Jade Dungeon

使用AVR-GCC编程Arduino

闪耀LED例子
编译和上传
注意
使用ICSP烧写Bootloader
译者补充

本文展示如何在Arduino IDE以外使用AVR-GCC给Arduino写程序，包括烧写引导器和设置熔丝。

译者注：Arduino给新手提供了很大便利，但是稍微深入的应用，如定时器和详细硬件控制就很麻烦了。可同时Arduino的硬件做的是很不错的。所以本文以使用Arduino的硬件，但不使用Arduino的软件为主要目的。

Arduino是IDE和硬件平台，IDE以Java编写，并使用Processing语言简化了开发，但是也比C要弱：

C有准确的执行时间，没有隐藏代码，写什么就执行什么
C更容易访问硬件和中断
便于在多种MCU之间移植

本文编译和上传一个简单的纯C程序(使用avr-libc)，而不用Arduino IDE。只需要终端、文本编辑器、AVR-GCC工具链。

闪耀LED例子

从让Arduino引脚13的LED闪耀开始(实际是闪耀PORTB的所有位)。创建个文件夹来存放项目，并创建文件blink.c：

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void) {
    unsigned char counter;
    DDRB=0xff;      //设置PORTB输出
    while(1) {
        PORTB=0xff; //设置PORTB为高
        counter=0;
        while(counter!=50) {
            _delay_loop_2(30000);
            counter++;
        }
        PORTB=0x00;
        counter=0;
        while(counter!=50) {
            _delay_loop_2(30000);
            counter++;
        }
    }
    return 1;
}

编译和上传

将Arduino连接到USB口之后，Linux-2.6会自动载入FTDI驱动ftdi_sio.ko

$ dmesg
...
usb 3-2: FTDI USB Serial Device converter now attached to ttyUSB0
usbcore: registered new interface driver ftdi_sio
drivers/usb/serial/ftdi_sio.c: v1.4.3:USB FTDI Serial Converters Driver

工具链(编译器/连接器/汇编器、标准C库和编程工具)包含在三个包中:

$ apt-get install gcc-avr avr-libc avrdude

C库的手册在/usr/share/doc/avr-libc/avr-libc-user-manual/index.html。

建议仔细看看file:///usr/share/doc/avr-libc/avr-libc-user-manual/group__demo__project.html。其末尾有个Makefile，可供定制到自己所需。改变程序名到 blink 并编译:

$ make

这会生成blink.hex，也就是要上传的镜像。有两种凡是可供上传到Arduino：

ICSP(In-Circuit Serial Programming)
使用Bootloader，消耗2KB的程序存储器

第二个选项并不严格要求。实际上，第一个选项也并没有绝对优势。除非你只需要一个USB线，而不是两个。

通过Bootloader上传

此时AVR程序存储器已经包含了Bootloader，烧写blink.hex。确保熔丝的BOOTRST=0，如果不是，Bootloader在复位后不会启动。

$ avrdude -p m168 -P /dev/ttyUSB0 -c stk500v1 -b 19200 -F -u -U flash:w:blink.hex

不通过Bootloader，而是用并口编程器

如果不用Bootloader，直接烧写blink.hex，通过并口编程器。要确保熔丝的BOOTRST=1 ，如果不是，程序在复位后不会执行(后面章节会解释如何设置熔丝):

$ avrdude -p m168 -P /dev/parport0 -c dapa -b 115000 -F -u -U flash:w:blink.hex

如果你使用ATmega8则用-p m8。

不通过Bootloader，而是用AVR ISP MK-II编程器

要使用这种方法，你需要一个mkII编程器(约30欧元)，并连接到Arduino，通过ICSP连接器。在AVR Studio IDE，通过[Tool]=>[Program AVR]=>[Connect ...]来选择AVR ISP mkII编程器，USB连接，并选择Flash镜像，最后点击[Program]按钮。

注意

使用的引脚号与Arduino的定义不同

要使用AVR-GCC的术语访问端口和其他硬件，参考datasheet的SFR(特殊功能寄存器)，一些ATmega8的不同于ATmega168/328p

如果你使用其他零件(ATmega8、ATmega168、ATmega328等)，注意修改Makefile的MCU变量

最近Arduino转到ATmega328了，兼容ATmega168，但有更多程序空间，而 avr-libc@2009-01-01并不支持ATmeag328，编程工具的串口也不工作:

#define BAUD 19200
#include <util/setbaud.h>
    UBRR0H = UBRRH_VALUE;
    UBRR0L = UBRRL_VALUE;
#if USE_2X
    UCSR0A |= (1<<U2X0);
#else
    UCSR0A &= ~(1<<U2X0);
#endif

你应该替换为:

#define BAUD_RATE 19200
UBRR0L = (uint8_t)(F_CPU/(BAUD_RATE*16L)-1);
UBRR0H = (F_CPU/(BAUD_RATE*16L)-1)>>8;
UCSR0B = (1<<RXEN0) | (1<<TXEN0);
UCSR0C = (1<<UCSZ00) | (1<<UCSZ01);

启用内部上拉电阻，在D0(RX)，来降低线路噪声:

DDRD &= ~_BV(PIND0);
PORTD |= _BV(PIND0);

使用ICSP烧写Bootloader

本节针对你的设备是空的，没有Bootloader。已经有Arduino Bootloader的可以直接跳过不看。一个简单的检查是否有Bootloader的方法是复位后PIN13的等会闪3次。

什么是Bootloader

Bootloader是一种在特定存储区域的程序(bootloader区)，其基本任务是接收新的固件，并存储到AVR的Flash存储器(程序存储器)。每个Bootloader都是针对特定设备的，使用特殊的协议。所有这些配置参数必须与主机编程器匹配(avrdude)。 avrdude可以用多种类型的协议，支持多种连接(串口、并口、USB、...)。

一个例子是ATmega168在16MHz，stk500v1协议，19200-8N1串口的Bootloader： http://www.javiervalcarce.eu/pub/avr/ATmegaBOOT_168_ng.hex。

按照如下步骤来烧写到AVR设备。更换其他操作系统，如Windows就是将/dev/parport0替换为LPT1，并安装giveio.sys即可。

(解释如何编译Bootloader，而不是提供预编译的)

连接到并口编程器dapa和ICSP，然后供电:

$ # write the following fuse bits: efuse=0x00, hfuse=0xdd, lfuse=0xff
$ # write the following fuse bits: lock=0x3f (unlock boot section)
$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U flash:w:ATmegaBOOT_168_ng.hex
$ # write the following fuse bits: lock=0x0f (lock boot section)

在烧写镜像之前，先把熔丝设置成：使用外部晶振、禁用时钟分频、最大化Bootloader段等。然后烧写ATmegaBOOT_168_ng.hex到AVR。对于熔丝位，参考手册。

要访问并口，必须在lp组，修改/etc/group并退出会话来让改变生效。

读取熔丝位

$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U efuse:r:-:h #read efuse
$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U hfuse:r:-:h #read hfuse
$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U lfuse:r:-:h #read lfuse
$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U signature:r:-:h #读取设备签名

最后一个命令仅用于确认数据线正确连接。ATmega168的签名是0x1e, 0x94, 0x06。

写入熔丝位

$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U efuse:w:0xff:m #写0xff到efuse
$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U hfuse:w:0xff:m #写0xff到hfuse
$ avrdude -c dapa -p m168 -P /dev/parport0 115000 -U lfuse:w:0xff:m #写0xff到lfuse

译者补充

对于较新的Arduino，常用的芯片ATmega328P对应的器件名字叫"atmega328p"
avrdude烧写时的编程器为"arduino"，波特率为57600，即完整命令:

avrdude -c arduino -p atmega328p -P /dev/tty.SLAB_USBtoUART -b 57600 -F -u -U flash:xxx.he