Тулчейн и первая прошивка

Плата урока

Во всех уроках трека — Arduino Uno. На ней стоит ATmega328P, тактируемый частотой 16 МГц (в файле boards.txt ядра Arduino для Uno указано f_cpu=16000000L), а в конце флеш-памяти записан загрузчик Optiboot. Загрузчик занимает 256 слов, то есть 512 байт: поэтому для программы остаётся 32 256 байт из 32 КБ. Размеры загрузочной секции от 256 до 2048 слов перечислены в разделе 27.3 даташита (табл. 27-13).

К цифровому выводу 13 платы подключён светодиод L. В обозначениях микроконтроллера это пятый бит порта B — PB5, и в первой программе мы зажжём его.

Первая программа

#include <avr/io.h>

int main(void)
{
    DDRB |= _BV(DDB5);     /* PB5 (Arduino pin 13) is an output */
    PORTB |= _BV(PORTB5);  /* drive PB5 high: the LED turns on */

    for (;;) {
        /* nothing else to do */
    }
}

Заголовок avr/io.h по ключу -mmcu подключает файл регистров нужного кристалла — для ATmega328P это iom328p.h. В нём определены имена DDRB, PORTB и номера битов DDB5, PORTB5. Макрос _BV(bit) из avr-libc — это просто (1 << (bit)). Что делают регистры DDRB и PORTB, разберём в уроке 2; пока достаточно знать, что первый делает вывод выходом, а второй выставляет на нём единицу.

Функция main никогда не возвращается: у микроконтроллера нет операционной системы, куда можно было бы вернуться, поэтому программа заканчивается бесконечным циклом.

Сборка

avr-gcc -mmcu=atmega328p -DF_CPU=16000000UL -Os -Wall -c main.c -o main.o
avr-gcc -mmcu=atmega328p main.o -o main.elf
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
avr-size main.elf

Компоновщик выдаёт файл ELF с отладочной информацией, а avr-objcopy превращает его в Intel HEX — текстовый формат, который понимает avrdude. Ключ -R .eeprom исключает данные EEPROM: их пишут отдельно. Подробно о форматах — в статье «Файлы прошивки».

Прошивка через загрузчик

Загрузчик Optiboot принимает программу по последовательному порту, а мост USB-UART платы превращает его в виртуальный COM-порт. avrdude работает с ним как с программатором arduino:

avrdude -p m328p -c arduino -P COM3 -b 115200 -U flash:w:main.hex:i

Вместо COM3 подставьте порт платы: в Linux это обычно /dev/ttyACM0. Скорость 115 200 бит/с и протокол arduino взяты из boards.txt ядра Arduino. Перед записью avrdude читает сигнатуру кристалла и сравнивает её с ожидаемой: у ATmega328P это 0x1E 0x95 0x0F (раздел 28.3 даташита). Если сигнатура не совпала, прошивка останавливается — разбор этой ошибки есть в ответе «Invalid device signature». После записи загорится светодиод L.

Прошивка программатором

ISP-программатор (USBasp, AVRISP mkII, Arduino в роли ArduinoISP) подключают к шестиконтактному разъёму ICSP. Он держит вывод RESET на земле и программирует кристалл по SPI — выводами SCK, MOSI и MISO (раздел 28.8 даташита):

avrdude -p m328p -c usbasp -U flash:w:main.hex:i

Учтите две вещи. Во-первых, перед записью флеш-памяти avrdude стирает весь кристалл, и загрузчик Optiboot пропадёт — прошивать по USB снова можно будет только после записи загрузчика. Во-вторых, только программатор умеет менять фьюзы, а неверные фьюзы могут заблокировать кристалл; об этом подробно в уроке 4. Все способы прошивки AVR собраны в статье «Программирование AVR».

Безопасность

Плата питается от USB, но выводы микроконтроллера не защищены. Абсолютный максимум постоянного тока одного вывода — 40 мА, а через выводы питания VCC и GND — 200 мА (раздел 29.1 даташита). Превышение может необратимо повредить кристалл, поэтому светодиоды подключают только через резистор, а вывод никогда не замыкают напрямую на землю или питание, пока он настроен выходом.

Задание

Измените программу так, чтобы светодиод L не горел, но вывод PB5 оставался выходом. Затем посчитайте: сколько процентов флеш-памяти, доступной для программы на Uno, займёт программа размером 176 байт (такой размер, например, может показать avr-size для .text и .data вместе)?

Что дальше

В уроке 2 разберём регистры DDRx, PORTx и PINx и помигаем светодиодом без библиотеки Arduino. Ключи компилятора, Makefile и версии тулчейна — в статье «Тулчейн AVR GCC», все ключи avrdude — в статье «AVRDUDE». Что такое загрузчик и ISP, коротко объясняют термины «Загрузчик» и «ISP», а распиновка и характеристики кристалла — на странице ATmega328P.