在面包板上DIY自己的Arduino：Arduino Bootloader探秘

一、什么是Bootloader？

大家都知道，Arduino的本质就是“ATmega单片机最小系统板+USB转串口芯片”。所有单片机的应用开发中，均涉及到将编译好的程序上传（烧录）到单片机的程序存储器（一种ROM）中的过程。当前主流的单片机都支持ISP（In System Programing，在系统编程），即无需将单片机芯片从电路板（系统）上取下，即可对其上传（烧录）程序，其基本原理主要是通过串行通信端口或SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）端口来将程序从电脑传输到单片机的。为了在通用的通信接口上实现这种专用目的的数据传输，需要在单片机的ROM中事先烧录一段代码，这段代码在每次加电时自动运行，主要用于检测来自电脑端的程序传输信号，如果检测到特定信号，则启动程序上传（烧录）过程，否则就转去执行常规程序。这段代码就叫做Bootloader。
总之，Bootloader本质上与单片机程序存储器里存储的常规程序并无二致，可以将其理解为一种专用功能的程序，因而Bootloader本身也是可以向上传（烧录）程序一样进行修改的。
Arduino为配合IDE实现一键上传（烧录）程序，为各型号的Arduino板定制了专用的Bootloader，IDE会根据工具-处理器和工具-开发板中的设置配合特定型号Arduino板的Bootloader来进行程序上传（烧录）。如果上述菜单中的设置与目标Arduino板中的Bootloader不匹配，则会出现长时间停留在上传中……最后提示上传失败的情况。一个具体的例子可参见：Arduino IDE的安装、测试与相关设置。

二、如何让Arduino变身编程器（烧录器）

由于Arduino所采用的单片机支持SPI通信协议以及通过该协议上传（烧录）程序，因而Arduino本身通过编程即可变身基于SPI协议的编程器。
操作过程非常简单，打开文件-示例-11.ArduinoISP，将其上传到Arduino板，此时的Arduino板就成为了一个编程器。使用这个编程器，通过Arduino板上的6针ICSP（ in-circuit serial programming）接口（各型号Arduino板均提供的基于SPI协议的编程接口），就可以对目标Arduino板进行更新Bootloader和上传（烧录）程序的操作了。

三、用NANO更新NANO Bootloader

NANO编程器用作编程器

1. 如图连接两个NANO；
2. 将作为编程器的NANO（左）用USB线连接到电脑；
3. 在工具-开发板中选择目标板的型号，此处为Arduino NANO；
4. 在工具-处理器中选择ATmega328P，这就是2018年1月后新官方NANO的Bootloader；
5. 在工具-端口中选择作为编程器的NANO所连接的端口（作为目标的NANO无需接USB线，由作为编程器的NANO为其供电）；
6. 在工具-编程器中选择Arduino as ISP；
7. 单击工具-烧录引导程序，将Bootloader烧录至目标NANO。

如果使用UNO作为目标板或编程器，操作过程与连接方式完全同上。可参考文后参考资料。

四、将NANO用作编程器（烧录器）

利用上面的连接方式，除了向目标板烧录Bootloader外，也可以向目标板烧录用户编写的程序，这一点佐证了Bootloader与用户程序没有本质区别。具体操作过程是：

1. 如上图连接两个NANO；
2. 将作为编程器的NANO（左）用USB线连接到电脑；
3. 在工具-开发板中选择目标板的型号，此处为Arduino NANO；
4. 在工具-处理器中选择ATmega328P，这就是2018年1月后新官方NANO的Bootloader，若没有更新，则需要选择ATmega328P (Old Bootloader)，总之3、4两项要与目标板相匹配；
5. 在工具-端口中选择作为编程器的NANO所连接的端口（作为目标的NANO无需接USB线，由作为编程器的NANO为其供电）；
6. 在工具-编程器中选择Arduino as ISP；
7. **使用项目-使用编程器上传菜单项启动“编译+上传”的过程，这一步须注意，不能使用工具栏中的右向箭头（上传）图标。

五、在面包板上搭建自己的Arduino

通过上述原理可知，对于一个ATmega328P的最小系统，只要烧录进相应Arduino型号的Bootloader，即可将其“变成”一个Arduino板，即能够使用Arduino IDE为之编写并上传程序。
因此，我们可以参照Arduino NANO或UNO的电路图搭建ATmega328P的最小系统，然后利用另外一块作为编程器的NANO为之烧录Bootloader，烧录完成之后，即可利用第四节介绍的方法，在Arduino IDE中向其上传我们编写的程序了。

DIYduino电路图

ATmega328P最小系统的参考电路图如上图所示。所需原件如下：

1. 晶振 16MHz 1个
2. 瓷片电容 22pF 2个
3. 瓷片电容 100nF 2个
4. 电解电容 47uF 1个
5. 电阻 10K 1个
6. 电阻 1M 1个
7. 集成电路 ATmega328PU（DIP28封装） 1个

ATmega328P引脚与作为编程器的NANO或UNO端口连接的对应关系如下：

ATmega328P引脚序号	Arduino GPIO序号
1	D10
17	D11
18	D12
19	D13

需要注意的是：这个DIYduino可以通过作为编程器的NANO下载程序，但是无法像标准Arduino那样直接与电脑进行串口通信， 因为这里上传程序使用的是SPI通信方式而非串口通信方式，若要使用串口与电脑通信，仍需外接USB到串口（TTL）的转接器。

参考资料：

Arduino - ArduinoISP https://www.arduino.cc/en/tutorial/arduinoISP