Arduino Nano V3 のプログラムサイズを最大化する

# はじめに
Arduino Nano V3は、Arduino UNO R3と同じくATmega328pを搭載していながらも、サイズが小さく、何かに組みこむ用途で使いやすいボードです。
https://store.arduino.cc/usa/arduino-nano

初期開発は使い慣れたArduino UNOで行い、最終的にArduino Nanoでコンパクトに仕上げる、としたいところですが、実はUNOとNanoでプログラムの最大サイズが異なります。

Arduino UNO: 32256 バイト
Arduino Nano: 30720 バイト

このため、サイズが大きいプログラムについては、UNOで開発していた時には書き込めたのに、Nanoに変えたら容量不足で書き込めなくなった、という問題が起こります。

この記事では、Arduino Nanoのプログラム最大サイズを拡張して、NanoをコンパクトなArduino UNOとして使えるようにする方法を説明します。

2018年あたりの出荷品から、Nanoの初期出荷仕様が変更となり、bootloaderはoptibootになり、フラッシュ書込み速度が115200bpsに上がってはいますが、2020年2月現在もプログラムの最大サイズは変わっておらずです。
実はArduino開発元に、Nanoのプログラム最大サイズを広げるようボード定義の変更をPullRequestしたのですが「製造の都合上Nanoのプログラム最大サイズは変更できない」とのことで、変更差分を取り込んでもらえませんでした。

ハード的にはUNOと同サイズまで使えるところ、設定によって制限がかかっているのはもったいないので、何とか使えるようにするための方法を紹介します。（試す場合は自己責任でお願いします）

# 準備するもの
## ハードウェア
1. Arduino Nano V3
   (ATmega328pを採用しているもの。初期のATmega168を使っているものは対象外です)
2. ブートローダやFUSEを書き換えるための書込装置。
   (この記事ではUSBaspを使う前提で書きます。ArduinoISP等、その他の機器でも問題ありません）
3. ISP接続ケーブル
   (Nano上にある6pinのISPピンと書込装置を接続するケーブルを用意します)

## ソフトウェア
1. Arduino IDE (1.8.12)
2. テキストエディタ

# 書き換え作業
## ボード定義ファイル(boards.txt)の場所を特定する
macOS版の場合は、
/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/arduino/avr/boards.txt
ただしArduinoIDEをインストールした後にボード定義をバージョンアップしていた場合、
/Users/ユーザ名/Library/Arduino15/packages/arduino/hardware/avr/バージョン/boards.txt

Windows版の場合は、
C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\arduino\avr\boards.txt
ただしArduinoIDEをインストールした後にボード定義をバージョンアップしていた場合、
C:\Users\ユーザ名\AppData\Local\arduino15\packages\arduino\hardware\avr\バージョン\boards.txt

## ボード定義ファイル(boards.txt)を書き換える
テキストエディタで boards.txt を書き換えます。

```plaintext:boards.txt(変更前)
(略)
nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_size=30720
(略)  
nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.high_fuses=0xDA
(略)
```

```plaintext:boards.txt(変更後)
(略)
nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_size=32256
(略)  
nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.high_fuses=0xDE
(略)
```
### 参考
```diff:ArduinoIDE1.8.12付属のboards.txtを変更した差分例
*** boards.txt.orig	2019-12-02 15:51:16.000000000 +0900
--- boards.txt	2020-02-26 21:20:38.000000000 +0900
***************
*** 142,153 ****
  ## --------------------------
  nano.menu.cpu.atmega328=ATmega328P
  
! nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_size=30720
  nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_data_size=2048
  nano.menu.cpu.atmega328.upload.speed=115200
  
  nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.low_fuses=0xFF
! nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.high_fuses=0xDA
  nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.extended_fuses=0xFD
  nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328.hex
  
--- 142,153 ----
  ## --------------------------
  nano.menu.cpu.atmega328=ATmega328P
  
! nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_size=32256
  nano.menu.cpu.atmega328.upload.maximum_data_size=2048
  nano.menu.cpu.atmega328.upload.speed=115200
  
  nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.low_fuses=0xFF
! nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.high_fuses=0xDE
  nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.extended_fuses=0xFD
  nano.menu.cpu.atmega328.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328.hex
```

## Arduino IDE の設定を変更する
Arduino IDE のツールメニューから、ボードの種類と使用する書込装置を選択します。
<img width="432" alt="スクリーンショット 2020-02-26 21.44.34.png" src="https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/69280/868fcc22-24da-c203-153d-05bc2859618b.png">
ボード: Arduino Nano
プロセッサ: ATmega328P (他に二つ選択肢がありますがこれを選んでください)
書込装置: USBasp (使用する書込装置にあったものを選択してください)

## 書込装置とArduino Nanoを接続する
![IMG_3106.JPG](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/69280/916c8a9f-be10-0ae3-264d-56f19db0236c.jpeg)
書込装置とArduino Nanoを接続します。
(写真はUSBaspとArduino Nanoを10pin-6pin変換ケーブル経由でISP端子に繋いでいる様子です)

Arduino Nano のISPピンに○印がついていますが、それが1ピンです。

```plaintext:ArduinoNanoISPピンアサイン
│●
│ 1　2
│ 3　4
│ 5　6
│
```

## ブートローダ(optiboot)とfuse値を書き込む
「ツール」メニューから
　ブートローダを書き込む
を選びます。

```plaintext:実行ログ例(USBaspを使ってmacOSから書き換えた場合)
/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/tools/avr/bin/avrdude -C/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf -v -patmega328p -cusbasp -Pusb -e -Ulock:w:0x3F:m -Uefuse:w:0xFD:m -Uhfuse:w:0xDE:m -Ulfuse:w:0xFF:m 

avrdude: Version 6.3-20190619
         Copyright (c) 2000-2005 Brian Dean, http://www.bdmicro.com/
         Copyright (c) 2007-2014 Joerg Wunsch

         System wide configuration file is "/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf"
         User configuration file is "/Users/odaki/.avrduderc"
         User configuration file does not exist or is not a regular file, skipping

         Using Port                    : usb
         Using Programmer              : usbasp
         AVR Part                      : ATmega328P
         Chip Erase delay              : 9000 us
         PAGEL                         : PD7
         BS2                           : PC2
         RESET disposition             : dedicated
         RETRY pulse                   : SCK
         serial program mode           : yes
         parallel program mode         : yes
         Timeout                       : 200
         StabDelay                     : 100
         CmdexeDelay                   : 25
         SyncLoops                     : 32
         ByteDelay                     : 0
         PollIndex                     : 3
         PollValue                     : 0x53
         Memory Detail                 :

                                  Block Poll               Page                       Polled
           Memory Type Mode Delay Size  Indx Paged  Size   Size #Pages MinW  MaxW   ReadBack
           ----------- ---- ----- ----- ---- ------ ------ ---- ------ ----- ----- ---------
           eeprom        65    20     4    0 no       1024    4      0  3600  3600 0xff 0xff
           flash         65     6   128    0 yes     32768  128    256  4500  4500 0xff 0xff
           lfuse          0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           hfuse          0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           efuse          0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           lock           0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           calibration    0     0     0    0 no          1    0      0     0     0 0x00 0x00
           signature      0     0     0    0 no          3    0      0     0     0 0x00 0x00

         Programmer Type : usbasp
         Description     : USBasp, http://www.fischl.de/usbasp/

avrdude: auto set sck period (because given equals null)
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p)
avrdude: erasing chip
avrdude: auto set sck period (because given equals null)
avrdude: reading input file "0x3F"
avrdude: writing lock (1 bytes):

/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/tools/avr/bin/avrdude -C/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf -v -patmega328p -cusbasp -Pusb -Uflash:w:/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/arduino/avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex:i -Ulock:w:0x0F:m 

avrdude: Version 6.3-20190619
         Copyright (c) 2000-2005 Brian Dean, http://www.bdmicro.com/
         Copyright (c) 2007-2014 Joerg Wunsch

         System wide configuration file is "/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf"
         User configuration file is "/Users/odaki/.avrduderc"
         User configuration file does not exist or is not a regular file, skipping

         Using Port                    : usb
         Using Programmer              : usbasp
         AVR Part                      : ATmega328P
         Chip Erase delay              : 9000 us
         PAGEL                         : PD7
         BS2                           : PC2
         RESET disposition             : dedicated
         RETRY pulse                   : SCK
         serial program mode           : yes
         parallel program mode         : yes
         Timeout                       : 200
         StabDelay                     : 100
         CmdexeDelay                   : 25
         SyncLoops                     : 32
         ByteDelay                     : 0
         PollIndex                     : 3
         PollValue                     : 0x53
         Memory Detail                 :

                                  Block Poll               Page                       Polled
           Memory Type Mode Delay Size  Indx Paged  Size   Size #Pages MinW  MaxW   ReadBack
           ----------- ---- ----- ----- ---- ------ ------ ---- ------ ----- ----- ---------
           eeprom        65    20     4    0 no       1024    4      0  3600  3600 0xff 0xff
           flash         65     6   128    0 yes     32768  128    256  4500  4500 0xff 0xff
           lfuse          0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           hfuse          0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           efuse          0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           lock           0     0     0    0 no          1    0      0  4500  4500 0x00 0x00
           calibration    0     0     0    0 no          1    0      0     0     0 0x00 0x00
           signature      0     0     0    0 no          3    0      0     0     0 0x00 0x00

         Programmer Type : usbasp
         Description     : USBasp, http://www.fischl.de/usbasp/

avrdude: auto set sck period (because given equals null)
Writing | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: 1 bytes of lock written
avrdude: verifying lock memory against 0x3F:
avrdude: load data lock data from input file 0x3F:
avrdude: input file 0x3F contains 1 bytes
avrdude: reading on-chip lock data:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: verifying ...
avrdude: 1 bytes of lock verified
avrdude: reading input file "0xFD"
avrdude: writing efuse (1 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: 1 bytes of efuse written
avrdude: verifying efuse memory against 0xFD:
avrdude: load data efuse data from input file 0xFD:
avrdude: input file 0xFD contains 1 bytes
avrdude: reading on-chip efuse data:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: verifying ...
avrdude: 1 bytes of efuse verified
avrdude: reading input file "0xDE"
avrdude: writing hfuse (1 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: 1 bytes of hfuse written
avrdude: verifying hfuse memory against 0xDE:
avrdude: load data hfuse data from input file 0xDE:
avrdude: input file 0xDE contains 1 bytes
avrdude: reading on-chip hfuse data:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: verifying ...
avrdude: 1 bytes of hfuse verified
avrdude: reading input file "0xFF"
avrdude: writing lfuse (1 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: 1 bytes of lfuse written
avrdude: verifying lfuse memory against 0xFF:
avrdude: load data lfuse data from input file 0xFF:
avrdude: input file 0xFF contains 1 bytes
avrdude: reading on-chip lfuse data:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: verifying ...
avrdude: 1 bytes of lfuse verified

avrdude done.  Thank you.

avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: Device signature = 0x1e950f (probably m328p)
avrdude: NOTE: "flash" memory has been specified, an erase cycle will be performed
         To disable this feature, specify the -D option.
avrdude: erasing chip
avrdude: auto set sck period (because given equals null)
avrdude: reading input file "/Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/arduino/avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex"
avrdude: writing flash (32768 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: 32768 bytes of flash written
avrdude: verifying flash memory against /Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/arduino/avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex:
avrdude: load data flash data from input file /Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/arduino/avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex:
avrdude: input file /Applications/Arduino.app/Contents/Java/hardware/arduino/avr/bootloaders/optiboot/optiboot_atmega328.hex contains 32768 bytes
avrdude: reading on-chip flash data:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: verifying ...
avrdude: 32768 bytes of flash verified
avrdude: reading input file "0x0F"
avrdude: writing lock (1 bytes):

Writing | ################################################## | 100% 0.01s

avrdude: 1 bytes of lock written
avrdude: verifying lock memory against 0x0F:
avrdude: load data lock data from input file 0x0F:
avrdude: input file 0x0F contains 1 bytes
avrdude: reading on-chip lock data:

Reading | ################################################## | 100% 0.00s

avrdude: verifying ...
avrdude: 1 bytes of lock verified

avrdude done.  Thank you.
```

## Arduino NanoとPCの物理接続を変更する
USBaspとNanoを接続しているケーブルをはずし、NanoとPCをUSBケーブルで接続します。
(シリアルポートとして、Nanoと繋がっているポートを選ぶことを忘れずに)

## 最大サイズが増えたことを確認する
「ファイル」メニューから
　スケッチブック例
　　 01.Basics
　　　　Blink
を開いて、
「スケッチ」メニューから
　検証・コンパイル
を実行します。
<img width="1057" alt="スクリーンショット 2020-02-26 21.42.27.png" src="https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/69280/4c637b2c-2352-5639-708a-2d9292899b31.png">
コンパイルが成功し、メッセージが`最大30720バイト`ではなく`最大32256バイト`と表示されていることを確認します。

シリアルポートが適切に選ばれていれば、プログラムの書込みもできるはずです。

目的の(サイズの大きな)プログラムを開いてコンパイルし、Nanoに書込みましょう。

# 最後に
楽しいArduinoライフを！