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AVR-GCC, AVR-LIBC and avrdude toolkit for Arduino IDE

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askn37/multix-zinnia-sdk-megaAVR

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MultiX Zinnia Product SDK [megaAVR]

このソフトウェア開発キットは、主に新世代のAVRファミリ （Microchipブランド統合以降で発表されたもの） について、Arduino IDEでの開発を支援するために構成されている。 AVR-GCC/AVR-LIBC を用いて書かれた C/C++/アセンブラ プログラムを avrdude を用いて対象MCUにアップロードするまでの作業フローを提供する。

概要

  • Arduino互換APIは提供されない。
    • ごく限られた互換性は配慮されており Blinkスケッチ（標準Lチカ）はそのままビルドできる。
    • 原則として割込や計数器/計時器周辺機能を専有せず、利用者が自由に使える。
      • 協調的マルチタスク 支援ライブラリは RTC周辺機能を必要とする。
        （任意選択：明示的インクルードで有効化）
  • AVRDUDE 8.0 同梱。（0.3.0以降）
  • 超低消費電力超低速駆動対応。
    • 32768Hzの超低消費電力動作を支援。（reduceAVR以外）
  • 安価なプログラムライタ（書込器）の利用を想定。
    • 高度なデバッグトレース機能は提供されない。シリアルコンソールだけが使える想定。
  • makeコマンドによる高度なビルド進行は提供されない。
    • Arduino IDE自体が makeコマンドに対応していない。
    • Arduino IDEによる自動ビルド進行は提供される。
    • 大規模開発には不向き。
    • むしろMakefileを書かなくて良いから割り切れて簡単。
    • 単機能テスト、スクラッチビルド、先行検証、各種実験に好適。
  • 改良されたブートローダーの提供。（reduceAVR以外）
    • スケッチプログラムと同時に EEPROM 領域を定数初期化/アップロード可能。
    • フラッシュメモリ領域の自己消去/書換機能を支援。
      • 余っている領域を大容量不揮発メモリストレージとして活用可能。
  • 新規構築・再構築が簡単。
    • セットアップは数分で済む。公式IDEのように何GBも大量ダウンロードすることはない。
    • セミナー講習等での一斉大量導入に向く。

対応AVRアーキテクチャ

現在この SDK は複数の異なる対象アーキテクチャ向けにリポジトリを分けて提供される。

  • MultiX Zinnia Product SDK [megaAVR] <--
    • （Atmelブランド世代）
    • megaAVR-0系統
      • ATmega808/1608/3208/4808
      • ATmega809/1609/3209/4809
    • tinyAVR-0 系統
      • ATtiny202/402/204/404/804/1604/406/806/1606/807/1607
    • tinyAVR-1 系統
      • ATtiny212/412/214/414/814/1614/416/816/1616/417/817/1617
      • ATtiny416auto
    • tinyAVR-2 系統
      • ATtiny424/824/1624/3224/426/826/1626/3226/427/827/1627/3227
  • MultiX Zinnia Product SDK [modernAVR]
    • AVR_DA/DB/DD/DU/EA/EB 系統。（Microchipブランド世代）
  • MultiX Zinnia Product SDK [reduceAVR]
    • 旧世代AVRのうち TPI方式に対応した系統。（Atmelブランド世代）

この分割は NVM書換プロトコルおよび/すなわちブートローダーの相互共有性による。
共通基盤の AVR-GCC/AVR-LIBC toolchain は既知の AVR 8bit 系全種に対応している。

対応するホストOS

  • Windows (32bit/64bit)
  • macOS (64bit)
  • Linux (主にintel系64bit)

対応する主なプログラムライタ

完成品として販売されている製品以外の、工場出荷状態ではブートローダーが書き込まれていないため何らかの書込器準備は必要。

  • UPDI4AVR-USB -- このSDKでもメンテナンスされている。PICKit4互換相当。
    • 廉価な "AVR64DU32 CURIOSITY NANO" を UPDI/TPI/PDI 対応書込器に仕立てるソフトウェア。
    • CMSIS-DAP/EDBGプロトコルによる、JTAG3UPDI/TPI/PDI 対応。
    • 高速CDC/VCPシリアル通信機能付。
    • UPDI/TPI の HV書込 対応可。（要外部回路）
  • UPDI4AVR -- このSDKでもメンテナンスされている。USBシリアル接続。JTAG2UPDI上位互換。
    • HV書込 とUSB-USARTパススルーに対応可。（要外部回路）
    • ゼロからこれを自作する場合は 卵と鶏 の関係になるため注意。
  • SerialUPDI -- 一般のUSB-UARTと簡易な回路による高速書込環境。
    • 準備にはいくらかの部品調達と配線が必要だが難易度は低い。HV書込は望めない。
    • 対象MCUの UART通信とは回路が排他で外部切替が必要。（自動切替は要外付制御回路）
  • PICkit4 -- 公式のプログラム書込装置兼 デバッグトレース 装置。
    • 使用開始前に MPLAB X によるFWアップデートが要求される。購入状態での対応範囲不明。
    • フルスペックの公式開発環境が別途必須なのでエンドユーザーのPC環境によっては難がある。
      Arduino IDEの動作スペックより数倍大きなディスク空容量やハードウェア性能とIDE操作習熟が必要。
  • JTAG2UPDI(Clone)
    • Arduino UNO やその派生バリアント製品を無改造で UPDI対応プログラムライターに転換するファームウェア。
    • リンク先の "Clone" バリアントは、AVR_DA/DB/DDと、AVR_DU/EA/EB に暫定対応する。（UPDI4AVR からのバックポート）
  • プログラムライタ内蔵完成市販品 -- これらはブートローダー書込不要。（あるいは対応不可）
    • Arduino UNO Wifi Rev.2 -- ATmega4809 + mEDBG
    • Arduino Nano Every -- ATmega4809 + JTAG2UPDI準拠（EEPROM書込非対応）
    • Atmel Xpalined Mini Series の一部 -- tinyAVR + mEDBG
    • Microchip Curiosity Nano Series の一部 -- ATmega4809 + nEDBG

導入方法

  • Arduino IDE の「環境設定」「追加のボードマネージャーのURL」に以下のリンクを追加
  • 「ボードマネージャー」ダイアログパネルを開き、検索欄に "multix" と入力
  • 目的のアーキテクチャを選択して「インストール」
    megaAVR modernAVR reduceAVR

Developer Preview

ボード選択メニュー

SDK種別と対象ブートローダー使用の有無をここで選ぶ。

  • MultiX Zinnia Product SDK [megaAVR] <--
    • megaAVR-0 with Bootloader
    • tinyAVR-0/1/2 with Bootloader
    • tinyAVR-0/1 8pin with Bootloader
    • (separator) 以下ブートローダーなし
    • megaAVR-0 w/o Bootloader
    • tinyAVR-0/1/2 w/o Bootloader
  • MultiX Zinnia Product SDK [modernAVR]
  • MultiX Zinnia Product SDK [reduceAVR]

ボード選択サブメニュー

Arduino IDE でこのSDKを選択すると、 サブメニューでは以下のオプションが選択可能となる；

FUSE設定の変更は 書換器使用時に反映。ブートローダー書込時は変更不能。

  • Variant -- 具体的な製品型番を選択。（必須）
    • 外囲器ピン数＋型番＋フラッシュメモリ量＋SRAM量別になっている。
    • 例えば Arduino UNO Wifi Rev.2 と Arduino Nano Every なら --> 48pin ATmega4809 (48KiB+16KiB)
  • Clock -- 主装置動作基準周波数選択（F_CPUマクロ初期値） -- 既定値は定格内最高速度
    • F_CPUマクロを参照しないプログラムでは効果なし
    • 20MHz系列と16Mhz系列は FUSE書込依存で排他選択
    • 高周波内蔵発振器による 20MHz/10MHz/5MHz -- 20MHz系列用
    • 高周波内蔵発振器による 16MHz/8MHz/4MHz/1MHz -- 16MHz系列用
    • 高周波内蔵発振器による 2MHz -- FUSE設定非依存
    • 超低消費電力発振器による 32.768kHz (OSC-ULP) -- FUSE設定非依存
  • BOD Mode -- Brown Out Detect（FUSE設定）
    • BOD Disabled -- 無効 -- 既定値
    • BOD Enabled -- 有効
    • BOD Sampled -- 各個別データシート参照のこと
    • BOD Enabled hold wakeup -- 各個別データシート参照のこと
  • BOD Level -- BOD監視電圧レベル（FUSE設定）
    • 1.8V -- 既定値
    • 2.6V
    • 4.3V
  • FUSE PF6 -- megaAVR のリセット端子用途変更（FUSE設定）
    • PF6 pin=Reset -- 既定値
    • PF6 pin=GPIO -- 各個別データシート参照のこと
  • FUSE UPDI -- tinyAVRの UPDIピン用途変更（FUSE設定）
    • 原則、既定値からの変更禁止（復元にはHV対応書換器が必須）
    • 各個別データシート参照のこと
  • EEPROM -- EEPROM保護フラグ（FUSE設定）
    • Save guard "Retained" -- チップ消去時保護
    • Save guard "Erase" -- チップ消去時一括初期化
    • Upload ".eep" file -- ブートローダー/書込器でのEEPROMファイル書換有効
  • USERROW -- USERROWの扱い
    • Save guard "Retained" -- 何もしない
    • Upload ".urow" file -- ブートローダー/書込器でのUSEROWファイル書換有効
  • FUSE define -- FUSE全体の扱い：書込器モードのみ
    • Specify in the MENU -- メニュー設定に従う
    • Upload ".fuse" file (DANGER) -- FUSEファイルでの書換有効：危険な操作
  • Build Option -- DEBUGマクロ有無（任意選択）
    • Build Release -- 既定値（NDEBUG設定）
    • Build DEBUG=1
    • Build DEBUG=2
  • Build API -- API拡張（任意選択）
    • Macro API Enable -- 既定値
    • Macro API Enable without startup -- 割込テーブルとLIBC初期設定スタートアップ無効
    • Macro API Disable -- 無効
      • Arduino互換APIの導入は要外部支援（本SDKサポート外）
    • Standard Library All Disable
      • フルアセンブラ記述/純粋C言語環境（LIBC無効）
  • Build "printf" -- LIBC printf拡張（任意選択）
    • default -- 浮動小数点フォーマット出力不可
    • Float Support -- 浮動小数点フォーマット出力対応
  • Console and LED -- （任意選択：w/o Bootloader 選択時に表示）
    • 選択肢は系統選択に依存
  • Console -- コンソール既定速度（CONSOLE_BAUDマクロ初期値）任意選択
    • CONSOLE_BAUDマクロを参照しないスケッチプログラムには効果なし
    • 9600 bps -- 標準
    • 38400 bps
    • 57600 bps
    • 115200 bps
    • 230400 bps
    • 1000000 bps
    • 2400 bps -- OSC-LUP対応
  • Bootloader -- ブートローダー選択
    • 選択肢は系統選択に依存
    • w/o Bootloader 選択時は変更不可
  • シリアルポート選択
    • 環境依存
  • 書込装置選択
    • UPDI4AVR-USB
    • SerialUPDI over UART -- avrdude 7.2 を使用
    • PICkit4 over USB (UPDI) -- ファームウェア更新が必要
    • Curiosity Nano (nEDBG: ATSAMD21E18)
    • Xplained Pro (eDBG: AT32UC3A4256)
    • Xplained Mini/Nano (mEDBG: ATmega32u4)
    • Atmel-ICE over USB (UPDI)
    • JTAG2UPDI over UART)
    • dryrun (Emulates programming without a programmer) -- 実際には何もしないダミーの書込器で、各種設定の論理的妥当性を検証するのに使用する

FUSE UPDI -> UPDI (default) 選択以外に書換えた場合の復元は HV対応書込器が必須。
FUSE EEPROM -> "Erase" and "Replace" 選択は、対応するブートローダーか書込器使用時のみ可。
Build API -> Standard Library All Disable 選択は、一切の既定コンパイル前提を除去する。

プログラム書込

ブートローダーでのスケッチ書込 Ctrl+U ⌘+U

ボードメニューでブートローダー有を選んだ場合はこのモードが標準。 書込器は不要。MCUの UART経由でスケッチを書き込む。 FUSEを書き換えることは出来ない。 Arduino IDE のシリアルコンソールを閉じる必要はない。

以下のサブメニュー設定は必須；

  • Bootloader
  • シリアルポート選択

EEPROM対応ブートローダーを使用しているならば以下の選択も可能。

  • EEPROM -> Upload ".eep" file
  • USERROW -> Upload ".urow" file

tinyAVR/megaAVR系統では Clock 選択と現在の真のFUSE設定が一致していないと UARTが正しく動作しない。 FUSE現在値が不明な場合は 2MHz を選択するとよい。

書込器でのブートローダー付スケッチ書込 Ctrl+Shift+U ⌘+Shift+U

ボードメニューでブートローダー有を選んでおり、かつ書込器も併用している場合に有効。 FUSEも同時に更新される。 Arduino IDE のシリアルコンソールを閉じる必要はない。 スケッチとブートローダー導入を一括で行える。

以下のサブメニュー設定が必須；

  • Bootloader
  • シリアルポート選択（over UART 書込器の場合）
  • 書込装置選択
  • すべてのFUSE関連

EEPROM対応書込器を使用しているなら以下も選択可能。

  • EEPROM -> Upload ".eep" file
  • USERROW -> Upload ".urow" file

tinyAVR/megaAVR系統では任意の Clock 選択が有効となる。

書込器でのブートローダー無スケッチ書込 Ctrl+U ⌘+U

ボードメニューでブートローダー無を選んだ場合はこのモード。 FUSEも同時に更新される。 Arduino IDE のシリアルコンソールを閉じる必要はない。

以下のサブメニュー設定が必須；

  • シリアルポート選択（over UART 書込器の場合）
  • 書込装置選択
  • すべてのFUSE関連

EEPROM対応書込器を使用しているなら以下も選択可能。（Arduino Nano Everyは不可）

  • EEPROM -> Upload ".eep" file
  • USERROW -> Upload ".urow" file
  • FUSE define -> Upload ".fuse" file (DANGER)

tinyAVR/megaAVR系統では任意の Clock 選択が有効となる。

書込器でのブートローダー単独書込

IDEメニューで選択

ボードメニューでブートローダー有を選んでおり、かつ書込器も併用している場合に有効。 FUSEも同時に更新される。 Arduino IDE のシリアルコンソールは 閉じていなければならない。 ブートローダー無の設定でこれを行うとチップ消去が為される。

以下のサブメニュー設定が必須；

  • Bootloader
  • シリアルポート選択（over UART 書込器の場合）
  • 書込装置選択
  • すべてのFUSE関連

tinyAVR / megaAVR系統では任意の Clock 選択が有効となる。 FUSE変更以後は 20MHz / 16MHz 各系統内の選択のみが FUSE変更なしで可能となる。

ビルド出力確認 Ctrl+Alt+S ⌘+Alt+S

（書込み可能な場合の）スケッチフォルダに、 スケッチがビルドされた HEX ファイル、 ブートローダーも一体に結合された HEX ファイル、 逆アセンブルコードリスト、 EEPROM 初期化用 HEX ファイル USERROW 初期化用 HEX ファイル FUSE 初期化用 HEX ファイル（スケッチ内で設定内容を記述した場合） が出力される。

スケッチがビルドエラーになる場合は何も出力されない。
スケッチが SDKサンプル直接の場合は（パスが書込禁止なので）出力されない。

ブートローダー

STK500 version 1 プロトコルに基づく Arduino互換ブートローダーを同梱している。 代表的な UART と LED の組み合わせについてはビルド済のバイナリが用意されている。

ブートローダーバイナリのリビルドは、makeコマンド（OS依存）が別途用意できれば本 SDKのみで行える。
0.2.9から独自のコードに変更された。

tinyAVR系統のブートローダー運用

tinyAVR系統は一部を除き、UPDI端子とRESET端子が排他利用であるため、（RESET起動式の）ブートローダーの運用は一般原則として 推奨されない。

UPDI端子の機能を無効化せずに（RESET起動式の）ブートローダーを運用するには、UPDI4AVR のような外部RESET支援／ブートローダー運用支援機能を持つハードウェアが必要になる。

その他注意事項

以下に上げる完成販売品は本来、それぞれ既定の開発環境がありこの SDK が本来対応すべき範疇のものではないが、搭載された MCU は対応範囲内なので以下のようにすれば使用可能である。

Arduino Nano Every

この製品には他の製品のような Atmel/Microchip書込装置ではなく、独自のオンボード専用書込器が使われている。

この製品使用時のメニュー選択は次のように しなければならない；

  • ボードメニュー -> MultiX Zinnia SDK [megaAVR] --> megaAVR-0 w/o Boootloader 必須
  • Variant -> 48pin ATmega4809 (48KiB+6KiB) 必須
  • FUSE EEPROM -> "Erase" and "Replace" 以外
  • Console and LED -> UART3 TX:PB4 RX:PB5 LED=PE2 (ATmega4809 Nano Every) 必須

書込装置選択 の選択は不要。専用書込装置設定が自動設定される。（Console and LED選択と連動）
この製品は avrdude 7.2 の時点では EEPROM をオンボード書換器で書き換えることが出来ない。 このためそれに対応するスケッチを記述して直接メモリ領域を操作しなければならない。 この制約は avrdude 7.3 で解消される予定。

Arduino UNO WiFi Rev.2

この製品使用時のメニュー選択は次のようにしなければならない；

  • ボードメニュー -> MultiX Zinnia SDK [megaAVR] --> megaAVR-0 w/o Boootloader 必須
  • Variant -> 48pin ATmega4809 (48KiB+6KiB) 必須
  • Console and LED -> UART3 TX:PB4 RX:PB5 LED=PD6 (ATmega4809 UNO WiFi) 必須
  • 書込装置選択 -> Xplained Mini/Nano (mEDBG: ATmega32u4) 必須

その他の同種製品も同様に、適切なオプションの手動選択が必要。

更新履歴

  • 0.3.0 (24/11/06)

    • AVRDUDEを8.0-arduino.1に更新。
    • toolchainを7.3.0-avr8-gnu-toolchain-241029に更新。

  • 0.2.14 (24/06/27)

    • 各ファイルの MITライセンスリンク対応
    • libraries から、TPI4AVR, UPDI4AVR submodule を除去（非標準化）
    • EEPROM(.eep)、USERROW(.urow)、FUSE(.fuse) ファイルメニューを追加

  • 0.2.13 (24/05/12)

    • 7.3.0-avr8-gnu-toolchain-240510に更新。

  • 0.2.12 (24/04/29)

    • boot_axを 3.72 に更新

  • 0.2.11 (24/04/13)

    • tinyAVR-0/1 の <peripheral.h> 定義ミスを修正

  • 0.2.10 (24/01/11)

    • 7.3.0-avr8-gnu-toolchain-231214に更新。
      • 動作確認済に ATtiny1627, ATtiny416 を追加。
    • Core Modules の <api/UarfUART.h>を微修正。AVR_EVSYS=201修正。
    • Core Libraries の修正／追加と応用記述の追加。
      • <ReadUART.h>
      • <UrowNVM.h>
      • <FlashNVM.h>（BOOTROW 対応を追加）
    • Bootloader を FWV=3.71 に更新。

  • 0.2.9 (23/12/11)

    • megaVAR/modernAVRについて、同梱ブートローダー全体を独自のArduino上位互換動作コードに変更。（Optiboot由来ソースコードを除去）
    • 同、CRCSCAN機能用CRC16/32検査値付与。
    • <api/btools.h>にcrc16_ccitt_false関数を追加。

  • 0.2.8 (23/11/24)

    • 7.3.0-avr8-gnu-toolchain-231113に更新。

  • 0.2.7 (23/10/18)

    • dryrunを書込器選択に追加。
    • avrdude.conf参照ルールの変更。
      • arduino/UPDI4VAR/TPI4AVR/dryrunを書込器に指定した場合のみ、ローカルの特別な設定ファイルを参照する。それ以外は規定の（tools/avrdude/etc内の）avrdude.confを参照する。
      • この変更により、AVR_EA系統のようにまだ他の書込器で未対応／未検証のパーツ設定が分離された。

  • 0.2.6 (23/10/16)

    • 7.2-arduino.1に更新。
    • 7.3.0-avr8-gnu-toolchain-231004に更新。
      • Atmel.ATautomotive_DFP.2.0.214.atpack (2022-03-03)追加。ATtiny416auto対応。

  • 0.2.5 (23/10/09)

    • avrdude.conf.updi 記述を avrdude 7.1 準拠に改正

  • 0.2.4 (23/09/09)

    • 7.3.0-avr8-gnu-toolchain-230831に更新。
      • Atmel.ATmega_DFP.2.1.506 (2023-08-14)対応。
    • programmers.txtを改正。
      • SerialUPDIの-xrtsdtr=Highオプションを有効化。

  • 0.2.3 (23/07/09)

    • 7.3.0-avr8-gnu-toolchain-230628に更新。

  • 0.2.2 (23/05/23)

    • 7.1-arduino.1に更新。

  • 0.2.1 (23/05/08)

    • 7.3.0-avr8-gnu-toolchain-230418に更新。
    • 添付 avrdude.conf でのUPDI4AVR規定速度を460800に制限。
      • 古いCH3xx用ドライバにて速度上限があるため。（現行最新では改善されている）

  • 0.2.0 (23/04/08)

    • modernAVRでAVR_EA対応。これに伴うMicroAPIの修正反映。

許諾

各構成要素はそれぞれ異なる配布ライセンスに属する。条件はそれぞれの規約に従う。

  • BSD License
    • avr-libc
  • GNU General Public License v2.0
    • avr-gcc
    • avrdude
  • MIT License
    • other original document and code

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Twitter: @askn37
BlueSky Social: @multix.jp
GitHub: https://github.com/askn37/
Product: https://askn37.github.io/

Copyright (c) askn (K.Sato) multix.jp
Released under the MIT license
https://opensource.org/licenses/mit-license.php
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