Den AVR Microcontroller mit GCC programmieren
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Hardware
AuthorImage:[Here we need a little image from you]
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TranslationInfo:[Author + translation history. mailto: or
http://homepage]
original in en Guido
Socher
en to de Hubert Kai�er
AboutTheAuthor:[A small biography about the author]
Guido liebt Linux nicht nur, weil es Spa� macht, die gro�artigen
M�glichkeiten dieses Systems zu entdecken, sondern auch wegen den
Leuten, die an seiner Entwicklung teilhaben.
Abstract:[Here you write a little summary]
Achtung: Es gibt jetzt eine neue Version diese Artikels: November2004/article352.shtml
Der AVR 8-Bit RISC Microcontroller von Atmel ist ein sehr
verbreiteter Microcontroller. Er ist ein einfache integrierte
Halbleiterschaltung mit EEPROM, RAM, A/D-Wandler, einer Menge digitaler Input-
und Outputleitungen, Zeitschaltungen, UART f�r RS232-Daten�bertragung und vielen
weiteren Eigenschaften.
Das Beste ist jedoch, da� es unter Linux eine vollst�ndige
Programmierumgebung gibt: Man kann diesen Microcontroller unter GCC
mit C programmieren. In diesem Artikel werde ich erkl�ren, wie man es
installiert und GCC benutzt. Ich werde ebenfalls erkl�ren, wie man die
Software auf den Microcontoller l�dt. Alles, was man daf�r braucht,
ist ein AT90S4433 Microcontroller, ein 4MHz-Quarz, etwas Kabel und
einige andere sehr billige Teile.
Dieser Artikel wird nur eine Einf�hrung sein. In einem sp�teren
Artikel bauen wir eine LCD-Anzeige mit ein paar Drucktasen, Analog-
und Digitaleingabe, einer Hardwarelaufzeit�berwachung und LEDs.
Der Plan ist, daraus eine Mehrzweckkonsole f�r einen Linuxserver zu
machen, aber zuerst werden wir lernen, wie man die
Programmierumgebung einrichtet. Dar�ber geht dieser Artikel.
ArticleIllustration:[This is the title picture for your
article]
![[Illustration]](../../common/images/article231/illustration.jpg)
ArticleBody:[The article body]
Installation der Software: Was man braucht.
Um die GNU C - Entwicklungsumgebung zu nutzen, braucht man die
folgende Software::
| binutils-2.11.2.tar.bz2 |
Zum Herunterladen bei:
ftp://ftp.informatik.rwth-aachen.de/pub/gnu/binutils/
oder
ftp://gatekeeper.dec.com/pub/GNU/binutils/ |
| gcc-core-3.0.3.tar.gz |
Zum Herunterladen bei:
ftp://ftp.informatik.rwth-aachen.de/pub/gnu/gcc/
oder
ftp://gatekeeper.dec.com/pub/GNU/gcc/ |
| avr-libc-20020106.tar.gz |
Die AVR C-Bibliothek ist vorhanden bei:
http://www.amelek.gda.pl/avr/libc/ Man kann sie auch von
diesem Server herunterladen: Download |
| uisp-20011025.tar.gz |
Die AVR-Programmierschaltung ist vorhanden bei:
http://www.amelek.gda.pl/avr/libc/ Man kann sie auch von
diesem Server herunterladen: Download |
Wir installieren alle Programme nach /usr/local/atmel. Das machen
wir, um das Programm vom normalen Linux-C-Compiler zu trennen.
Erzeugen Sie dieses Verzeichnis mit diesem Befehl:
mkdir /usr/local/atmel
Installation der Software: Die GNU binutils
Das Paket binutils liefert alle Low-Level-Hilfsprogrammme, die man
braucht, um Objektdateien zu erzeugen. Es enth�lt einen
AVR-Assembler (avr-as), einen Linker (avr-ld), Programme f�r die
Bearbeitung von Bibliotheken (avr-ranlib, avr-ar), Programme, um die
Objektdateien zu erzeugen, die auf die EEPROM des Microcontrollers
geladen werden k�nnen (avr-objcopy), Disassembler (avr-objdump) und
Programme wie avr-strip und avr-size.
F�hren Sie folgende Befehle aus, um binutils zu erzeugen und zu
installieren:
bunzip2 -c binutils-2.11.2.tar.bz2 | tar xvf
-
cd binutils-2.11.2
./configure --target=avr --prefix=/usr/local/atmel
make
make install
F�gen Sie die Zeile /usr/local/atmel/lib in die Datei
/etc/ld.so.conf ein und f�hren Sie den Befehl /sbin/ldconfig aus, um
den Linker Cache neu zu erzeugen.
Installation der Sofware: Der gcc f�r den AVR
avr-gcc wird unser C-Compiler sein.
F�hren Sie folgende Befehle aus, um es zu erzeugen und zu
installieren:
tar zxvf gcc-core-3.0.3.tar.gz
cd gcc-core-3.0.3
./configure --target=avr --prefix=/usr/local/atmel
--disable-nls --enable-language=c
make
make install
Installation der Software: Die AVR C-Library
Die C-Library wird noch entwickelt. Die Installation kann sich von
Version zu Version noch ein bisschen �ndern. Ich empfehle, die oben in
der Tabelle gezeigte Version, wenn Sie der Anleitung Schritt f�r Schritt
folgen wollen. Ich habe diese Version getestet und sie
l�uft gut f�r alle Programme, die wir in diesem und den folgenden
Artikeln schreiben werden.
Einige Umgebungsvariablen setzen (Bash-Syntax):
export CC=avr-gcc
export AS=avr-as
export AR=avr-ar
export RANLIB=avr-ranlib
export PATH=/usr/local/atmel/bin:${PATH}
./configure --prefix=/usr/local/atmel --target=avr
--enable-languages=c --host=avr
make
make install
Installation der Software: Programmiersoftware
Die Programmiersoftware l�dt den speziell
vorbereiteten Maschinencode in das EEPROM unseres Microcontrollers.
Die uisp-Programmiersoftware f�r Linux ist sehr gut. Sie kann direkt in
einem Makefile verwendet werden. Man kann einfach eine "make
load"-Regel hinzuf�gen und in einem Schritt die Software kompilieren
und hochladen.
uisp wird wie folgt installiert:
tar zxvf uisp-20011025.tar.gz
cd uisp-20011025/src
make
cp uisp /usr/local/atmel/bin
Ein kleines Testprojekt
Wir fangen mit einer kleinen Testschaltung an. Der Zweck dieser
Schaltung ist nur, unsere Entwicklungsumgebung zu testen. Wir k�nnen
sie benutzen, um zu kompilieren, herunterzuladen und ein einfaches
Programm zu testen. Das Programm wird einfach eine LED blinken
lassen.
Ich schlage vor, ein kleines bedrucktes Schaltungsbrett f�r den
Microcontroller zu machen. Sie k�nnen sp�ter diese Schaltung
f�r Ihre eigenen Experimente verwenden. Es ist eine gute
Idee, ein Steckbrett daf�r zu benutzen. Sie sollten jedoch nicht
versuchen, die AVR mit ihrem 4MHz-Quartz direkt auf das Steckbrett
zu setzen. Es ist besser, einige kurze Dr�hte zu verwenden, um die
Eingabe- und Ausgabeleitungen mit dem Steckbrett zu verbinden, da solche
Steckbretter nicht f�r schnelle digitale Schaltungen gedacht sind.
Der 4MHz-Quarz und die Kondensatoren sollten physisch sehr eng am
Microcontroller sein.
![[circuit diagram]](../../common/images/article231/schematic.gif)
Die Widerst�nde auf dem Anschlu� f�r die Programmierschaltung werden
in unserem Fall eigentlich nicht gebraucht. Sie brauchen sie nur,
wenn Sie vorhaben die Port-B Input-/Outputleitungen f�r andere
Zwecke zu verwenden.
Udo Puetz hat einen Schaltplan gezeichnet, der f�r Anf�nger etwas
leichter zu lesen ist: avr_layout_newbiefriendly.gif.
Ben�tigte Hardware
Sie ben�tigen die Teile der folgenden Tabelle. Davon sind alle sehr
verbreitet und billig. Nur der Microcontroller ist ein bisschen
teurer, ungef�hr 7.50 EUR. Obwohl es ein sehr verbreiteter
Microcontroller ist, kann es sein, da� er nicht in jedem �rtlichen
Elektroladen zu haben ist, aber gr��ere Zwischenh�ndler f�r
elektronisches Zubeh�r (wie
www.reichelt.de (Deutschland), www.conrad.de (Deutschland),
www.selectronic.fr (Frankreich), usw., wahrscheinlich gibt es
entsprechende Seiten in Ihrem Land) haben sie alle im Lager.
![[avr]](../../common/images/article231/avr4433.jpg) |
1 x AT90S4433, Atmel 8bit AVR RISC-Prozessor. |
![[socket]](../../common/images/article231/14pinicsocket.jpg) |
2 x 14-Pin IC-Sockel
oder
1 x 28-Pin 7.5mm IC-Sockel
Den 28-Pin-Sockel bekommt man ein bisschen schwieriger.
�blicherweise sind die 28er-Sockel 14 mm breit, aber wir
brauchen einen 7,5 mm breiten Sockel. |
![[resistor crystal capacitor]](../../common/images/article231/resistor_crystal_capacitor.jpg) |
1 x 10K Widerstand (Farbcode: braun, schwarz, orange)
3 x 470 Ohm Widerstand (Farbcode: gelb, violett, braun)
1 x 1K Widerstand (Farbcode: braun, schwarz, rot)
1 x 220 Ohm Widerstand (Farbcode: rot, rot, braun)
1 x 4MHz-Quarz
2 x 27pF Keramikkondensator |
![[Anschluß]](../../common/images/article231/connector.jpg) |
Irgendeinen 5-Pin-Anschlu�/-Sockel f�r die
Programmierschaltung. Gew�hnlich kaufe ich diese
Steckerleisten und breche 5 davon ab. |
![[Lochrasterplatine]](../../common/images/article231/board.jpg) |
Lochrasterplatine |
![[DB25]](../../common/images/article231/db25male.jpg) |
1 x DB25-Buchse, f�r den Parallelport. |
![[LED]](../../common/images/article231/led.jpg) |
1 x LED |
![[Lochraster]](../../common/images/article231/breadboard.jpg) |
Ein Steckbrett. Wir benutzen es hier nicht, aber es ist sehr
n�tzlich, wenn Sie weitere Experimente mit dem AVR machen wollen.
Ich schlage vor, Sie belassen den Microcontroller zusammen mit
dem Quartz und den Kondensatoren auf der Lochrasterplatine und verbinden die
Input-/Outputleitungen �ber kurze Kabel mit dem Steckbrett. |
Zus�tzlich zu den obigen Teilen brauchen Sie ein 5V, elektronisch
stabilisiertes DC-Netzteil oder Sie k�nnen eine 4,5V Batterie als
Stromversorgung verwenden.
Die Hardware der Programmierschaltung zusammenbauen
Der AT90S4433 erlaubt In Circuit Programming (ICP). ![[AVR Programmierschaltung]](../../common/images/article231/pcable.jpg)
Das hei�t: Sie m�ssen den Microcontroller nicht aus der Schaltung nehmen,
um ihn zu programmieren. Sie werden merken, da� Sie fertige
Programmier-Hardware f�r 50-150 EUR kaufen k�nnen. Sie m�ssen nicht
soviel in eine Programmierschaltung investieren. Mit Linux, der
uisp-Software und einem freien Parallelport k�nnen Sie eine sehr
gute und einfache AVR-Programmierschaltung bauen. Es ist ein
einfaches Kabel. Die Verkabelung der Programmierschaltung mu� wie
folgt sein:
| Pin am AVR |
Pin am Parallelport |
| Reset (1) |
Init (16) |
| MOSI (17) |
D0 (2) |
| MISO (18) |
Busy (11) |
| SCK (19) |
Strobe (1) |
| GND |
GND (18) |
Das Kabel sollte nicht l�nger als 70 cm sein.
Software schreiben
Der AT90S4433 kann mit der Hilfe von gcc einfach in C programmiert
werden. Ein bisschen AVR-Assembler zu k�nnen ist n�tzlich, aber wird
nicht gebraucht. Die AVR-libc hat die avr-libc-reference,
die die meisten Funktionen dokumentiert. Harald Leitner hat ein
Dokument mit vielen n�tzlichen Beispielen geschrieben, wie man den
AVR und GCC verwendet (haraleit.pdf,
286Kb, urspr�nglich von http://www.avrfreaks.net/AVRGCC/).
Von Atmel's Webseite, (www.atmel.com, gehen Sie nach: avr products
-> 8 bit risc-> Datasheets), Sie k�nnen die vollst�ndige
Spezifikation runterladen (lokale Kopie: avr4433.pdf,
2361Kb). Sie beschreibt alle Register und wie man die CPU
nutzt.
Eines, was man im Hinterkopf behalten sollte, wenn man den 4433er
benutzt ist, da� er nur 128 Bytes RAM und 4KB EEPROM hat. Das
bedeutet, da� Sie keine gro�en Datenstrukturen oder Strings
deklarieren d�rfen. Ihr Programm sollte keine tief verschachtelten
Funktionsaufrufe oder Rekursion haben. Eine Zeile wie
char string[90];
ist schon zuviel. Ein Integer hat 16 Bit. Wenn Sie ein Small Integer
brauchen, dann benutzen Sie
unsigned char i; /* 0-255 */
Sie werden dennoch �berrascht sein, was f�r gro�e Programme man
schreiben kann. Es ist ein wirklich m�chtiger Prozessor!
Viel besser als alle Theorie ist ein echtes Beispiel. Wir schreiben
ein Programm, da� unsere LED veranla�t in Intervallen von 0,5 Sekunden
zu blinken. Es ist nicht sehr n�tzlich, aber gut, um anzufangen und
die Entwicklungsumgebung und die Programmierschaltung zu testen.
void main(void)
{
/* enable PD5 as output
*/
sbi(DDRD,PD5);
while (1) {
/*
led on, pin=0 */
cbi(PORTD,PD5);
delay_ms(500);
/*
set output to 5V, LED off */
sbi(PORTD,PD5);
delay_ms(500);
}
}
Der obige Programmierschnipsel zeigt wie einfach es ist, ein Programm
zu schreiben. Sie sehen nur das Hauptprogramm. Die delay_ms-Funktion
ist im vollst�ndigen Listing
(avrledtest.c) enthalten. Um den Pin PD5 als Output zu nutzen,
m�ssen Sie das PD5-Bit im Data Direction Register f�r D-Anschlu�
(DDRD) setzen. Danach k�nnen Sie PD5 mit der Funktion cbi(PORTD,PD5)
(clear bit PD5) auf 0V oder auf 5V mit sbi(PORTD,PD5) (set bit PD5)
setzen. Der Wert von "PD5" ist in io4433.h definiert, das mit io.h
einbezogen ist. Sie m�ssen sich keine Gedanken dar�ber machen. Wenn
Sie bereits Programme f�r Multiuser-/Multitaskingsysteme wie Linux
geschrieben haben, wissen Sie, da� man niemals eine nichtblockierende
Endlosschleife programmieren darf. Dies w�re eine Verschwendung von
CPU-Zeit und w�rde das System sehr verlangsamen. Beim AVR ist dies
anders. Wir haben nicht mehrere Aufgaben und es l�uft kein anderes
Programm. Es gibt nicht einmal ein Betriebssystem. Es ist daher
recht normal, ein Busy Loop f�r immer laufen zu lassen.
Kompilieren und Hochladen
Bevor Sie anfangen, stellen Sie sicher, da� Sie /usr/local/atmel/bin
in der PATH-Variablen haben. Wenn es n�tig ist, dann �ndern Sie Ihre
.bash_profile oder .tcshrc und f�gen folgendes hinzu:
export PATH=/usr/local/atmel/bin:${PATH} (bei
bash)
setenv PATH /usr/local/atmel/bin:${PATH} (bei tcsh)
Wir benutzen den Parallelport und uisp, um den AVR zu programmieren.
Uisp benutzt die ppdev-Schnittstelle des Kernels. Daher m�ssen Sie
folgende Kernelmodule laden:
# /sbin/lsmod
parport_pc
ppdev
parport
�berpr�fen Sie mit dem Befehl /sbin/lsmod, da� Sie geladen sind.
Ansonsten laden Sie sie (als root) mit
modprobe parport
modprobe parport_pc
modprobe ppdev
Es ist eine gute Idee, diese Befehle automatisch w�hrend dem
Hochfahren auszuf�hren. Sie k�nnen Sie zu dem rc-Skript (z.B. bei
Redhat /etc/rc.d/rc.local) hinzuf�gen.
Um die ppdev-Schnittstelle als normaler Benutzer zu nutzen, mu� root
Ihnen Schreibzugriff geben, indem er einmal den Befehl
chmod 666 /dev/parport0
ausf�hrt.
Stellen Sie ebenso sicher, da� kein Drucker-Daemon auf dem
Parallelport l�uft. Wenn einer l�uft, dann stoppen Sie es, bevor Sie
das Kabel der Programmierschaltung anschlie�en. Jetzt ist alles
fertig, um zu kompilieren und unseren Microcontroller zu programmieren.
Das Paket f�r unser Testprogramm (avrledtest-0.1.tar.gz)
beinhaltet ein Makefile. Sie m�ssen nur folgendes tippen:
make
make load
Dies wird die Software kompilieren und hochladen. Ich gehe nicht
tiefer auf alle Befehle ein. Sie k�nnen sie im
Makefile
sehen und sie sind immer gleich. Ich kann mich selber nicht an alle
von ihnen erinnern. Ich wei� nur, da� ich "make load" ausf�hren mu�.
Wenn Sie ein anderes Programm schreiben wollen, dann ersetzen Sie
einfach alle vorkommenden avrledtest im Makefile mit dem Namen
Ihres Programmes.
Einige interessante binutils
Interessanter als die tats�chliche Kompilierung sind einige der
binutils.
avr-objdump -h avrledtest.out
Zeigt die Gr��e der verschiedenen Abschnitte in unserem Programm.
.text ist Befehlscode und l�dt in das Flash EEPROM. .data sind
initialisierte Daten wie
static char str[]="hello";
und .bss sind uninitialisierte globale Daten.
Beide sind in unserem Fall null. .eeprom ist f�r
Variablen, die in eeprom gespeichert sind. Ich hatte daf�r noch nie
Verwendung. stab und stabstr sind Debugging-Informationen und kommen
nicht bis in den AVR.
avrledtest.out: file format elf32-avr
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 0000008c 00000000 00000000 00000094 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
1 .data 00000000 00800060 0000008c 00000120 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
2 .bss 00000000 00800060 0000008c 00000120 2**0
ALLOC
3 .eeprom 00000000 00810000 00810000 00000120 2**0
CONTENTS
4 .stab 00000750 00000000 00000000 00000120 2**2
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
5 .stabstr 000005f4 00000000 00000000 00000870 2**0
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
Sie k�nnen ebensogut den Befehl avr-size ausf�hren, um dies in
einer kompakteren Form zu bekommen:
avr-size avrledtest.out
text data bss dec hex filename
140 0 0 140 8c avrledtest.out
Wenn Sie mit dem AVR arbeiten, m�ssen Sie darauf achten, da�
text+data+bss nicht mehr als 4k ergibt und data+bss+stack (Sie
k�nnen die Gr��e des Stack nicht sehen, es h�ngt davon ab, wieviele
vernestete Funktionsaufrufe Sie haben) darf nicht mehr als 128 Bytes
sein.
Ebenso interessant ist der Befehl
avr-objdump -S avrledtest.out
Er generiert ein Assemblerlisting Ihres Codes.
Fazit
Jetzt wissen Sie genug, um Ihre eigenen Projekte mit der
AVR-Hardware und dem GCC anzufangen. Ebenso wird es weitere Artikel
in LinuxFocus geben, mit komplexerer und interessanterer Hardware.
Quellen