การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

วิกินี้อธิบายถึงขั้นตอนและตัวอย่างการพัฒนาเฟิร์มแวร์ลงบนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราได้ประกอบขึ้นมา โดยเนื้อหาครอบคลุมเฉพาะสภาพแวดล้อมการพัฒนาโปรแกรมบนลินุกซ์เท่านั้น

เนื้อหา

1 ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง
2 โปรแกรมตัวอย่าง
3 การคอมไพล์และสร้างรหัสภาษาเครื่อง
4 การเขียนโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์
5 การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile
6 ข้อมูลเพิ่มเติม

ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง

ครอสคอมไพเลอร์ (cross compiler) สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR รวมถึงไลบรารีที่เกี่ยวข้อง

sudo apt-get install avr-gcc 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>

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

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

    return 0;
}

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

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 -O ihex first.elf first.hex

first.elf: first.c
    avr-gcc -mmcu=atmega168 -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)

all: $(TARGET)

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

ข้อมูลเพิ่มเติม

เอกสารอธิบายการใช้งานไลบรารี AVR Libc

การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

เนื้อหา

ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง

โปรแกรมตัวอย่าง

การคอมไพล์และสร้างรหัสภาษาเครื่อง

การเขียนโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์

การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile

ข้อมูลเพิ่มเติม

รายการเลือกการนำทาง

เครื่องมือส่วนตัว

เนมสเปซ

สิ่งที่แตกต่าง

ดู

เพิ่มเติม

ค้นหา

การนำทาง

เครื่องมือ