Explorando a arquitetura do ATmega328_ identificando a configuração geral e os fuses

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Explorando a arquitetura do ATmega328: identificando a
configuração geral e os fuses
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Com 2 programas simples é possível ler a configuração geral de vários
microcontroladores da família Arduino, e interpretar os fuses e seus
significados.
Depois de algum tempo de experiência com as placas de desenvolvimento Arduino, comecei a
sentir a demanda por programar diretamente os microcontroladores nos quais as mais populares
delas são baseadas: os ATmega328 e seus primos.
Essa demanda continua conectada ao meu interesse em conhecer melhor esse universo, e
provavelmente terá continuidade me levando a querer conhecer outras arquiteturas de
microcontroladores. Mas não tenho pressa de chegar a eles ;-)
Após montar um primeiro exemplo de Arduino em protoboard e ver como é relativamente simples
programar o ATmega328 por esse modo (é basicamente a mesma coisa que eu fiz para programar o
ATTiny85, guardadas as peculiaridades), notei que precisava retroceder um passo, e primeiro
investigar melhor a arquitetura.
Fiz isso lendo alguns trechos selecionados da datasheet, e por meio de 2 programas que identificam
e descrevem os detalhes da arquitetura.
O que vem a seguir é um relato inicial do que eu aprendi e realizei. Ele será seguido por vários
outros artigos falando de peculiaridades como o bootloader, o ICSP header, o upload de programas
(via SPI e via UART), a montagem do ATmega328 sem componentes externos de suporte, outros
chips da família AVR, e mais.
IDENTIFICANDO A CONFIGURAÇÃO DO
MICROCONTROLADOR
A primeira experiência é com o detector de placas, um sketch desenvolvido pelo Nick Gammon
que usa conhecimentos específicos sobre a arquitetura dos microcontroladores, e especialmente
sobre as configurações dos vários modelos de Arduinos, para identificá-los e descrevê-los.
Esse sketch roda em um Arduino Uno e identifica a configuração de
outros microcontroladores conectados a ele por meia dúzia de jumpers.
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O sketch roda num Uno e controla remotamente via SPI (veremos mais detalhes nos próximos
artigos) outros microcontroladores "pelados", colocando esses dispositivos em modo de
programação para obter deles as informações de configuração (sem alterá-los).
A versão que eu usei identifica uma variedade de ATtinys, ATmegas e seus primos com suporte
USB, e reconhece 36 variedades de bootloaders que podem estar instalados neles – não apenas os
que são típicos dos Arduinos, mas também os de modelos especiais, como os Sanguinos,
Ruggeduinos, variações especiais do Leonardo, etc.
Não foi necessária nenhuma alteração no software: bastou fazer o download dos 3 arquivos-fonte
(board-detector.ino, md5.c e md5.h), abri-los como abas de um mesmo projeto na IDE do Arduino
(veja a imagem acima), compilar e transferir para um Arduino Uno.
Quanto à montagem física, é bem simples e, não por coincidência (já que ambas são aplicações de
SPI), lembra a montagem que descrevi no artigo sobre programar o ATtiny85 com Arduino.
A minha experiência inicial foi com o ATmega328 da foto acima, no qual colei uma etiqueta com a
referência dos pinos com a numeração usada no Arduino, e é a ele que recorrerei para descrever a
montagem.
O mapa de pinagem acima pode ajudar quem está conhecendo esse universo, pois indica em
marrom o número dos pinos na convenção do Arduino, e na numeração do próprio corpo do chip
a contagem física dos pinos.
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Na tabela a seguir, indico quais pinos do Arduino Uno estão conectados a quais pinos do
ATmega328 usando a convenção de numeração do Arduino (e colocando entre parênteses o
número do pino na contagem direta):
Pino no Arduino Pino no ATmega
9 XTAL1 (9)
10 RST (1)
11 (MOSI) 11 (17)
12 (MISO) 12 (18)
13 (SCK) 13 (19)
5V VCC (7) e AVCC (20)
GND GND (8 e 22)
Temos também alguns outros componentes recomendados pelo autor do programa, todos
conectados ao ATmega que será identificado:
Capacitores pequenos (eu usei de 22µF, poderia ser bem menos – o autor usa 0,1µF): estão
ali para reduzir o ruído eletromagnético. Um de cada lado do ATmega328, cada um com um
terminal no VCC e outro no GND.
Resistor de 10KΩ entre o pino RST (1) e o terra: pull-up para evitar resets indevidos.
Um led com resistor entre o RST (1) e o terra: está ali no ATmega para debug e
visualização. Ele pisca brevemente no momento da execução do programa no Uno.
Detalhe: o sketch funcionou perfeitamente em todos os testes nos quais deixei de incluir os
componentes acima, também.
As conexões que envolvem os pinos 11, 12 e 13 (respectivamente MOSI, MISO e SCK) são as
responsáveis pela comunicação entre o Arduino e o ATmega da protoboard, usando o protocolo
SPI. Se o microcontrolador que você for ler não é um ATmega328, verifique na datasheet dele
quais os pinos correspondentes ao MOSI, MISO e SCK, e adapte a ele o lado direito da tabela
acima (o lado esquerdo permanece inalterado). Veremos mais detalhes sobre o significado desses
pinos em um próximo artigo.
Já a conexão com o pino RST (1) do ATmega é a responsável por resetá-lo para colocá-lo no
modo de programação necessário para obter os dados, e a conexão ao pino XTAL1 (9) do ATmega
é uma curiosidade interessante: por ela, o sketch rodando no Arduino Uno fornece um sinal de
clock para o ATmega, para o caso de este estar configurado para funcionar com clock externo. É
possível que a frequência de clock segura oferecida pelo sketch não seja a esperada pelo ATmega,
mas ele vai funcionar mesmo assim.
Feita essa configuração física, basta transferir para o Arduino Uno o programa mencionado acima,
abrir o Monitor Serial, configurá-lo para a velocidade de 115200, e pressionar o botão de reset do
Uno. Se todas as conexões tiverem sido feitas corretamente, vão aparecer no Monitor Serial as
configurações do ATmega, assim:
Destaquei em amarelo na imagem acima o bloco que contém as informações que mais me
interessavam:
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Linhas 1 e 2: A assinatura de 3 bytes informada pelo dispositivo, e o nome de dispositivo
correspondente (no caso, o modelo do meu ATmega).
Linhas 4 a 6: As configurações dos fuses do dispositivo. Os fuses contêm uma série de
definições cruciais (como a opção entre usar clock interno ou um cristal externo, por
exemplo), descritas detalhadamente na datasheet do microcontrolador. Veremos mais
detalhes sobre eles a seguir.
Linha 9: Confirma se o ATmega está configurado para usar um bootloader ou não. Note que
após um dump do bootloader, o programa também identificou o nome dele – no caso, o
optiboot_atmega328, comum nos Arduinos. A função básica do bootloader nos Arduinos é
verificar, logo após um reset, se a IDE está tentando enviar um novo programa a ele
(geralmente pela porta USB), e recebê-lo.
ENTENDENDO OS FUSES
No caso do ATmega328, os fuses são listados no capítulo 28.2 da datasheet, e detalhados ao longo
de todo o texto dela.
Entre outros recursos, os fuses do ATmega328 definem:
Se há bootloader,e o seu tamanho
Se há proteção contra queda de tensão (brown-out), e seu limite
Se é permitido o reset externo
Se é permitida a programação via SPI
Se o watchdog timer deve ficar permanentemente ligado
A origem e comportamento do clock
e mais.
Quando se usa a IDE do Arduino para instalar um bootloader (veremos mais sobre esse assunto
em um artigo posterior), ela também configura junto os fuses, de acordo com a definição que
consta nas configurações de cada plataforma de hardware suportada.
O ATmega328 tem 3 bytes de fuse, chamados de alto (HF), baixo (LF) e extended (EF). Você pode
ver a menção ao valor de todos eles na tela do Monitor Serial que eu reproduzi alguns parágrafos
acima, e poderia analisá-los bit a bit, com a ajuda da datasheet, para saber como interpretá-los.
Mas não é necessário tanto esforço: o mesmo autor do programa que produziu a tela acima
também criou um calculador de fuses, ou seja, um sketch para interpretar os fuses de um ATmega,
com as mesmas conexões físicas usadas no programa acima.
No meu caso, foi só fazer o download e compilar no Uno, abrindo o Monitor Serial configurado
para 115.200 como descrito acima, para ver a tela a seguir:
Apesar do nome do programa, ele não se restringe à família ATmega. Veja a seguir o resultado da
leitura dos fuses de um ATtiny85 que estava aqui na bancada:
Atmega fuse calculator. 
Written by Nick Gammon. 
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4/05/2015
Este artigo foi publicado em 4/05/2015 por Augusto Campos.
Entered programming mode OK. 
Signature = 0x1E 0x93 0x0B 
Processor = ATtiny85 
Flash memory size = 8192 
LFuse = 0xE2 
HFuse = 0xDF 
EFuse = 0xFF 
Lock byte = 0xFF 
Clock calibration = 0xA6 
Self Programming Enable................. [ ] 
External Reset Disable.................. [ ] 
Debug Wire Enable....................... [ ] 
Enable Serial (ICSP) Programming........ [X] 
Watchdog Timer Always On................ [ ] 
Preserve EEPROM through chip erase...... [ ] 
Divide clock by 8....................... [ ] 
Clock output............................ [ ] 
Start-up time: SUT0: [X] SUT1: [ ] (see datasheet) 
Clock source: calibrated internal oscillator. 
Brownout detection at: disabled.
Compare as duas listagens acima, e você notará que os fuses mencionados para o ATmega não são
mesmos mostrados para o ATtiny: cada família e modelo tem os seus próprios, cuja referência e
significado você pode encontrar nas respectivas datasheets – e alguns deles serão identificados em
artigos posteriores.
Com essas informações à disposição, não apenas tive o incentivo para buscar conhecer melhor os
detalhes da arquitetura dos microcontroladores usados em boa parte dos Arduinos, mas também
passei a ter à mão um recurso de verificação de configuração útil para o debug de futuros projetos
baseados neles.