การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์
- วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223
วิกินี้อธิบายถึงขั้นตอนและตัวอย่างการพัฒนาเฟิร์มแวร์ลงบนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราได้ประกอบขึ้นมา โดยเนื้อหาครอบคลุมเฉพาะสภาพแวดล้อมการพัฒนาโปรแกรมบนลินุกซ์และ Mac OS X เท่านั้น
เนื้อหา
ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง
สำหรับระบบปฏิบัติการ Linux (Debian/Ubuntu/Mint รวมถึง Raspberry Pi)
- ครอสคอมไพเลอร์ (cross compiler) สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR รวมถึงไลบรารีที่เกี่ยวข้อง
sudo apt install gcc-avr avr-libc
- AVR toolchain
sudo apt install binutils-avr
- AVRDUDE (AVR Downloader/UploaDEr) ใช้สำหรับโหลดรหัสภาษาเครื่องลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ต USB
sudo apt install avrdude
สำหรับระบบปฏิบัติการ Mac OS X
- ดาวน์โหลดและติดตั้งชุดโปรแกรม CrossPack-AVR เวอร์ชันล่าสุดจาก Objective Development
การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาซี
ภาษาซีจัดเป็นภาษาระดับสูง (high-level programming language) ที่ถือว่ามีการทำงานใกล้เคียงกับภาษาเครื่องมากโดยที่ผู้พัฒนาโปรแกรมไม่จำเป็นต้องเขียนคำสั่งให้ละเอียดยิบเหมือนกับภาษาแอสเซมบลี้ จึงเป็นภาษาที่ได้รับความนิยมมากในงานที่ต้องเขียนโปรแกรมใกล้ชิดกับฮาร์ดแวร์ดังเช่นงานด้านระบบฝังตัว (embedded system)
โปรแกรมตัวอย่างภาษาซี
ทดลองพิมพ์โปรแกรมตัวอย่างต่อไปนี้ และบันทึกไว้ในชื่อ first.c
#define F_CPU 16000000 // บอกไลบรารีว่า MCU ทำงานที่ 16MHz
#include <avr/io.h> // โหลดนิยามสำหรับรีจีสเตอร์ที่ควบคุมอินพุท/เอาท์พุท (เช่น PORTD, DDRD) #include <util/delay.h> // โหลดนิยามสำหรับฟังก์ชัน _delay_ms() int main() { PORTD = 0b00000000; // กำหนดลอจิกขา PD7..0 เป็น 0 DDRD = 0b00001000; // กำหนดให้ขา PD3 ทำหน้าที่เอาท์พุท while (1) { PORTD = 0b00001000; // ส่งลอจิก 1 ไปที่ขา PD3 _delay_ms(1000); // หน่วงเวลารอ 1000 มิลลิวินาที PORTD = 0b00000000; // ส่งลอจิก 0 ไปที่ขา PD3 _delay_ms(1000); // หน่วงเวลารอ 1000 มิลลิวินาที } return 0; }
รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับโปรแกรม
- โปรแกรมข้างต้นเรียกใช้นิยามชื่อรีจีสเตอร์ (
PORTD
,DDRD
ฯลฯ) จากไฟล์เฮดเดอร์avr/io.h
และฟังก์ชันหน่วงเวลา_delay_ms()
จากไฟล์เฮดเดอร์util/delay.h
- ตัวเลขที่นำหน้าด้วย
0b
ในโค้ดภาษาซีเป็นการบอกให้คอมไพเลอร์ตีความค่าตัวเลขที่ตามมาให้เป็นตัวเลขฐานสอง ดังนั้น0b00001000
จึงมีค่าเท่ากับ8
(ฐานสิบ) นอกจากเลขฐานสองแล้วภาษาซียังรองรับการระบุค่าจำนวนเต็มคงที่ในรูปฐานแปด (ขึ้นต้นด้วย0
) และฐานสิบหก (ขึ้นต้นด้วย0x
)
การคอมไพล์โปรแกรมให้เป็นภาษาเครื่อง
กระบวนการแปลโปรแกรมภาษาชั้นสูงให้เป็นภาษาเครื่องนั้นเรียกว่าเป็นการคอมไพล์ (compile) ซึ่งอาศัยโปรแกรมที่เรียกว่าคอมไพเลอร์ (compiler) เป็นตัวดำเนินการ เราอาศัยโปรแกรม avr-gcc
เป็นตัวคอมไพเลอร์โดยเรียกใช้งานดังนี้ (สังเกตว่ามีการใช้อ็อปชัน -O
เพิ่มเติมขึ้นมา)
avr-gcc -mmcu=atmega328p -O -o first.elf first.c
อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้
-mmcu=atmega328p
เป็นตัวบอกคอมไพเลอร์ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้เป็นเบอร์ ATMega328P-O
ระบุว่าให้คอมไพเลอร์ทำ code optimization ซึ่งจำเป็นต้องใช้เพื่อให้ฟังก์ชัน_delay_ms()
ทำงานได้ถูกต้อง-o first.elf
ระบุว่าให้เอาท์พุทถูกเก็บลงในไฟล์first.elf
หากไม่ระบุโปรแกรมจะสร้างไฟล์ชื่อa.out
แทน
หมายเหตุ: avr-gcc
ทำหน้าที่เป็นได้ทั้งแอสเซมเบลอร์และคอมไพเลอร์ ขึ้นอยู่กับนามสกุลของไฟล์อินพุทว่าเป็น .S หรือ .c
การสกัดโค้ดภาษาเครื่องและดาวน์โหลดโปรแกรมลงสู่ไมโครคอนโทรลเลอร์
ผลลัพธ์ที่ได้จากการคอมไพล์จะอยู่ในรูปของไฟล์ฟอร์แมต ELF (Excutable and Linkable Format) ซึ่งประกอบไปด้วยเฮดเดอร์และข้อมูลเสริมอื่น ๆ อีกมากมาย อย่างไรก็ตามเราต้องการเพียงแค่ส่วนที่เป็นรหัสภาษาเครื่องของโปรแกรม ซึ่งสกัดออกมาได้โดยใช้คำสั่ง avr-objcopy
ดังนี้
avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex first.elf first.hex
อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้
-j .text -j .data
สกัดข้อมูลจากเซคชัน .text (ส่วนของโค้ดโปรแกรม) และ .data (ส่วนของข้อมูลที่กำหนดค่าเริ่มต้นให้ตัวแปร) ออกมาจากไฟล์ ELF-O ihex
บันทึกเอาท์พุทในรูปแบบ Intel HEX
ผลลัพธ์ที่ได้จะถูกเก็บไว้ในไฟล์ first.hex
ซึ่งเป็นไฟล์ ASCII ที่บันทึกไบท์โค้ดภาษาเครื่องเอาไว้ โดยภายในไฟล์จะมีข้อมูลคล้ายคลึงกับที่แสดงในตัวอย่าง
$ cat first.hex :100000000C9434000C943E000C943E000C943E0082 :100010000C943E000C943E000C943E000C943E0068 :100020000C943E000C943E000C943E000C943E0058 :100030000C943E000C943E000C943E000C943E0048 :100040000C943E000C943E000C943E000C943E0038 :100050000C943E000C943E000C943E000C943E0028 :100060000C943E000C943E0011241FBECFEFD4E050 :10007000DEBFCDBF0E9440000C9445000C940000F0 :0E00800008E00AB900E00BB9FFCFF894FFCFFB :00000001FF
การโหลดโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์
โดยทั่วไปการนำโปรแกรมลงสู่แฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นมักอาศัยเครื่องโปรแกรมชิป (chip programmer) อย่างไรก็ตามชิป ATmega328P ที่แจกไปให้นั้นได้ถูกป้อนโปรแกรมพิเศษที่เรียกว่าบูทโหลดเดอร์ (boot loader) เอาไว้เพื่อจำลองบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นอุปกรณ์โปรแกรมชิปชนิด USBasp ซึ่งจะรอรับรหัสภาษาเครื่องที่ส่งมาทางพอร์ท USB ของเครื่องคอมพิวเตอร์ และเขียนข้อมูลเหล่านั้นลงสู่หน่วยความจำแฟลช
บูทโหลดเดอร์ถูกติดตั้งไว้ในตำแหน่งแฟลชที่เป็นบูทเซคเตอร์ของชิป (เริ่มต้นที่แอดเดรส 0x3800 ของหน่วยความจำแฟลช) ซึ่งเป็นจุดแรกที่ไมโครคอนโทรลเลอร์เริ่มต้นทำงาน กระบวนการทำงานของบูทโหลดเดอร์ที่เตรียมไว้ให้เป็นดังรูปด้านล่าง
จะเห็นว่าเงื่อนไขของการที่จะให้บูทโหลดเดอร์เข้าสู่โหมด USB เพื่อรอรับข้อมูลนั้นคือไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องถูกรีเซ็ตด้วยปุ่มรีเซ็ต และขา Bootloader (PD7) ต้องถูกเชื่อมลงกราวนด์ ซึ่งทำได้โดยการเสียบจั๊มเปอร์เพื่อชอร์ตวงจรในตำแหน่งที่ระบุว่า Boot-loader บนบอร์ด จุดสังเกตที่แสดงให้เห็นว่าไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังรอรับข้อมูลจากพอร์ท USB คือ LED สีเขียวบนบอร์ดจะกระพริบสั้น ๆ และถี่ ๆ
ในระหว่างที่ไมโครคอนโทรลเลอร์จำลองตัวเองเป็นอุปกรณ์ USB หากเรียกคำสั่ง lsusb
บนลินุกซ์ บนเครื่องคอมพิวเตอร์จะต้องปรากฏรายการอุปกรณ์ที่มี VID:PID เป็น 16c0:05dc ดังตัวอย่าง
$ lsusb : Bus xxx Device xxx: ID 16c0:05dc Van Ooijen Technische Informatica shared ID for use with libusb :
สำหรับเครื่องที่ใช้ Mac OS X ให้ใช้คำสั่ง system_profiler
ควบคู่กับ grep
เพื่อหาบรรทัดที่มีข้อความ USBasp และพิมพ์ผลลัพธ์ที่ตามมาอีก 10 บรรทัด (ด้วยตัวเลือก -A 10) ดังแสดง
$ system_profiler SPUSBDataType | grep -A 10 USBasp USBasp: Product ID: 0x05dc Vendor ID: 0x16c0 Version: 1.02 Speed: Up to 1.5 Mb/sec Manufacturer: www.fischl.de Location ID: 0xfd130000 Current Available (mA): 500 Current Required (mA): Unknown (Device has not been configured)
แสดงว่าไมโครคอนโทรลเลอร์อยู่ในสภาพพร้อมที่จะรับโปรแกรมแล้ว
การส่งโปรแกรมไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ท USB นั้นให้ใช้คำสั่ง avrdude
ดังแสดง
avrdude -p atmega328p -c usbasp -U flash:w:first.hex
อ็อพชันต่าง ๆ ที่ใช้ในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้
-p atmega328p
ระบุว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ปลายทางคือเบอร์ ATmega328P-c usbasp
ระบุว่าเครื่องโปรแกรมชิปที่ใช้คือชนิด USBAsp-U flash:w:first.hex
ระบุว่าให้ดำเนินการเขียนข้อมูลลงสู่หน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยนำเข้าข้อมูลจากไฟล์first.hex
หมายเหตุ: หากพบปัญหาเกี่ยวกับสิทธิการเข้าถึงอุปกรณ์ USB ให้ดำเนินตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ในเอกสาร การแก้ไขสิทธิการเข้าถึงพอร์ท USB ของบอร์ด MCU
การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile
จากที่ผ่านมาจะเห็นว่าการพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นประกอบด้วยการแก้ไขโปรแกรมด้วยเท็กซ์เอดิเตอร์ และเซฟลงในไฟล์ .c จากนั้นจึงดำเนินตามขั้นตอนดังนี้
- ครอสคอมไพล์โปรแกรมด้วยคำสั่ง
avr-gcc
- สกัดรหัสภาษาเครื่องจากไฟล์ ELF ด้วยคำสั่ง
avr-objcopy
- ส่งรหัสภาษาเครื่องไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ด้วยคำสั่ง
avrdude
ในแต่ละขั้นตอนนั้นมีการเรียกคำสั่งที่ค่อนข้างยาว อย่างไรก็ตาม ยูนิกซ์มีคำสั่ง make
ที่ช่วยเรียกคำสั่งเหล่านี้ให้เราอัตโนมัติ ช่วยให้เราไม่ต้องพิมพ์คำสั่งยาว ๆ ทุกครั้งหลังจากแก้ไขโปรแกรม
ในการใช้คำสั่ง make
ให้เตรียมไฟล์ชื่อ Makefile
ขึ้นมาในไดเรคตอรีเดียวกับ first.c
และป้อนคำสั่งดังนี้
(ระวังว่าบรรทัดที่เยื้องเข้าไปนั้นต้องเป็นอักขระแท็บ ไม่ใช่ช่องว่าง)
all: first.hex flash: first.hex avrdude -p atmega328p -c usbasp -U flash:w:first.hex first.hex: first.elf avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex first.elf first.hex first.elf: first.c avr-gcc -mmcu=atmega328p -O -o first.elf first.c
สมมติว่าภายในไดเรคตอรีที่เรียกใช้คำสั่ง make
มีเพียงไฟล์ first.c
และ Makefile
การเรียกคำสั่ง
make
จะถือเป็นการสร้างเป้าหมายที่ระบุไว้ตัวแรกสุด ในที่นี้คือ all
ซึ่งจะมีผลให้มีการดำเนินการดังนี้
- เป้าหมาย
all
ระบุไว้ว่าให้สร้างเป้าหมายfirst.hex
ขึ้นมา make
หาไฟล์first.hex
ไม่พบ แต่ทราบว่าสามารถสร้างขึ้นจากfirst.elf
make
หาไฟล์first.elf
ไม่พบ แต่ทราบว่าสามารถสร้างขึ้นจากfirst.c
make
พบไฟล์first.c
ในไดเรคตอรี จึงเรียกคำสั่งavr-gcc
เพื่อสร้างไฟล์first.elf
- เมื่อได้
first.elf
มาแล้วจึงเรียกavr-objcopy
เพื่อสร้างไฟล์first.hex
เป็นอันเสร็จกระบวนการ
หากต้องการให้มีการเขียนแฟลชไมโครคอนโทรลเลอร์ ให้เรียกคำสั่ง make โดยระบุเป้าหมาย flash ดังนี้
make flash
ซึ่งจะมีการดำเนินการสร้างเป้าหมาย first.hex
โดยอัตโนมัติหากหาไฟล์นี้ไม่พบหรือไฟล์ที่มีอยู่นั้นเก่ากว่าไฟล์ first.c
จากนั้นจึงตามด้วยการเรียกใช้คำสั่ง avrdude
เพื่อแฟลชเฟิร์มแวร์ใหม่ให้กับไมโครคอนโทรลเลอร์
หากต้องการนำ Makefile
ไปปรับใช้ในโครงงานอื่นได้ง่าย เราสามารถปรับ Makefile
ให้ยืดหยุ่นขึ้นโดยนิยามตัวแปรดังตัวอย่าง
TARGET=first MCU=atmega328p all: $(TARGET).hex flash: $(TARGET).hex avrdude -p $(MCU) -c usbasp -U flash:w:$(TARGET).hex $(TARGET).hex: $(TARGET).elf avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex $(TARGET).elf $(TARGET).hex $(TARGET).elf: $(TARGET).c avr-gcc -mmcu=$(MCU) -O -o $(TARGET).elf $(TARGET).c
การนำ Makefile
นี้ไปใช้กับโครงงานอื่นทำได้โดยการเปลี่ยนบรรทัดแรกจาก first
เป็นชื่อไฟล์สำหรับโครงงานนั้น ๆ เท่านั้น
บทความที่เกี่ยวข้อง
- การบัดกรีแผงวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์
- แผงวงจรพ่วง (Peripheral Board)
- การวัดสัญญาณแอนะล็อกด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์