C-Programmierung mit AVR-GCC/ Einführungsbeispiel

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Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten Toolchain) demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert (Datenblatt), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen main.c abgespeichert wird.

  • In der mit (1) markierten Zeile wird eine so genannte Header-Datei eingebunden. In io.h sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden.
  • Bei (2) beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion main.
  • Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Richtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit (3) DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B zu Ausgängen.
  • (4) stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential).
  • (5) ist die so genannte Hauptschleife (main-loop). Dies ist eine Programmschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält. In diesem Beispiel ist sie leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert (außer das Strom verbraucht wird). Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife wäre der Zustand des Controllers nach dem Programmende undefiniert.
  • (6) wäre das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: int main(void) besagt, dass die Funktion einen Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.
/* 
 * File: main.c
 */

/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern 
   und Stern-Schrägstrich sind lediglich Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h>          // (1)

int main (void) {            // (2)

   DDRB  = 0xff;             // (3)
   PORTB = 0x03;             // (4)

   while(1) {                // (5a)
     /* "leere" Schleife*/;  // (5b)
   }                         // (5c)

   /* wird nie erreicht */
   return 0;                 // (6)
}

Um diesen Quellcode in ein auf dem Controller lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite Beispiel Makefile und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen Makefile (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei main.c mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im folgenden Abschnitt Exkurs: Makefiles.

D:\tmp\gcc_tut\quickstart>dir

 Verzeichnis von D:\tmp\gcc_tut\quickstart

28.11.2006  22:53    <DIR>          .
28.11.2006  22:53    <DIR>          ..
28.11.2006  20:06               118 main.c
28.11.2006  20:03            16.810 Makefile
               2 Datei(en)         16.928 Bytes

Nun gibt man make all ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei main.hex, in der der Code für den AVR enthalten ist.

D:\tmp\gcc_tut\quickstart>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.


Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
 -Wa,-adhlns=obj/main.lst  -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o  -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref    -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex

[...]

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming (ISP) erfolgen, das im AVR-Tutorial: Equipment beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms AVRDUDE vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit make program die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann (z. B. Ponyprog, yapp, AVRStudio), kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine LED leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.