การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

วิกินี้อธิบายถึงขั้นตอนและตัวอย่างการพัฒนาเฟิร์มแวร์ลงบนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราได้ประกอบขึ้นมา โดยเนื้อหาครอบคลุมเฉพาะสภาพแวดล้อมการพัฒนาโปรแกรมบนลินุกซ์เท่านั้น

ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง

• ครอสคอมไพเลอร์ (cross compiler) สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR รวมถึงไลบรารีที่เกี่ยวข้อง

sudo apt-get install gcc-avr avr-libc

• AVR toolchain

sudo apt-get install binutils-avr

• AVRDUDE (AVR Downloader/UploaDEr) ใช้สำหรับโหลดรหัสภาษาเครื่องลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ต USB

sudo apt-get install avrdude

โปรแกรมตัวอย่าง

ทดลองพิมพ์โปรแกรมตัวอย่างต่อไปนี้ และบันทึกไว้ในชื่อ first.c

#define F_CPU 16000000UL // บอกไลบรารีว่า MCU ทำงานที่ 16MHz
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

main()
{
    PORTD = 0b00000000;  // กำหนดลอจิกขา PD7..0 เป็น 0
    DDRD  = 0b00001000;  // กำหนดให้ขา PD3 ทำหน้าที่เอาท์พุท

    while (1)
    {
        PORTD = 0b00001000;  // ส่งลอจิก 1 ไปที่ขา PD3
        _delay_ms(1000);
        PORTD = 0b00000000;  // ส่งลอจิก 0 ไปที่ขา PD3
        _delay_ms(1000);
    }
}

โปรแกรมข้างต้นเรียกใช้ค่าคงที่สำหรับ I/O รีจีสเตอร์จากไฟล์เฮดเดอร์ avr/io.h และฟังก์ชันหน่วงเวลาจากไฟล์เฮดเดอร์ util/delay.h

การคอมไพล์และสร้างรหัสภาษาเครื่อง

คอมไพล์โปรแกรมโดยเรียกใช้คำสั่ง avr-gcc ซึ่งเป็นครอสคอมไพเลอร์ที่ทำหน้าที่แปลโปรแกรมให้เป็นรหัสภาษาเครื่องสำหรับสถาปัตยกรรม AVR

avr-gcc -mmcu=atmega168 -O -o first.elf first.c

อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้

• -mmcu=atmega168 เป็นตัวบอกคอมไพเลอร์ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้เป็นเบอร์ ATMega168
• -O ระบุว่าให้คอมไพเลอร์ทำ code optimization ซึ่งจำเป็นต้องใช้เพื่อให้ฟังก์ชัน _delay_ms() ทำงานได้ถูกต้อง
• -o first.elf ระบุว่าให้เอาท์พุทถูกเก็บลงในไฟล์ first.elf หากไม่ระบุโปรแกรมจะสร้างไฟล์ชื่อ a.out แทน

ผลลัพธ์ที่ได้จะอยู่ในรูปของไฟล์ฟอร์แมต ELF (Excutable and Linkable Format) ซึ่งประกอบไปด้วยเฮดเดอร์และข้อมูลเสริมอื่น ๆ อีกมากมาย อย่างไรก็ตามเราต้องการเพียงแค่ส่วนที่เป็นรหัสภาษาเครื่องของโปรแกรม ซึ่งสกัดออกมาได้โดยใช้คำสั่ง avr-objcopy ดังนี้

avr-objcopy -j .text -O ihex first.elf first.hex

อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้

• -j .text สกัดข้อมูลจากเซคชัน .text ซึ่งเป็นเซคชันที่เก็บโค้ดโปรแกรมในไฟล์ ELF
• -O ihex ส่งเอาท์พุทในรูปแบบ Intel HEX

ผลลัพธ์ที่ได้จะถูกเก็บไว้ในไฟล์ first.hex ซึ่งเป็นไฟล์ ASCII โดยภายในไฟล์จะมีข้อมูลคล้ายคลึงกับที่แสดงในตัวอย่าง

$ cat first.hex
:100000000C9434000C9451000C9451000C94510049
:100010000C9451000C9451000C9451000C9451001C
:100020000C9451000C9451000C9451000C9451000C
:100030000C9451000C9451000C9451000C945100FC
:100040000C9451000C9451000C9451000C945100EC
:100050000C9451000C9451000C9451000C945100DC
:100060000C9451000C94510011241FBECFEFD4E02A
:10007000DEBFCDBF11E0A0E0B1E0E4EEF0E002C0F1
:1000800005900D92A030B107D9F711E0A0E0B1E0E2
:1000900001C01D92A030B107E1F70E9453000C94FB
:1000A00071000C940000CFEFD4E0DEBFCDBF1BB8D1
:1000B00088E08AB988E08BB928EE33E080E991E0E6
:1000C0000197F1F721503040C9F788E08BB928EE4D
:1000D00033E080E991E00197F1F721503040C9F712
:0400E000E9CFFFCF96
:00000001FF

การเขียนโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์

โดยทั่วไปการนำโปรแกรมลงสู่แฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นมักอาศัยเครื่องโปรแกรมชิป (chip programmer) อย่างไรก็ตามชิป ATmega168 ที่แจกไปให้นั้นได้ถูกป้อนโปรแกรมพิเศษที่เรียกว่าบูทโหลดเดอร์ (boot loader) เอาไว้เพื่อจำลองบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นอุปกรณ์โปรแกรมชิปชนิด USBasp ซึ่งจะรอรับรหัสภาษาเครื่องที่ส่งมาทางพอร์ท USB ของเครื่องคอมพิวเตอร์ และเขียนข้อมูลเหล่านั้นลงสู่หน่วยความจำแฟลช

บูทโหลดเดอร์ถูกติดตั้งไว้ในตำแหน่งแฟลชที่เป็นบูทเซคเตอร์ของชิป (เริ่มต้นที่แอดเดรส 0x3800 ของหน่วยความจำแฟลช) ซึ่งเป็นจุดแรกที่ไมโครคอนโทรลเลอร์เริ่มต้นทำงาน กระบวนการทำงานของบูทโหลดเดอร์ที่เตรียมไว้ให้เป็นดังรูปด้านล่าง

จะเห็นว่าเงื่อนไขของการที่จะให้บูทโหลดเดอร์เข้าสู่โหมด USB เพื่อรอรับข้อมูลนั้นคือไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องถูกรีเซ็ตด้วยปุ่มรีเซ็ต และขา PD7 ต้องถูกเชื่อมลงกราวนด์ ซึ่งทำได้โดยการเสียบจั๊มเปอร์ไว้ที่อุปกรณ์ JP1 บนบอร์ด จุดสังเกตที่แสดงให้เห็นว่าไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังรอรับข้อมูลจากพอร์ท USB คือ LED สีเขียวบนบอร์ดจะกระพริบถี่ ๆ

ในระหว่างที่ไมโครคอนโทรลเลอร์จำลองตัวเองเป็นอุปกรณ์ USB หากเรียกคำสั่ง lsusb (อาจต้องเรียกมากกว่าหนึ่งครั้ง) บนเครื่องคอมพิวเตอร์จะต้องปรากฏรายการอุปกรณ์ที่มี VID:PID เป็น 16c0:05dc ดังตัวอย่าง

$ lsusb
Bus 004 Device 001: ID 0000:0000  
Bus 003 Device 007: ID 16c0:05dc  <-- ต้องปรากฏบรรทัดนี้ (หมายเลข Bus และ Device อาจแตกต่างออกไป)
Bus 003 Device 001: ID 0000:0000  
Bus 002 Device 001: ID 0000:0000  
Bus 001 Device 001: ID 0000:0000

อันแสดงว่าไมโครคอนโทรลเลอร์อยู่ในสภาพพร้อมที่จะรับโปรแกรมแล้ว

การส่งโปรแกรมไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ท USB นั้นให้ใช้คำสั่ง avrdude ดังแสดง

avrdude -p atmega168 -c usbasp -U flash:w:first.hex

อ็อพชันต่าง ๆ ที่ใช้ในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้

• -p atmega168 ระบุว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ปลายทางคือเบอร์ ATmega168
• -c usbasp ระบุว่าเครื่องโปรแกรมชิปที่ใช้คือชนิด USBAsp
• -U flash:w:first.hex ระบุว่าให้ดำเนินการเขียนข้อมูลลงสู่หน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยนำเข้าข้อมูลจากไฟล์ first.hex

หมายเหตุ: Ubuntu บางรุ่นอาจไม่อนุญาตให้ผู้ใช้ธรรมดาส่งข้อมูลไปยังอุปกรณ์ USB ได้ ดังนั้นคำสั่ง avrdude ต้องถูกเรียกในฐานะ superuser ผ่านคำสั่ง sudo ดังนี้

sudo avrdude -p atmega168 -c usbasp -U flash:w:first.hex

การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile

จากที่ผ่านมาจะเห็นว่าการพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นประกอบด้วยการแก้ไขโปรแกรมด้วยเท็กซ์เอดิเตอร์ และเซฟลงในไฟล์ .c จากนั้นจึงดำเนินตามขั้นตอนดังนี้

1. ครอสคอมไพล์โปรแกรมด้วยคำสั่ง avr-gcc
2. สกัดรหัสภาษาเครื่องจากไฟล์ ELF ด้วยคำสั่ง avr-objcopy
3. ส่งรหัสภาษาเครื่องไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ด้วยคำสั่ง avrdude

ในแต่ละขั้นตอนนั้นมีการเรียกคำสั่งที่ค่อนข้างยาว เราจึงควรสร้าง Makefile ขึ้นมาเพื่อให้คำสั่งเหล่านี้ถูกเรียกใช้งานโดยอัตโนมัติ

all: first.hex

flash: first.hex
    avrdude -p atmega168 -c usbasp -U flash:w:first.hex

first.hex: first.elf
    avr-objcopy -j .text -O ihex first.elf first.hex

first.elf: first.c
    avr-gcc -mmcu=atmega168 -O -o first.elf first.c

(ระวังว่าบรรทัดที่เยื้องเข้าไปนั้นต้องเป็นอักขระแท็บ ไม่ใช่ช่องว่าง)

สมมติว่าภายในไดเรคตอรีที่เรียกใช้คำสั่ง make มีเพียงไฟล์ first.c และ Makefile การเรียกคำสั่ง

make

จะถือเป็นการสร้างเป้าหมายที่ระบุไว้ตัวแรกสุด ในที่นี้คือ all ซึ่งจะมีผลให้มีการดำเนินการดังนี้

• เป้าหมาย all ระบุไว้ว่าให้สร้างเป้าหมาย first.hex ขึ้นมา
• make หาไฟล์ first.hex ไม่พบ แต่ทราบว่าสามารถสร้างขึ้นจาก first.elf
• make หาไฟล์ first.elf ไม่พบ แต่ทราบว่าสามารถสร้างขึ้นจาก first.c
• make พบไฟล์ first.c ในไดเรคตอรี จึงเรียกคำสั่ง avr-gcc เพื่อสร้างไฟล์ first.elf
• เมื่อได้ first.elf มาแล้วจึงเรียก avr-objcopy เพื่อสร้างไฟล์ first.hex เป็นอันเสร็จกระบวนการ

หากต้องการให้มีการเขียนแฟลชไมโครคอนโทรลเลอร์ ให้เรียกคำสั่ง make โดยระบุเป้าหมาย flash ดังนี้

make flash

ซึ่งจะมีการดำเนินการสร้างเป้าหมาย first.hex โดยอัตโนมัติหากหาไฟล์นี้ไม่พบหรือไฟล์ที่มีอยู่นั้นเก่ากว่าไฟล์ first.c จากนั้นจึงตามด้วยการเรียกใช้คำสั่ง avrdude เพื่อแฟลชเฟิร์มแวร์ใหม่ให้กับไมโครคอนโทรลเลอร์

หากต้องการนำ Makefile ไปปรับใช้ในโครงงานอื่นได้ง่าย เราสามารถปรับ Makefile ให้ยืดยุ่นขึ้นโดยระบุขั้นตอนด้วยรูปแบบ (pattern) ดังตัวอย่าง

TARGET=first.hex
MCU=atmega168
F_CPU=16000000L
CFLAGS=-DF_CPU=$(F_CPU) -mmcu=$(MCU) -O

all: $(TARGET)

flash: $(TARGET)
    avrdude -p atmega168 -c usbasp -U flash:w:$(TARGET)

%.hex: %.elf
    avr-objcopy -j .text -O ihex $< $@

%.elf: %.c
    avr-gcc $(CFLAGS) -o $@ $?

%.o: %.c
    avr-gcc -c $(CFLAGS) -o $@ $<

การนำ Makefile นี้ไปใช้กับโครงงานอื่นทำได้โดยการเปลี่ยนบรรทัดแรกจาก first.hex เป็ืนชื่อไฟล์สำหรับโครงงานนั้น ๆ เท่านั้น สังเกตว่าเรายังได้ระบุค่าของ F_CPU ไว้ระหว่างการคอมไพล์ ดังนั้นบรรทัด

#define F_CPU 16000000L

ในไฟล์ .c จึงไม่จำเป็นอีกต่อไป แต่เพื่อความแน่ใจว่าค่าของ F_CPU จะต้องถูกนิยามไว้ที่ใดที่หนึ่ง และต้องไม่ถูกนิยามซ้ำ เราควรใส่เงื่อนไขการนิยามไว้ตอนต้นของโปรแกรมดังนี้

#ifundef F_CPU
#define F_CPU 16000000L
#endif

ข้อมูลเพิ่มเติม

• เอกสารอธิบายการใช้งานไลบรารี AVR Libc
• Datasheet สำหรับ ATmega168
• ชุดคำสั่งของ AVR (ภาษาเครื่อง)