AVR i Linux

Wstęp

Zakładam, że wchodząc tutaj, masz chociaż podstawowe pojęcie o AVR-ach Atmela, Linuksie i że trzymałeś kiedyś w ręku lutownicę. Ta strona zawiera informacje o tym, jak za pomocą Linuksa i skrawka sprzętu można zacząć zabawę z tymi mikrosterownikami. Ja w tym celu kupiłem AT90S2313, który kosztuje około 5zł i parę innych drobazgów. 12 końcówek portów, 2kB pamięci Flash programu, 128b RAM, 128b EEPROMu, 2 liczniki, 2 zewnętrzne przerwania i UART powinny na początek wystarczyć każdemu. Mimo to, przedstawione tutaj informacje będą prawdziwie również dla większości mikrokontrolerów rodziny AVR.

Uwaga! Nieprawidłowe połączenie układów elektronicznych może spowodować uszkodzenie komputera, pożar i inne kataklizmy. Zamieszone tutaj informacje są udostępnione bez żadnych gwarancji itp. itd. U mnie wszystko działa bez problemu, ale nie mogę odpowiadać za szkody powstałe w wyniku użycia układu bazującego na moim schemacie. Twój port równoległy może być mniej odporny na sprzęt inny niż drukarki spełniające warunki CE.

Programator i układ uruchomieniowy

AVR-y najłatwiej programować przez interfejs SPI, który wymaga jedynie trzech linii sygnałowych (SCK, MISO, MOSI) oraz jakiegoś sposobu przełączenia w tryb programowania (RESET na niski). Jeśli Twój komputer ma jeszcze port równoległy, możesz podłączyć w następujący sposób:

Programator

Jest to minimalna wersja programatora STK200 (brak bufora 74HC244), który jest obsługiwany przez większość oprogramowania dla AVR-ów. Dla uproszczenia całego układu zrezygnowałem z przełączania wyprowadzeń PB5, PB6 i PB7 między programatorem, a urządzeniami peryferyjnymi.

W przypadku braku portu równoległego można złożyć albo kupić *) programator z interfejsem USB jak np. USBasp.

Układ uruchomieniowy

Można teraz podłączyć różne głupoty do portów — diody, przyciski, wyświetlacze, konwertery TTL<->RS232 itp. Wszystko to zależy od tego, co chcesz zrobić.

*) Problem jajka i kury – trzeba zaprogramować AVR-a, żeby zaprogramować AVR-a.

Oprogramowanie

Jednym z wygodniejszych rozwiązań jest użycie kompilatora gcc. Dzięki temu nie trzeba uczyć się kolejnego asemblera — wystarczy poznać wnętrze mikrosterownika i sposób jego obsługi. By zbudować środowisko niezbędne do kompilacji i uruchamiania kodu na AVR-y należy zaopatrzyć się w:

Narzędzia: binutils
Kompilator: gcc
Bibliotekę standardową: avr-libc
Programator: avrdude

Jeśli Twoja dystrybucja Linuksa jest oparta o pakiety RPM, najłatwiej będzie pobrać oprogramowanie z projektu CDK4AVR. PLD Linux zawiera specyfikacje odpowiednich pakietów do samodzielnej kompilacji (crossavr-binutils, crossavr-gcc, crossavr-libc i avrdude). W Debianie to gcc-avr, binutils-avr, avr-libc itd. Gdyby jednak zaszła potrzeba samodzielnej kompilacji, binutils i gcc należy skompilować po uprzednim uruchomieniu skryptu ./configure z parametrem --target=avr, a avr-libc z parametrem --host=avr. Programatory są aplikacjami działającymi na stacji roboczej, więc kompiluje się je tak samo jak zwykłe oprogramowanie.

Przykład

Po zainstalowaniu wszystkiego, możemy napisać prosty program:

#define F_CPU 1000000L				/* Częstotliwość kwarcu */

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

int main(void)
{
	DDRB |= _BV(0);				/* PB0 jako wyjście */

	for (;;)
	{
		unsigned char i;
		
		PORTB ^= _BV(0);		/* Zaneguj stan PB0 */
		
		for (i = 0; i < 50; i++)
		{
			_delay_ms(10);		/* Czekaj 0,5 sekundy */
		}
	}

	return 0;
}

Na początku należy zadeklarować częstotliwość taktowania mikrokontrolera, by pętle opóźniające odmierzały poprawnie czas. Pisząc oprogramowanie dla AVR-ów zgodnie z zasadami sztuki, maski bitowe należy tworzyć za pomocą makra _BV(). Dostępne wcześniej makra sbi() oraz cbi() służące odpowiednio do ustawiania i zerowania bitów, zostały usunięte. W zamian korzysta się ze standardowych konstrukcji języka C — kompilator będzie wiedział, gdzie można użyć instrukcji zmiany pojedynczego bitu, a gdzie trzeba użyć operacji logicznej na wartości rejestru.

Na szczególną uwagę zasługuje pętla opóźniająca. Częstym błędem jest używanie funkcji _delay_us() i _delay_ms() z dużymi wartościami opóźnień. Zgodnie z dokumentacją, maksymalne wartości to 768 µs na 1 MHz oraz 264,14 ms na 1MHz częstotliwości zegara. Wynika z tego, że na przykład przy kwarcu 10 MHz, maksymalne opóźnienia to 76,8 µs i 26,4 ms. Dla dłuższych czasów należy wywoływać w pętli opóźnienia o mniejszej wartości.

Mając już gotowy plik źródłowy, możemy go skompilować i zaprogramować nim mikrokontroler:

avr-gcc -mmcu=at90s2313 program.c -o program
avr-objcopy -O ihex program program.hex
avrdude -c stk200 -p at90s2313 -U flash:w:program.hex

Pierwsza komenda skompiluje program i połączy go z biblioteką standardową. Druga wyciągnie z pliku formatu ELF binarną sekcję kodu. Ostatnia wyzeruje zawartość pamięci Flash mikrosterownika, zapisze program i sprawdzi, czy programowanie przebiegło poprawnie. To wszystko!

Co dalej?

Najlepiej zacząć od lektury dokumentacji biblioteki standardowej i nie zapomnieć o sekcji FAQ, która zawiera odpowiedzi na większość podstawowych pytań. Przykładowe aplikacje można znaleźć w serwisie AVR Freaks Pytania najlepiej zadawać na grupie dyskusyjnej pl.misc.elektronika, ale tylko jeśli odpowiedzi nie znajdziesz w sieci. Powodzenia!