การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วย Arduino IDE

วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223

แพลทฟอร์ม Arduino ประกอบไปด้วยฮาร์ดแวร์ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบเปิดและซอฟต์แวร์ IDE เพื่อสนับสนุนการพัฒนาเฟิร์มแวร์ เนื่องด้วยความง่ายในการนำมาต่อเชื่อมกับอุปกรณ์อื่น ๆ บวกกับความสะดวกในการพัฒนาเฟิร์มแวร์ผ่าน Arduino IDE และไลบรารีมาตรฐาน ทำให้มีผู้นิยมใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก เกิดเป็นชุมชนผู้พัฒนาขนาดใหญ่ที่ร่วมกันสร้างสรรค์ไลบรารีเสริมและโปรเจ็คอีกมากมายนับไม่ถ้วน

เนื่องด้วยฮาร์ดแวร์ Arduino ใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์เบอร์ Atmega328 ซึ่งเป็นรุ่นเดียวกันกับชิปที่ใช้บนบอร์ดหลักของวิชา Practicum จึงทำให้เราสามารถนำเอาสภาพแวดล้อมการพัฒนาเฟิร์มแวร์ของ Arduino และไลบรารีที่มีอยู่หลากหลายมาปรับใช้งานได้โดยง่าย

การติดตั้ง Arduino IDE (สำหรับผู้ใช้คอมพิวเตอร์ส่วนตัว)

ดาวน์โหลดและติดตั้ง Arduino IDE เวอร์ชันล่าสุดได้จากเว็บ Arduino - Software

การตั้งค่า Arduino IDE ให้พร้อมใช้งานบอร์ด Practicum

เลือกเมนู File → Preferences (หรือ Arduino → Preferences... บน OSX) ป้อน URL http://ecourse.cpe.ku.ac.th/practicum/board/package_cpeku_index.json ในกล่อง Additional Boards Manager URL

เลือกในเมนู Tools → Board → Board Manager

เลื่อนรายการลงมาที่ตัวเลือก CPE-KU Practicum by Chaiporn Jaikaeo แล้วคลิ้กปุ่ม Install

เลือกในเมนู Tools → Board จะปรากฏหมวด CPE-KU Practicum Boards ให้เลือกใช้รายการ Practicum Board v3.x

ทดสอบการพัฒนาเฟิร์มแวร์บน Arduino IDE

สร้างสเกตช์ใหม่บน Arduino IDE (เมนู File → New) แล้วทดลองพิมพ์โปรแกรมต่อไปนี้

void setup()
{
  pinMode(PIN_PD3, OUTPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(PIN_PD3, LOW);
  delay(250);
  digitalWrite(PIN_PD3, HIGH);
  delay(250);
}

กดปุ่ม Reset บนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อเข้าสู่บูทโหลดเดอร์ แล้วเลือกเมนู Sketch → Upload (หรือกด Ctrl-U) ไฟ LED สีเขียวบนเมนบอร์ดจะกระพริบเป็นจังหวะทุก ๆ ครึ่งวินาที สังเกตว่าโปรแกรมข้างต้นไม่มีฟังก์ชัน main() เนื่องจาก Arduino จะสร้างฟังก์ชัน main() ขึ้นมาในระหว่างกระบวนการคอมไพล์ พร้อมทั้งเรียกฟังก์ชัน setup() และ loop() ให้โดยอัตโนมัติ

อย่างไรก็ตาม Arduino IDE สามารถรับโค้ดภาษาซีปกติที่มีฟังก์ชัน main() อยู่แล้วได้ (ด้วยข้อจำกัดบางประการ) กรณีนี้ Arduino จะไม่สร้างฟังก์ชัน main() ขึ้นมาให้ ดังนั้นโปรแกรมด้านล่างจึงคอมไพล์บน Arduino IDE ได้เช่นกัน

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

int main()
{
  DDRD = 0b00001000;
  while (1)
  {
    PORTD = 0b00000000;
    _delay_ms(250);
    PORTD = 0b00001000;
    _delay_ms(250);
  }
}

การตรวจสอบขนาดของเฟิร์มแวร์

เนื่องจากหน่วยความจำแฟลชที่ใช้บันทึกเฟิร์มแวร์ของไมโครคอนโทรลเลอร์มีขนาดจำกัด การตรวจสอบขนาดของเฟิร์มแวร์ที่พัฒนาขึ้นจึงเป็นสิ่งที่ควรปฏิบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งชิป Atmega328p ที่ใช้บนบอร์ด Practicum มีขนาดแฟลช 32 กิโลไบต์ แต่ถูกนำไปใช้เป็นบูตโหลดเดอร์ไปแล้ว 4 กิโลไบต์ จึงเหลือพื้นที่ให้จัดเก็บเฟิร์มแวร์ได้อีกเพียง 28 กิโลไบต์ (28672 ไบต์) การอัพโหลดเฟิร์มแวร์ที่มีขนาดใหญ่กว่านี้ลงไปบนชิปจึงอาจสร้างความเสียหายแก่ส่วนที่เป็นบูตโหลดเดอร์ได้

การตรวจสอบขนาดของเฟิร์มแวร์ทำได้โดยใช้เมนู Sketch → Verify/Compile ซึ่งเป็นการสั่งให้ Arduino IDE ทำกระบวนการคอมไพล์โค้ดแบบไม่ต้องอัพโหลดไบต์โค้ดลงสู่ชิป ขนาดของเฟิร์มแวร์ที่คอมไพล์แล้วจะถูกแสดงไว้ในกล่องแสดงสถานะด้านล่างของหน้าต่าง ดังแสดง

เปรียบเทียบขนาดเฟิร์มแวร์

หัวข้อที่แล้วแสดงตัวอย่างโปรแกรม 2 โปรแกรมที่ทำงานเหมือนกันทุกประการ โดยโปรแกรมแรกเขียนตามเฟรมเวิร์กของ Arduino ส่วนโปรแกรมที่สองเขียนด้วยภาษาซีปกติ ทดลองเปรียบเทียบขนาดของเฟิร์มแวร์ที่ได้จากโค้ดทั้งสองว่าแตกต่างกันอย่างไร