マイコンを触るときに課題となるのが「どうやってマイコンにプログラムを書きこむか」です。本記事ではその解のひとつとして、USB接続でデバイスドライバなしに使えるHIDブートローダーを実装したので、紹介します。

本記事はアドベントカレンダー「CH32V203」に参加しています。

ソースコード

作成したHIDブートローダーはこちらにあります。

HIDブートローダーとは

USB-HIDクラスとして動作するブートローダーのことを、通称「HIDブートローダー」と呼びます。USBでのHIDクラスは本来、キーボードやマウス、ゲームパッド、VRコントローラーなど、コンピューターと人間をつなぐデバイスのためのクラスですが、別の特徴として「追加でデバイスドライバをインストールしなくても動く」というのがあります。

マイコンの書き込みのためにデバイスドライバをインストールしたり特別な設定をしなくても書き込めるのは、ときとして重要だったりします。（企業管理のパソコンだったり、一般ユーザーに書き込んでもらう必要があったり……）通信速度は遅いので書き込み時間はかかりますが、その利点はとても貴重です。

構造

HIDクラスではキー入力やマウス入力のほかに、独自定義の通信をすることができます。一度に送れるのは最大64バイト（フルスピードの場合）とかなり少ないですが、とにかく任意のバイナリが送れます。

今回作成したブートローダーには、以下のコマンドを実装しました。

NOP: なにもしない
IDENT: チップの識別子を返す
ERASE: FlashROMの指定領域を消去する
PROGRAM_START: 書き込みデータの転送を開始する
PROGRAM_APPEND: 書き込みデータを転送する
FLUSH: 転送したデータを実際に書き込む
READ: 指定領域を読み込んでバイナリを返す
RESET: マイコンをリセットする
CRC: 指定領域のCRC16を計算する

使い方

GitHubのリリースページからバイナリをマイコンに書き込んでください。

HIDブートローダーは次の場合に起動します。それ以外では、ユーザープログラムにジャンプします。

ユーザープログラムが書き込まれていないとき
リセットボタンを2回連打したとき（0.5秒以内に2回）

Rust製のhiduploadコマンドで、ユーザープログラムを書きこみます。ここで書き込むユーザープログラムは、開始位置が0x00004000としてビルドされているものでなければなりません。（リンカースクリプトの編集が必要です）

hidupload --bin userprogram.bin --address 0x08000000 --offset 0x00004000 --erase --verify

アップロードツールについて

今回はRustで製作しました（ほぼCodexが書いた）。Windows, macOS, Linuxのマルチ対応を見越しての選定です。Pythonでもいいのですが、Arduino IDEに組み込むときの外部ライブラリ(hidapi)の取り扱い方がわからなくて……

ブートローダーのビルド方法

LinuxかWSL2環境で、makeとriscv-none-elf-gccを準備してください。

git clone https://github.com/verylowfreq/...
cd ...
make

hidbootloader.elfかhidbootloader.binをマイコンに書き込んでください。

Arduino IDEへ組み込んだ

アップロードがかんたんになったので、Arduino IDEでさくっと書き込めるといいですね。
わたしがフォークして改造している arudino core for ch32では、このHIDブートローダーにも対応させました。

バージョン 1.0.4+sz9 にて対応しています。

board.txt, platform.txtを書き換え、tools/hidupload.exeを配置しました。細かい改変点はもう覚えてないので、レポジトリの実物をご参照ください。

Arduino IDE内からブートローダー自体を書き込むこともできます。WCH LinkEもしくはWCHISPをセットアップのうえ、ツール→Upload methodと書き込み装置の設定を合わせて、「ブートローダーを書き込む」を実行してください。一度書き込んだら、Upload methodのほうは「HID Bootloader」に切り替えてください。