Toolchain en simulator

Op je laptop compileer je een programma voor je laptop. Firmware voor een microcontroller compileer je óók op je laptop, maar voor een heel andere processor. Dat heet cross-compileren. In deze les zet je de keten van gereedschappen (de toolchain) op, bouw je je eerste firmware en draai je hem in een simulator.

De toolchain

Op Debian/Ubuntu: sudo apt install gcc-avr avr-libc binutils-avr avrdude simavr. In de lab-container staat alles al klaar.

Eerste build

main.c:

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void) {
    DDRB |= (1 << DDB5);          /* PB5 (Arduino D13) als uitgang */
    for (;;) {
        PORTB ^= (1 << PORTB5);   /* LED omdraaien */
        _delay_ms(500);
    }
}

Wat de registers precies doen, leer je in les 4 en 5. Nu gaat het om het bouwen:

avr-gcc -mmcu=atmega328p -DF_CPU=16000000UL -Os -Wall -Wextra -std=gnu11 -o blink.elf main.c
avr-size --mcu=atmega328p -C blink.elf
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom blink.elf blink.hex

avr-size toont iets als:

Program:     176 bytes (0.5% Full)
(.text + .data + .bootloader)

Data:          0 bytes (0.0% Full)
(.data + .bss + .noinit)

Program is flash, Data is SRAM vóór de stack. Houd deze getallen in de gaten; in les 15 duiken we erin.

Wat gebeurt er vóór main?

Op een pc regelt het besturingssysteem het laden van je programma. Op een microcontroller doet een stukje opstartcode (startup code, uit avr-libc) dat, direct na een reset:

1. de stackpointer op het einde van het SRAM zetten;
2. de beginwaarden van geïnitialiseerde globale variabelen (.data) van flash naar SRAM kopiëren;
3. niet-geïnitialiseerde globale variabelen (.bss) op nul zetten;
4. main() aanroepen.

Het linkerscript vertelt de linker waar alles komt: code en constanten in flash vanaf adres 0, variabelen in SRAM vanaf 0x100. Bij avr-gcc kiest -mmcu het juiste linkerscript automatisch; op ARM-chips schrijf of kopieer je hem vaak zelf. Je hoeft hem nu niet te kunnen schrijven, wel te weten dat hij bestaat.

main eindigt bij embedded nooit: er is geen besturingssysteem om naar terug te keren. Vandaar de oneindige for (;;).

Draaien in de simulator

simavr -m atmega328p -f 16000000 blink.elf

simavr voert je firmware instructie voor instructie uit. Om te zien wat de pinnen doen, laat je simavr een VCD-trace (value change dump) schrijven en open je die in GTKWave. In de lab-container zit een wrapper die dat voor je doet:

beetje sim blink.elf --trace PB5 --tijd 3s

t=0.000 s  PB5=1
t=0.500 s  PB5=0
t=1.000 s  PB5=1

Een handige browser-simulator voor thuis is Wokwi: je ziet daar een virtuele Uno met LED's en knoppen.

Flashen naar een echt bordje

Heb je een Arduino Uno, dan flash je via de bootloader die er al op staat:

avrdude -p atmega328p -c arduino -P /dev/ttyACM0 -b 115200 -U flash:w:blink.hex:i

-c arduino kiest het protocol van de Arduino-bootloader, -P de seriële poort (op Windows bijvoorbeeld COM3). Na het flashen start je firmware automatisch.

Een Makefile

Na les 13 van de C & C++-cursus weet je hoe je dit vastlegt:

MCU    = atmega328p
F_CPU  = 16000000UL
CC     = avr-gcc
CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -DF_CPU=$(F_CPU) -Os -Wall -Wextra -std=gnu11

blink.hex: blink.elf
	avr-objcopy -O ihex -R .eeprom $< $@

blink.elf: main.c
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^
	avr-size --mcu=$(MCU) -C $@

flash: blink.hex
	avrdude -p $(MCU) -c arduino -P /dev/ttyACM0 -b 115200 -U flash:w:$<:i

.PHONY: flash

Typische fouten

• gcc in plaats van avr-gcc: avr/io.h: No such file or directory.
• -mmcu vergeten: registers als DDRB zijn onbekend ('DDRB' undeclared), want welke registers er zijn hangt van de chip af.
• avrdude: stk500_recv(): programmer is not responding: verkeerde poort, de seriële monitor staat nog open, of verkeerde -b (oude Nano-bootloaders gebruiken 57600).

Oefeningen

1. Waarom kun je de blink.elf niet gewoon met ./blink.elf op je laptop starten?
2. Verander de vertraging naar 100 ms en bouw opnieuw. Verandert de grootte in avr-size?
3. Wat gebeurt er met de knippersnelheid als je -DF_CPU=8000000UL meegeeft, maar de chip echt op 16 MHz loopt?

Lab: eerste build in de simulator

Samenvatting

• Cross-compileren: bouwen op je pc voor een andere processor, met avr-gcc -mmcu=....
• avr-size toont flash- en RAM-gebruik; avr-objcopy maakt een HEX om te flashen.
• Opstartcode en linkerscript regelen alles vóór main; main eindigt nooit.
• Testen kan in simavr of Wokwi; flashen met avrdude.

Volgende les: bits, registers en volatile, zodat je begrijpt wat DDRB |= (1 << DDB5) precies doet.