От Arduino и wiring к AVR Studio и чистому СИ

Здравствуйте.

Эта статья придётся по душе тем, кто считает, что «вырос» из ардуино и готов шагнуть в мир «серьёзного» программирования микроконтроллеров. Помимо того, что вы «прокачаете скил» программиста, у вас появится возможность выбирать любой микроконтроллер для своих проектов, и конечно же вы оцените скорость работы программ и размер занимаемой ими памяти.


Описано будет всё (для    ), от начала и до конца, — установка и подготовка необходимого программного обеспечения, сборка простейшего программатора «Громова» (не стоит пугаться, там всего три диода и семь резисторов), прошивка МК и написание кода в AVR Studio. Весь процесс будет сопровождаться иллюстрациями и примерами.


Сразу оговорюсь, компьютер должен быть оснащен СОМ-портом (переходник USB to COM плохо работает). Если у вашего компьютера сзади нет такого разъёма, то он наверняка есть на материнской плате (в виде штырьков), тогда всё решается вот таким «выбросом»


Увы, для владельцев ноутбуков без СОМа, статья представляет лишь академический интерес.


Итак начнём…

---

Что понадобится?

«Софт»



UniProf — универсальная программа для прошивки различных микроконтроллеров ATmega, простая и удобная, а главное, отлично работающая с нашим программатором. Автор — российский разработчик Михаил Николаев.

Конечно, прошивать МК можно и из AVR Studio, но для этого нужен специальный программатор. Поэтому писать код мы будем в студии, а полученные hex-файлы прошивать UniProf`ом посредством нашего самодельного программатора. Помимо этого будет описан способ прошивки из командной строки.

Пользователям Linux придётся воспользоваться либо виртуалкой, либо Wine. У меня с вайном не получилось, ни в какую не видится порт, а с виртуалкой я не пробовал.

Скачать:

UniProf
Просто распакуйте в удобное место.




AVR Studio — это среда программирования, разработанная специалистами компании Atmel Corporation занимающейся производством различных микроконтроллеров (ATmega, XMEGA, MCS-51, ARM, AVR, AVR32), в том числе тех, что используются в ардуино (ATmega168, ATmega328, ATmega32u4, MEGA2560).

На данный момент, на сайте производителя имеется седьмая версия этой среды, однако мы воспользуемся более старой и проверенной временем версией 4.19. Она стабильна, работает на любом, даже устаревшем, железе, включает в себя всё необходимое и по-прежнему пользуется популярностью.

В дополнение потребуется компилятор AVR toolchain.

  В Wine работает без нареканий (Debian 8.5, wine1.6).

Скачать:

AVR Studio 4.19

AVR toolchain
Сначала установите студию, а потом toolchain. Именно в таком порядке.




Заодно скачайте текстовый редактор с «человеческим лицом» — Notepad++, ибо стандартный Блокнот — это поделка спившегося дьявола.

Скачать:

Notepad++

Весь софт бесплатный.



«Железо»

Эксперименты будем ставить над Arduino pro mini с микросхемой ATmega328. Частота кварца (8/16Мгц), равно как и напряжение (3.3/5v), не имеют значения. (см. ниже)


В дальнейшем вы будете программировать различные МК фирмы Atmel, но для первого раза эта плата самое то. Она хороша тем, что практически, это голый контроллер с минимальной «обвязкой» и распаяннами пинами. Как раз то, что нужно.






Программатор «Громова»



Мощность резисторов от 0.125 Вт. Диоды – любые импульсные, со временем восстановления не более 50 нс (например 1N4148, КД522, КД510) у меня стоят 1N4001.



И последнее — это ответная часть СОМ-порта (DB9).




Провода используйте не слишком длинные. Между компьютером и программатором сантиметров 30, а между программатором и МК сантиметров 10-15.
Питание для МК можно взять с USB-порта.


Мой программатор выглядит так:

---

Схема соединения

Соединяем ардуину с программатором…


… подсоединяем программатор в сом-порт и подаём питание.

Если у вас ардуина на 3.3v (8Mhz), то можете смело подавать на неё 5 вольт.
Тут дело вот в чём, контроллер может работать с кварцем 16МГц только от 4.5 до 5.5 вольт, если подать меньше то кварц не «раскачается», а если установить кварц на 8МГц, то будет работать в диапазоне от 2.7 — 5v. Таким образом делают ардуины с пониженным энергопотреблением, а подавать 5 вольт можно почти на любые ATmeg`и.

MOSI, MISO и т.д., это шина SPI.

---

UniProf

Написать программу это пол дела, надо её ещё в контроллер как-то впихнуть. Вот и уделим этому побольше внимания.


Хорошо бы было, чтоб в вашу ардуину был залит стандартный Blink (с «завода» она с ним и поставляется).

Отсюда и далее, самовольно никакие кнопки не нажимайте!


Запускаем UniProf… Возможно выскочит такое окно:


Это связано с LPT-портом, так что просто нажмите ОК.


Следом откроется окно программы:




Если порт выбран не правильно, то появится окно с предложением…


Нажмите ОК и выберите нужный порт.


Если МК не определился автоматически, тогда появится окно с ручным выбором:



К сожалению в списке нету atmega328, поэтому выбираем mega32 (у них одинаковый объём flash-памяти) и жмём ОК.


После этого, вместо надписи unknown появится подключённый контроллер…



32K — это объём Флеш-памяти, а 1024 — объём EEPROM.


Теперь, если у вас всё как на картинке, тогда откройте справку   и внимательно ознакомьтесь с тем, что там написано. Автор был весьма лаконичен, так что много времени это не займёт. Кнопки пока не нажимайте.



Ознакомились? Отлично, теперь можем двигаться дальше. Уберите «галочку» возле EEPROM и увидите изменившийся интерфейс:


После снятия «галки» EEPROM, чтение и запись этой области памяти не производится.


Поскольку мы будем оперировать hex-файлами, то уберём «галочки» General и BIN, а так же установим «галочку» Тормоз!, это увеличит время чтения/записи, но зато повысит стабильность.




Ну вот, пришло время попробовать прочитать наш МК. Поставьте обратно «галочку» EEPROM и нажмите кнопочку Read .

Процесс не быстрый так что придётся подождать. Внизу будет ползти синие квадратики и в правом нижнем углу отсчитываться циферки. За первый проход прочитается область PROGRAM, а за второй EEPROM.


У меня новая ардуина с зашитым в неё стандартным Blink`ом (при подключении программатора диод перестанет мигать). Если у вас то же самое, то взору предстанет такая картина:



Справа мы видим что в EEPROM ничего нет, а слева, в PROGRAM, записанная программа (как я уже говорил, это Blink). Теперь стрелочкой «вниз» прокрутите ползунок до того как данные закончаться…




… а теперь прокрутите до конца. Вы увидите ещё данные, — это ардуиновский bootloader.




Сейчас я предлагаю отвлечься от моей статьи и почитать про устройство МК вот здесь, это сильно приумножит понимание материала. Написано всё очень хорошо и понятно. Ну, а как прочтёте — возвращайтесь обратно и продолжим...



Снимите «галочку» с EEPROM. Она нам особо то и не нужна, зато будет видно, что стоит «галочка» Тормоз!

Теперь давайте сохраним всё что прошито в контроллере, чтоб после экспериментов была возможность вернуть его в исходное состояние.

Нажмите кнопку   и сохраните прошивку назвав её как-нибудь типа — origProMini328.hex. Всё, теперь у вас есть бекап.


Двигаемся дальше. Нажмите кнопку  , удалив тем самым всё из контроллера…



… и следом нажмите уже знакомую кнопку Read . После этого Вы увидите что все ячейки в PROGRAM пустые. Удалена не только программа, но и ардуиновский bootloader.
То есть теперь вы не сможете загружать скетчи традиционным методом. Потом, если захотите, легким мановением руки восстановите всё из бекапа.



Сейчас мы прошьём контроллер таким же «Blink`ом», только написаным в AVR Studio.

Вот так выглядит код:

#define F_CPU 16000000UL
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define PIN_PB5 5 // PB5 (ардуина - D13)
#define PIN_PB5_PORT PORTB 
#define PIN_PB5_DDR DDRB


int main(void)
{
  PIN_PB5_DDR = 1 << PIN_PB5; // устанавливаем PIN_PB5 (PB5 (ардуина - D13)) как ВЫХОД

  while(1)
   {
     PIN_PB5_PORT = 1 << PIN_PB5;
     _delay_ms(300);
     PIN_PB5_PORT = 0 << PIN_PB5;
     _delay_ms(300);
   }

  return 0;
}

Если вы используете ардуину с кварцем на 8Мгц, то в этом нет ничего страшного, просто диод будет мигать в два раза реже.

А вот, сколько он занимает места:



Скачайте файл 328test.hex куда-нибудь и откройте кнопкой  , затем прошейте кнопкой


Важно! Перед каждой прошивкой делайте очистку контроллера кнопкой  , а если не помните очищали или нет, то проверяйте кнопкой


Если установить «галочку» Write 0xFF, то все неиспользуемые ячейки заполнятся числом 0xFFFF.


После прошивки отсоедините контакт Reset (программа прижимает его к «земле» не давая стартануть) и ардуина оживёт, мигая с интервалом в 300мс. Можно не отсоединять контакт, а просто нажать кнопку отладки . Обсуждать эту кнопку мы не будем, так как заниматься отладкой вы будете в AVR Studio.

После закрытия окна отладки нужно заново выбрать контроллер, если это не происходит автоматически.



Обратите внимание, скетч написанный в IDE Arduino занимает ~940 байт, а в AVR Studio 178 байт. Что же касается скорости «дерганья ногами» (если и там и там убрать delay), то разница будет примерно в 20 раз. Это связано с особенностью среды IDE Arduino и языка используемого в ней. Впрочем, вскоре вы сами со всем познакомитесь.



Остались ещё две кнопки —   и  , они отвечают за установку фьюзов микроконтроллера.

Фьюзы (fuses) — это три или четыре (в зависимости от МК) байта расположенных в определённой области памяти, биты (fuse bit) которых отвечают за конфигурацию контроллера (тактовую частоту, использование внутреннего или внешнего кварца, включение/отключение watch dog и т.д.), они не затрагиваются при прошивке или стирании контроллера и устанавливаются отдельно.

Тема фьюзов серьёзная и требует вдумчивого изучения. Сейчас мы не будем их рассматривать по нескольким причинам: во-первых, в ардуине уже прошиты необходимые fuse bits, во-вторых, в программе uniprof не получится их правильно изменить (в списке нет ATmega328) и в третьих, лучше это отложить на будущее, когда освоитесь и будете чувствовать себя уверенней.


Чтобы удовлетворить любопытство, нажмите кнопку   и в открывшемся окне нажмите кнопки Read, но не в коем случае не нажимайте Write…



Вот так собственно и выглядят биты фьюзов. Повторюсь, не нажимайте Write, это приведёт к непредсказуемым последствиям так как у нас выбран контроллер mega32, а не atmega328.

Когда до них дойдёт дело, тогда воспользуетесь онлайн-калькулятором и узнаете, какой бит за что отвечает. О том как прошить см. ниже.


Теперь закройте окно с фьюзами и сам uniprof, и пойдём дальше…


Добавлено позднее. Вот версия uniprof, в которой есть atmega328. Автор доработки.

---

AVRDude

Uniprof как и многие другие, похожие программы, являются лишь графической надстройкой над программой AVRDude (AVR Downloader-Uploader), которая то и выполняет все выше описанные действия над микроконтроллером.
Поскольку AVRDude не имеет собственного графического интерфейса с ней нужно работать из командной строки. Кому-то это может показаться неудобным, однако всё как раз наоборот, работа из консоли просто великолепна. Удобство, проста и отсутствие привязки к какой либо ОС, ибо avrdude существует, наверно, для всего. Сейчас вы в этом убедитесь.



Для пользователей


Avrdude входит в состав AVR toolchain, поэтому установите его (предварительно установив AVR Studio) как написано в начале статьи.


Откройте «Командную строку» (далее буду называть — терминал) от имени администратора, и командой…

cd \

… перейдите в корень диска С.




Введя команду:

avrdude -h

Вы должны увидеть справочную информацию.



Если всё так, тогда avrdude готов к работе и можно продолжать.


Теперь нужно добавить наш программатор в конфигурационный файл avrdude (C:\Program Files (x86)\Atmel\AVR Tools\AVR Toolchain\bin\avrdude.conf). Откройте его в программе Notepad++ и после надписи «PROGRAMMER DEFINITIONS» добавьте вот такие строки:

programmer
id = "gromov";
desc = "serial port banging, reset=dtr sck=rts mosi=txd miso=cts";
type = serbb;
reset = 4;
sck = 7;
mosi = 3;
miso = 8;
;

Программатор использует технологию Bit-banging.


Следите за тем, чтоб при копировании, кавычки оставались именно кавычками, а то они могут изменится (из-за разницы кодировок) и avrdude будет ругаться.

Сохраните и закройте файл, он больше не нужен.


Вернитесь в терминал и дайте команду проверки связи МК с программатором:

avrdude -n -c gromov -P com1 -p m328p

У вас может быть другой сом-порт.

Если связь есть, то ответ будет такой:





Далее я опишу настройку avrdude для Linux, а после этого буду писать команды для обоих ОС (поскольку они одинаковые)…






Установите avrdude

sudo apt install avrdude

Введя команду:

avrdude -h

Вы должны увидеть справочную информацию.


Если всё так, тогда avrdude готов к работе.


Настройте порт:

sudo stty 9600 ignbrk -brkint -icrnl -imaxbel -opost -isig -icanon -iexten -echo noflsh </dev/ttyS0

Это надо делать после каждого ребута компа, ну или в rc.local добавьте.

Где /dev/ttyS0 — это com1, /dev/ttyS1 — com2 и т.д.
В дальнейшем, в командах я буду писать /dev/ttyS0, у вас может быть /dev/ttyS1 и т.д.


Добавьте программатор в конфигурационный файл /etc/avrdude.conf

sudo nano /etc/avrdude.conf

После надписи «PROGRAMMER DEFINITIONS» добавьте вот такие строки:

programmer
id = "gromov";
desc = "serial port banging, reset=dtr sck=rts mosi=txd miso=cts";
type = "serbb";
reset = 4;
sck = 7;
mosi = 3;
miso = 8;
;

Программатор использует технологию Bit-banging.


Следите за тем, чтоб при копировании, кавычки оставались именно кавычками, а то они могут изменится (из-за разницы кодировок) и avrdude будет ругаться.

Сохраните и закройте файл.


Дайте команду проверки связи МК с программатором:

sudo avrdude -n -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p

Если связь есть, то ответ будет такой:





Здесь различия между операционными системами заканчиваются и команды продублированы.

 



Добавим к команде аргумент -v или -v -v (можно добавлять к любым командам) для вывода полной информации:

avrdude -n -v -c gromov -P com1 -p m328p  ###WIN###

sudo avrdude -n -v -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p  ###Linux###

Вывод avrdude, что в windows, что в linux одинаковый, поэтому далее скрины буду делать только в win.

Тут уже больше информации, например, видно какие установлены фьюзы. Здесь они выводятся в шестнадцатеричных (HEX) числах. Например hfuse 0xDA, в двоичной системе выглядит так — 11011010. То есть это те самые биты, которые выставляются «галочками» в графических интерфейсах.

Когда будете разбираться с фьюзами, помните, в микроконтроллерах ATmega фьюзы инвертированы. То есть 0 — это включено, а 1 — отключено. В онлайн-калькуляторах из-за этого возникают непонятки (см. ниже).



Прочитаем прошивку из области flash (то же самое, что и PROGRAM в uniprof) командой:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U flash:r:readfl.txt:h  ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U flash:r:readfl.txt:h  ###Linux###

В uniprof код показывался в программе, а здесь он будет записан в файл.

Прошивка считана и записана в файл readfl.txt. Буква h (hex) в конце, указывает на то, что данные надо записать в шестнадцатеричном формате. Если написать букву b (binary), запишется в двоичной системе, а если r (raw), то данные будут в «сыром» виде (крякозябры).


Отсюда и далее предполагается, что win-пользователи находятся в корне диска С (C:\), а linux-юзеры работают из домашней папки, соответственно файлы будут сохраняться туда же (если не прописать иного пути). Прошивки, которые будут заливаться в МК, должны лежать там же.

Для win файл будет лежать здесь C:\readfl.txt, а для linux, в /home/user/readfl.txt. Можете открыть этот файл и поглядеть.


Чтение EEPROM:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U eeprom:r:reader.txt:h  ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U eeprom:r:reader.txt:h  ###Linux###

Чтение flash и eeprom вместе:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U flash:r:readfl.txt:h -U eeprom:r:reader.txt:h  ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U flash:r:readfl.txt:h -U eeprom:r:reader.txt:h  ###Linux###

Стирание контроллера:

avrdude -e -c gromov -P com1 -p m328p  ###WIN###

sudo avrdude -e -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p  ###Linux###

Отключите ножку «ресет» — диод мигать не будет, программа стёрта.


Прошьём МК скаченным ранее файлом 328test.hex. Лежит в корне диска C (c:\328test.hex) в windows или в домашней папке (/home/user/328test.hex) в linux.

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U flash:w:328test.hex  ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U flash:w:328test.hex  ###Linux###

Теперь если отключить «ресет», контроллер оживёт.


Обратите внимание. При прошивке МК через avrdude, стирать контроллер необязательно, программа делает это сама. Однако если указать параметр -D, тогда МК не будет очищаться автоматически.


Прошивка EEPROM:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U eeprom:w:eeprom.hex  ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U eeprom:w:eeprom.hex  ###Linux###

Чтение всех фьюзов:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U hfuse:r:hfuse.txt:h -U lfuse:r:lfuse.txt:h -U lock:r:lock.txt:h -U efuse:r:efuse.txt:h  ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U hfuse:r:hfuse.txt:h -U lfuse:r:lfuse.txt:h -U lock:r:lock.txt:h -U efuse:r:efuse.txt:h  ###Linux###

У каких-то контроллеров может не быть каких-то фьюзов.


Чтение только Low fuse:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U lfuse:r:lfuse.txt:h ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U lfuse:r:lfuse.txt:h ###Linux###

Low fuse отвечает за выбор источника тактового сигнала (внутренний, внешний), его частоту и за паузу перед стартом контроллера после подачи на него питания. Сейчас у вас там записано значение — 0xff, что соответствует внешнему кварцу от 8-ми и выше МГц.

Сейчас мы прошьём другой lfuse, который переведёт вашу ATmeg`у на работу от внутреннего генератора на 8Мгц.

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U lfuse:w:0xe2:m ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U lfuse:w:0xe2:m ###Linux###

Если у вас ардуина на 16МГц, то диод будет мигать в два раза медленней.
В дальнейшем, при кодинге в AVR Studio, можно указывать частоту 8 МГц, а кварц отпаять, тем самым заполучив в своё распоряжение еще два свободных цифровых пина.

Но это потом, а сейчас вернём все как было прошив прежний фьюз:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U lfuse:w:0xff:m ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U lfuse:w:0xff:m ###Linux###

Диод будет мигать правильно.


Фьюзы можно прошивать как по отдельности так и вместе:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U hfuse:w:0xda:m -U lfuse:w:0xff:m -U efuse:w:0x05:m  ###WIN###

sudo avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U hfuse:w:0xda:m -U lfuse:w:0xff:m -U efuse:w:0x05:m   ###Linux###

Эти команды давать не нужно. Привожу их для наглядности.



В дальнейшем, когда потребуется использовать другие контроллеры, будете в онлайн-калькулятре расставлять «галочки», получать значения (по ссылке они в верхнем левом углу) в hex-формате и прошивать.

Вот очень хорошая статья про FUSE.
И ещё...



Теперь осталось разобраться с параметрами avrdude и можно будет переходить к заключительной части.


-c gromov — тип программатора, вернее название под которым он записан в конфиге (avrdude.conf).
-P com1 — ну тут всё и так понятно.
-p m328p — обозначение тип МК.
-U — после этой опции указывается область памяти (flash, eeprom, xfuse), над которой будет производится какие-либо действия (r — чтение, w — запись).
Двоеточия служат разделителями.

Вот здесь подробный хелп avrdude, с названиями микроконтроллеров и их псевдонимами, программаторами и прочими опциями.

---

AVR Studio

Пользователи линукс могут воспользоваться wine.


Надеюсь у вас уже всё установлено, поэтому запускаем AVR Studio…



Здесь нам предлагается создать новый проект, либо открыть старый. Нажимаем New Project…



Выбираем AVR GCC, так как писать будем на СИ, а не на ассемблере.
Даём название проекту и ставим «галочки».
Выбираем Location (я создал папку AVR на диске С:\) там будут автоматически создаваться папки с проектами.
Нажимаем Next…



Выбираем AVR Simulator, так как у нас нету специального программатора, позволяющего вести отладку, и наш микроконтроллер — ATmega328p.
Жмём Finish.



После этих манипуляций студия готова к работе.



Слева — пути к проекту. По центру — текстовый редактор, в котором пишется код. Справа — регистры контроллера. Внизу-слева отладочная информация.

Из кнопочек нам пока интересны эти —

• Сборка проекта.
• Сборка проекта и запуск отладки.
• Компиляция файла.
• Очистка.
• Настройка проекта. Вот её то и нажмите…


Здесь можно изменить тип МК, установить тактовую частоту (мы её пропишем прямо в коде), уровень оптимизации, а так же определить, какие файлы будут создаваться.
Пощёлкайте для интереса иконки слева и нажмите Отмена.
Я не буду объяснять эти и другие опции, а позже дам ссылку с грамотным описанием.



Теперь скопируйте код написанный в начале статьи и вставьте его в редактор:


Тактовую частоту, мы прописали в коде потому, что этого требует библиотека delay.h.


Далее, нажмите кнопку «Сборка проекта» и в нижнем окне увидите результат работы.


Сборка прошла успешно, ошибок и предупреждений нет.



Теперь отправляемся по пути C:\AVR\my328\default\, находим там сотворённый нами   hex-файл — my328.hex и прошиваем его в контроллер. Чем прошивать (avrdude или uniprof) выбирайте сами.

В avrdude это будет выглядеть так:

avrdude -c gromov -P com1 -p m328p -U flash:w:\AVR\my328\default\my328.hex  ###WIN###

avrdude -c gromov -P /dev/ttyS0 -p m328p -U flash:w:my328.hex  ###Linux### 

Отключите «ресет» и увидите как диод мигает раз в секунду. Надеюсь, что убедил вас в простоте и удобстве командной строки.

Чтобы обратно сделать ардуину ардуиной у вас есть бекап.




Как уже было написано выше, я не буду вдаваться в объяснения работы с AVR Studio, равно как и давать уроки по языку СИ. Во-первых, это не входило в мои планы (я лишь хотел помочь осуществить переход от Arduino к AVR Studio), во-вторых, у меня вряд ли получится это сделать лучше, чем написано на сайте easyelectronics.ru.

Вот ссылки на уроки по программированию МК, про фьюзы, про устройство портов ввода-вывода, про botloader и пособие по СИ.


Я же в дальнейшем, планирую выкладывать различные ардуиновские проекты перенесённые в AVR Studio.



На этом всё, спасибо.