32U4-MU、 Teensy 2.0などやそのコンパチ品が通販サイト(例えば、 banggood、 aliexpress、 ebay )で出回っています。私はTeensy 2.0のコンパチ品を入手しました。

AVRへのプログラム導入

ATmega32u4へのプログラム導入アプローチは、 ATmega328Pへのプログラム導入アプローチより選択肢が多く混乱しがちなので、以前書いた英語のメモ( Serial AVRや USB AVR )をベースに、日本語で以下に比較しながら状況を確認と整理をします。

Serial AVR

Serial AVR (ATmega328P等) では、チップにプログラムを導入するのに主に２つのアプローチがあります:

ISP:
- ホストPC上でavrdudeをISPモードで走らせ、AVR ISP mkII等のプログラマー経由でSPIポートに接続しATmega328Pを、ハードウエアーだけを用いチップを書き換えます。
Serial:
- ホストPC上でavrdudeをArduinoモードで走らせ、D0/D1ピンに TTLレベルのRS-232C接続経由で、チップの上位アドレスに置かれた　ブートローダーソフトの助けを受け、チップを書き換えます。
- 開発ボード上に、FT-232R や CH340 等のUSB-Serial変換チップが載っている場合、ホストPCから外見的にはUSB接続に見えます。
- 昔のAtmel STK500 や、昔のArduinoにはブートローダー(4KB)が導入済みです。 Firmwareを探すときにこれらの古いのを踏まないように要注意です。
- 最近のArduino系の開発ボードでは、サイズを小さくしたブートローダーのOptiboot(512B)が導入済みです。(一押し！)

USB AVR

USB AVR (ATmega32u4等) では、チップにプログラムを導入するのに主に4つのアプローチがあります:

ISP:
- ATmega328Pと全く同じ流れで、ハードウエアーだけを用いチップを書き換えます。
USB CDC:
- ATmega328PでのUSB-Serial変換チップ経由でのSerialアプローチと全く同じ流れで、ブートローダーソフトの助けを受けて書き換えます。
- 最近のArduino系の開発ボードでは、ブートローダーソフトの Caterina(4KB, LUFAのCDCのブートローダーソースと同等品)が導入済みです。
- SparkFun社はリセット挙動を改良した Caterinaブートローダーを公開しています。(一押し！)
USB HID:
- USB接続のHID(キーボード・マウス等)デバイスとして認識されるブートローダーソフトの助けを受けてチップを書き換えます。
- ホストPC上でteensy_loader_cli(GPL)、もしくはそのUSBデバイス IDを書き換えたLUFAのhid_bootloader_cliを走らせ、USB接続チップを書き換えます。
- Teensy の純正品ではプロプライエタリーの小さなブートローダー (512B)が導入済みです。バイナリーにはロックがかかっていて他の基板では使えませんし、コンパチボードには入ってもいません。
- LUFAのHIDのブートローダーソースはコンパイルすると4KB のブートローダーが作成可能です。
- LUFAのHIDのブートローダーとコンパチで、サイズを小さくしたブートローダーnanoBoot はGPL3で、コンパイルすると512Bのブートローダーが作成可能です。 (一押し！)
- HIDデバイスはドライバー導入がWINDOWS環境で不要でシステムへの導入が楽だというメリットがあると聞きます。 (Linux環境ではあんまり関係無いです。)
USB DFU:
- USBデバイスのファームウエアー更新専用プロトコルのDFUを用い USB接続でチップを書き換えます。
- 伝統的には、Linux系ホストPC上ではdfu-programmerを走らせ、 Windows系ホストPC上ではFLIPを走らせます。最近のavrdude はこのモードの書き換えをサポートしているようです。
- Microchip/Atmelsから裸チップ出荷時には、どうもAtmelのDFU ブートローダー(4KBちょい越え)( Datasheet Firmware )が導入済み(?)です。
- LUFAのDFUのブートローダーソースはコンパイルすると4KB のブートローダーが作成可能です。

AVRのプログラム環境

AVRのプログラム環境としては、いわゆるArduino環境がよく使われます。ここでは深入りしませんが、Arduino環境はSTLを使わないC++言語環境で独自のArduinoライブラリーを使うことで、ハードウエアーの細かな相違をライブラリーの影に隠し、アプリケーションのプログラムを機能だけを規定してできるようにさせてくれるプログラム環境です。だから、 Serial AVRとUSB AVRの違いはもとより、ARM系のMCUまでほぼ同じコードでカバーでき、USBデバイスの使用も簡単です。Arduino環境のGUI部分は本質的ではなく、arduino-mk( Debian パッケージ、 githubサイト )を使えば普通のエディターでソースが書けコマンドラインから各種処理ができます。この様にArduino環境は非常に便利なプログラム環境なんですが、今私がしたいこととずれてます。

今の私のAVRのプログラム環境としては、PUREなC言語環境が良いです。具体的には、avr-gcc をGNU拡張機能したC99環境で、avr-libcとともに使うのが、コンパクトで分かりやすく勝手が良い気がします。これならハードウエアーに何をさせるのかを、PUREなC言語しか慣れていない初心者の私にでも直截的に理解できます。

ATmega328Pをターゲットをしたavrmon を書いた際にはまさにこれで充分でした。実際には、最も複雑なホストPCとの通信がシリアル通信で、それが、UARTポートの状態を繰り返し読み確認する POLLING操作と、UARTポートへの直接書き込み・読み出し操作だけで簡単に実現できたというのも、このアプローチがとれた背景ではあります。

まあ、現行プログラムの機能アップを狙い、シリアル通信を割り込み処理にして、リングバッファー使用するようにしようとしても、比較的簡単にPUREなC言語で実現できます。

ただ、avrmonのターゲットに ATmega32u4も加えようとしたら、USB関連の複雑な処理をどうするのかで迷いました。

進むべき方向を探す参考にとPUREなC言語で書かれた、カスタムキーボードファームウエアーのQMK Firmware を見てみると、USB関連の複雑な処理に LUFA を利用しています。LUFAは、USB AVRの各種ブートローダーソースや、アプリケーションのファームウエアーをPUREなC言語環境で書く際に使える USBデバイス関連のライブラリーや、さらに多くの例示アプリケーションソースとてんこ盛りです。素晴らしい内容ですが、大きすぎて食傷ぎみなので、まずは将来の課題としておきます。

比較的コンパクトなATmega32u4を対象としたPUREなC言語でのプログラム関連情報を探し他の参考情報源を調べました。

MICROCHIP(旧ATMEL)の ATmega32U4のDocuments の中にも埋もれていたり、その次の世代のチップのソフトに関する AVR USB Series6 Software Packages サイトにまとめて出ている、以下の情報が特に気になります
- AN_7619 - AVR272: USB CDC Demonstration: UART to USB Bridge, on megaAVR with USB
- AN_7675 - AVR276: USB Software Library for megaAVR with USB Microcontrollers
PJRCのTeensy USB Development Board の中の「Code Library」埋もれているArduino系のTeensyduinoに開発環境を移行する前のPUREなC言語環境のコード群(現在はobsolete扱い) は参考になります。フリーなMITライセンスもキチッと表示されているので使い安いです。
- USB: Debug Messages Only
  - USB Debug Only, Version 1.1, source zip
- USB: Virtual Serial Port
  - USB Serial, Version 1.7, source zip 割り込み処理は使っているがコンパクト。
- USB: Keyboard
- …
- ホスト側PCのThe HID Listen Program のソースコードも気になる。
MEAM.Design : HomePage (サーバーは有名大学の"UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA" の所謂工学部"SCHOOL OF ENGINEERING AND APPLIED SCIENCE"所属) にある、 The MAEVARM (M1 & M2) Projectや The Teensy 2.0 の中の ATmega32u4 : USB Communications にあったAtmelのAVR CDCデモコードに関するコメントが気になった。どうも、AtmelのAVR CDCデモコードは、小さいながらOSのスケジューラーのようなものを含む複雑な構成で使いにくいと言っているようです。確かに AtmelのAVRデモコードにはいずれもscheduler.cというファイル等があります。簡単なUSBドライバーのソースとしてコンパクトな以下が挙げられてました。（ライセンス表記無し。)これは、よく見ると実質は旧teensyと同じコードに、一部の出力ヘルパー関数を足しただけです。
- m_usb.c
- m_usb.h

以上の観察から、avrmonの拡張は、まずは、旧teensyのデモコードをベースにするのが良さそうです。ただ、最近の開発環境に合わせてアップデートされていないので一部「const」の追加等のタッチアップが必要です。 ArduinoのFAQ を参考にしてください。

ただ、将来はLUFA を利用すべきでしょう。その時はLUFA自体や AVR USB Devices and Programming 等を参考にします。

USB AVRのシリーズ

末尾の数字がデバイスの世代、その前の数桁の数字がフラッシュのKBサイズ

世代

シリーズ 2: AT90USB162,AT90USB82, ATmega32U2, ATmega16U2, ATmega8U2 (メモリー・IOピン最小)
シリーズ 4: ATmega32U4, ATmega16U4
シリーズ 6: AT90USB1286, AT90USB646, ATmega32U6 (メモリー・IOピン増強)
シリーズ 7: AT90USB1287, AT90USB647 (USBが機能制限付きホスト側にもなる、OTG対応)

サイズ

              Flash  page     SRAM   コメント
AT90USB82       8KB  128B   0.5 KB   PS/2とUSBの兼用端子
AT90USB162     16KB  128B   0.5 KB   PS/2とUSBの兼用端子
ATmega16u4     16KB  128B   1.25KB   Arduino Uno (USB変換部分)
ATmega32u4     32KB  128B   2.5 KB   Leonaldo, micro, teensy2.0、すべてHWB端子を接地
AT90USB646     64KB  256B   4   KB
AT90USB1286   128KB  256B   8   KB   teensy2.0++

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Date: 2020/03/28 (initial publish), 2021/12/05 (last update)

Source: jp/note-00019.md

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