การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์
วิกินี้อธิบายถึงขั้นตอนและตัวอย่างการพัฒนาเฟิร์มแวร์ลงบนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราได้ประกอบขึ้นมา โดยเนื้อหาครอบคลุมเฉพาะสภาพแวดล้อมการพัฒนาโปรแกรมบนลินุกซ์และ Mac OS X เท่านั้น
เนื้อหา
ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง
สำหรับระบบปฏิบัติการ Ubuntu Linux 11.04
- 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
Your wbesite has to be the electronic Swiss army knife for this topic.
การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาแอสเซมบลี้
ภาษาแอสเซมบลี้ (assembly language) จัดเป็นภาษาระดับต่ำที่ใช้การแทนรหัสภาษาเครื่อง (machine code) ด้วยสัญลักษณ์ ดังนั้นคำสั่งในภาษาแอสเซมบลี้หนึ่งคำสั่งจึงเทียบเท่ากับคำสั่งในภาษาเครื่องหนึ่งคำสั่งเช่นกัน แม้ภาษาแอสเซมบลี้จะมีความยุ่งยากมากกว่าภาษาชั้นสูงเช่นภาษาซี การเขียนโปรแกรมในภาษาแอสเซมบลี้ก็ยังเป็นที่นิยมในหลาย ๆ สถานการณ์เนื่องจากผู้พัฒนาโปรแกรมสามารถทราบถึงการทำงานของหน่วยประมวลผลได้ในรายละเอียดทุกคำสั่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานที่ต้องมีการกำหนดเวลาในการประมวลผลที่แม่นยำ
ตัวอย่างโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้
ใช้โปรแกรมเท็กซ์เอดิเตอร์สร้างโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้ขึ้นมาหนึ่งโปรแกรมตามตัวอย่างด้านล่าง จากนั้นบันทึกโปรแกรมลงในไฟล์ชื่อ first.S
(สังเกตว่าใช้นามสกุล .S ตัวใหญ่)
.global main main: ldi r16,0b00000111 ; ทำให้ PC2,PC1,PC0 เป็นเอาท์พุท out 0x07,r16 ldi r16,0b00000100 ; ทำให้ LED สีเขียวติด out 0x08,r16 loop: rjmp loop ; วนซ้ำอยู่ที่เดิมเพื่อไม่ให้โปรแกรมจบการทำงาน
แต่ละบรรทัดมีความหมายดังนี้
.global main
เป็นการประกาศให้ป้ายระบุตำแหน่งmain
เป็นที่รู้จักของไลบรารีภายนอกmain:
ระบุว่า ณ ตำแหน่งนี้สามารถถูกอ้างถึงได้โดยใช้ชื่อmain
ldi r16,0b00000111
โหลดค่า 00000111 ฐานสอง (ซึ่งเท่ากับ 7) ลงไปในรีจีสเตอร์ r16out 0x07,r16
นำค่าใน r16 ไปใส่ไว้ใน I/O รีจีสเตอร์หมายเลข 7 ซึ่งหมายถึงรีจีสเตอร์ DDRC ดังนั้นจึงมีผลทำให้ขา PC0 ถึง PC2 ทำหน้าที่เป็นเอาท์พุท ส่วนขา PC3 ถึง PC7 ทำหน้าที่เป็นอินพุทldi r16,0b00000100
โหลดค่า 00000100 ฐานสอง (ซึ่งเท่ากับ 4) ลงไปในรีจีสเตอร์ r16out 0x08,r16
นำค่าใน r16 ไปใส่ไว้ใน I/O รีจีสเตอร์หมายเลข 8 ซึ่งหมายถึงรีจีสเตอร์ PORTC จึงมีผลทำให้ขา PC2 มีค่าลอจิกเป็น 1 จึงทำให้ LED สีเขียวติดสว่างloop:
ระบุว่า ณ ตำแหน่งนี้สามารถถูกอ้างถึงได้โดยใช้ชื่อloop
rjmp loop
กระโดดกลับไปทำงานที่ตำแหน่งหน่วยความจำที่ระบุด้วยป้ายloop
ซึ่งก็คือตำแหน่งเดิม
การแอสเซมเบิลเพื่อสร้างรหัสภาษาเครื่อง
โปรแกรมที่เขียนด้วยภาษาแอสเซมบลี้ต้องผ่านกระบวนการแปลภาษาเพื่อให้อยู่ในรูปรหัสภาษาเครื่องโดยอาศัยโปรแกรมแปลภาษาที่เรียกว่าแอสเซมเบลอร์ (assembler) ในที่นี้เราจะใช้โปรแกรม avr-gcc
ซึ่งตัวมันเองจะไปเรียกใช้โปรแกรม avr-as
เพื่อแปลโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้เป็นรหัสภาษาเครื่องสำหรับสถาปัตยกรรม AVR อีกทีหนึ่ง
avr-gcc -mmcu=atmega168 -o first.elf first.S
อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้
-mmcu=atmega168
เป็นตัวบอกคอมไพเลอร์ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้เป็นเบอร์ ATMega168-o first.elf
ระบุว่าให้เอาท์พุทถูกเก็บลงในไฟล์first.elf
หากไม่ระบุโปรแกรมจะสร้างไฟล์ชื่อa.out
แทน
ผลลัพธ์ที่ได้จะอยู่ในรูปของไฟล์ฟอร์แมต 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 และ .data ซึ่งเป็นเซคชันที่เก็บโค้ดโปรแกรมและข้อมูลเริ่มต้นในไฟล์ ELF-O ihex
ส่งเอาท์พุทในรูปแบบ Intel HEX
ผลลัพธ์ที่ได้จะถูกเก็บไว้ในไฟล์ first.hex
ซึ่งเป็นไฟล์ ASCII โดยภายในไฟล์จะมีข้อมูลคล้ายคลึงกับที่แสดงในตัวอย่าง
$ cat first.hex :100000000C9434000C943E000C943E000C943E0082 :100010000C943E000C943E000C943E000C943E0068 :100020000C943E000C943E000C943E000C943E0058 :100030000C943E000C943E000C943E000C943E0048 :100040000C943E000C943E000C943E000C943E0038 :100050000C943E000C943E000C943E000C943E0028 :100060000C943E000C943E0011241FBECFEFD4E050 :10007000DEBFCDBF0E9440000C9445000C940000F0 :0E00800007E007B904E008B9FFCFF894FFCFFE :00000001FF
สังเกตว่าไฟล์รหัสภาษาเครื่องดูจะยาวกว่าต้นฉบับโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้มาก ทดลองแปลงโปรแกรมภาษาเครื่องกลับมาเป็นภาษาแอสเซมบลี้โดยใช้คำสั่ง avr-objdump
ดังนี้
$ avr-objdump -d first.elf
กระบวนการข้างต้นเรียกว่าเป็นการทำดิสแอสเซมเบิล (disassemble) ซึ่งอ็อปชัน -d
ย่อมาจาก disassemble บนหน้าจอจะแสดงผลลัพธ์ดังนี้
first.elf: file format elf32-avr Disassembly of section .text: 00000000 <__vectors>: 0: 0c 94 34 00 jmp 0x68 ; 0x68 <__ctors_end> 4: 0c 94 3e 00 jmp 0x7c ; 0x7c <__bad_interrupt> 8: 0c 94 3e 00 jmp 0x7c ; 0x7c <__bad_interrupt> : : ละไว้ : 64: 0c 94 3e 00 jmp 0x7c ; 0x7c <__bad_interrupt> 00000068 <__ctors_end>: 68: 11 24 eor r1, r1 6a: 1f be out 0x3f, r1 ; 63 6c: cf ef ldi r28, 0xFF ; 255 6e: d4 e0 ldi r29, 0x04 ; 4 70: de bf out 0x3e, r29 ; 62 72: cd bf out 0x3d, r28 ; 61 74: 0e 94 40 00 call 0x80 ; 0x80 <main> 78: 0c 94 45 00 jmp 0x8a ; 0x8a <_exit> 0000007c <__bad_interrupt>: 7c: 0c 94 00 00 jmp 0 ; 0x0 <__vectors> 00000080 <main>: 80: 07 e0 ldi r16, 0x07 ; 7 82: 07 b9 out 0x07, r16 ; 7 84: 04 e0 ldi r16, 0x04 ; 4 86: 08 b9 out 0x08, r16 ; 8 00000088 <loop>: 88: ff cf rjmp .-2 ; 0x88 <loop> 0000008a <_exit>: 8a: f8 94 cli 0000008c <__stop_program>: 8c: ff cf rjmp .-2 ; 0x8c <__stop_program>
ตัวเลขด้านซ้ายมือสุดในแต่ละบรรทัดที่มีคำสั่งภาษาแอสเซมบลี้อยู่ (เช่น 7c:) แสดงตำแหน่งที่อยู่ (address) ของแฟลชโปรแกรมในรูปฐานสิบหก ตัวเลขชุดถัดมาคือรหัสคำสั่งภาษาเครื่อง และส่วนที่เหลือเป็นคำสั่งภาษาแอสเซมบลี้ที่สอดคล้องกัน ดังนั้นบรรทัดที่ระบุว่า
80: 07 e0 ldi r16, 0x07 ; 7
จึงมีความหมายว่าให้บรรจุรหัสคำสั่งภาษาเครื่อง 07 และ e0 (สองไบต์) ลงไปในชิปที่ตำแหน่งหน่วยความจำ 80 และ 81 (ฐานสิบหก)
แต่สังเกตว่าคำสั่งภาษาแอสเซมบลี้ที่เราเขียนไว้ในต้นฉบับปรากฏอยู่ที่ตำแหน่งหน่วยความจำที่ 80 ถึง 89 เท่านั้น แต่รหัสภาษาเครื่องที่ดิสแอมเซมเบิลออกมานั้นกลับประกอบไปด้วยอะไรอีกหลายอย่างที่เราไม่ได้เขียน ทั้งนี้เนื่องจากในสถาปัตยกรรม AVR จำเป็นต้องมีการตั้งค่าเริ่มต้นให้กับชิปหลายอย่างก่อนที่จะเริ่มทำงานได้อย่างถูกต้อง ดังนั้น avr-gcc
จึงปะส่วนการตั้งค่าเริ่มต้นนี้ให้เราในส่วนหัวของโปรแกรม นอกจากนั้นยังมีการปะโค้ดให้วนซ้ำไว้ในส่วนท้ายโปรแกรมเพื้อป้องกันกรณีที่เราเผลอปล่อยโปรแกรมให้จบการทำงานออกมา
การโหลดโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์
โดยทั่วไปการนำโปรแกรมลงสู่แฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นมักอาศัยเครื่องโปรแกรมชิป (chip programmer) อย่างไรก็ตามชิป ATmega168 ที่แจกไปให้นั้นได้ถูกป้อนโปรแกรมพิเศษที่เรียกว่าบูทโหลดเดอร์ (boot loader) เอาไว้เพื่อจำลองบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นอุปกรณ์โปรแกรมชิปชนิด USBasp ซึ่งจะรอรับรหัสภาษาเครื่องที่ส่งมาทางพอร์ท USB ของเครื่องคอมพิวเตอร์ และเขียนข้อมูลเหล่านั้นลงสู่หน่วยความจำแฟลช
บูทโหลดเดอร์ถูกติดตั้งไว้ในตำแหน่งแฟลชที่เป็นบูทเซคเตอร์ของชิป (เริ่มต้นที่แอดเดรส 0x3800 ของหน่วยความจำแฟลช) ซึ่งเป็นจุดแรกที่ไมโครคอนโทรลเลอร์เริ่มต้นทำงาน กระบวนการทำงานของบูทโหลดเดอร์ที่เตรียมไว้ให้เป็นดังรูปด้านล่าง
จะเห็นว่าเงื่อนไขของการที่จะให้บูทโหลดเดอร์เข้าสู่โหมด USB เพื่อรอรับข้อมูลนั้นคือไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องถูกรีเซ็ตด้วยปุ่มรีเซ็ต และขา Bootloader (PD3) ต้องถูกเชื่อมลงกราวนด์ ซึ่งทำได้โดยการกดปุ่ม USER/B.L. บนบอร์ดค้างเอาไว้ในขณะที่ปล่อยปุ่มรีเซ็ต จุดสังเกตที่แสดงให้เห็นว่าไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังรอรับข้อมูลจากพอร์ท USB คือ LED สีเขียวบนบอร์ดจะกระพริบถี่ ๆ
ในระหว่างที่ไมโครคอนโทรลเลอร์จำลองตัวเองเป็นอุปกรณ์ USB หากเรียกคำสั่ง lsusb
บนลินุกซ์ บนเครื่องคอมพิวเตอร์จะต้องปรากฏรายการอุปกรณ์ที่มี VID:PID เป็น 16c0:05dc ดังตัวอย่าง
$ lsusb Bus 004 Device 001: ID 0000:0000 Bus 003 Device 007: ID 16c0:05dc VOTI shared ID for use with libusb <-- 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
สำหรับเครื่องที่ใช้ Mac OS X ให้ใช้คำสั่ง system_profiler
ควบคู่กับ grep
เพื่อหาอุปกรณ์ที่ชื่อ USBasp 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)
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 โดยนำเข้าข้อมูลจากไฟล์first.hex
หมายเหตุ: หากพบปัญหาเกี่ยวกับสิทธิการเข้าถึงอุปกรณ์ USB ให้ดำเนินตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ในเอกสาร การแก้ไขสิทธิการเข้าถึงพอร์ท USB ของบอร์ด MCU
การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาซี
ภาษาซีจัดเป็นภาษาระดับสูง (high-level programming language) ที่ถือว่ามีการทำงานใกล้เคียงกับภาษาเครื่องมากโดยที่ผู้พัฒนาโปรแกรมไม่จำเป็นต้องเขียนคำสั่งให้ละเอียดยิบเหมือนกับภาษาแอสเซมบลี้ จึงเป็นภาษาที่ได้รับความนิยมมากในงานที่ต้องเขียนโปรแกรมใกล้ชิดกับฮาร์ดแวร์ดังเช่นงานด้านระบบฝังตัว (embedded system)
Short, sweet, to the point, FREE-exactly as informtaoin should be!
การคอมไพล์โปรแกรมให้เป็นภาษาเครื่อง
กระบวนการแปลโปรแกรมภาษาชั้นสูงให้เป็นภาษาเครื่องนั้นเรียกว่าเป็นการคอมไพล์ (compile) ซึ่งอาศัยโปรแกรมที่เรียกว่าคอมไพเลอร์ (compiler) เป็นตัวดำเนินการ เราอาศัยโปรแกรม avr-gcc
เป็นตัวคอมไพเลอร์โดยเรียกใช้งานดังนี้ (สังเกตว่ามีการใช้อ็อปชัน -O
เพิ่มเติมขึ้นมา)
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
ระบุว่าให้เอาท์พุทถูกเก็บลงในไฟล์first.elf
หากไม่ระบุโปรแกรมจะสร้างไฟล์ชื่อa.out
แทน
หมายเหตุ: avr-gcc
ทำหน้าที่เป็นได้ทั้งแอสเซมเบลอร์และคอมไพเลอร์ ขึ้นอยู่กับนามสกุลของไฟล์อินพุทว่าเป็น .S หรือ .c
การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile
จากที่ผ่านมาจะเห็นว่าการพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นประกอบด้วยการแก้ไขโปรแกรมด้วยเท็กซ์เอดิเตอร์ และเซฟลงในไฟล์ .c จากนั้นจึงดำเนินตามขั้นตอนดังนี้
- ครอสคอมไพล์โปรแกรมด้วยคำสั่ง avr-gcc
- สกัดรหัสภาษาเครื่องจากไฟล์ ELF ด้วยคำสั่ง avr-objcopy
- 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 -j .data -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
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 ให้ยืดยุ่นขึ้นโดยระบุขั้นตอนด้วยรูปแบบ (pattern) ดังตัวอย่าง
TARGET=first.hex MCU=atmega168 F_CPU=12000000L 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 -j .data -O ihex $< $@ %.elf: %.c avr-gcc $(CFLAGS) -o $@ $? %.o: %.c avr-gcc -c $(CFLAGS) $@ $<
การนำ Makefile นี้ไปใช้กับโครงงานอื่นทำได้โดยการเปลี่ยนบรรทัดแรกจาก first.hex
เป็ืนชื่อไฟล์สำหรับโครงงานนั้น ๆ เท่านั้น สังเกตว่าเรายังได้ระบุค่าของ F_CPU
ไว้ระหว่างการคอมไพล์ ดังนั้นบรรทัด
#define F_CPU 12000000L
ในไฟล์ .c จึงไม่จำเป็นอีกต่อไป แต่เพื่อความแน่ใจว่าค่าของ F_CPU จะต้องถูกนิยามไว้ที่ใดที่หนึ่ง และต้องไม่ถูกนิยามซ้ำ เราควรใส่เงื่อนไขการนิยามไว้ตอนต้นของโปรแกรมดังนี้
#ifndef F_CPU #define F_CPU 12000000L #endif
บทความที่เกี่ยวข้อง
- การบัดกรีแผงวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์
- แผงวงจรพ่วง (Peripheral Board)
- การวัดสัญญาณแอนะล็อกด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์