Aktuelle Version vom 14. September 2014, 08:48 Uhr

avr-gcc ist ein freier C-Compiler, mit dem C-Programme zu ausführbaren Programmen übersetzen werden können, die auf Microcontrollern der AVR-Familie lauffähig sind. An Sprachen versteht avr-gcc sowohl C als auch C++. Neben Standard-C bzw. ANSI-C versteht avr-gcc auch GNU-C, das etwas mehr Möglichkeiten und kleinere Spracherweiterungen bietet.

avr-gcc kann auch dazu verwendet werden, um C/C++ Programme nach Assembler zu übersetzen oder um Bibliotheken zu erstellen, die später in unterschiedlichen Projekten verwendet werden können.

Wie bei allen aus der UNIX-Welt kommenden Programmen ist das Kommando-Interface von avr-gcc die Shell bzw. die Kommandozeile, über die Optionen, Parameter, Einstellungen und die Namen der zu übersetzenden Dateien angegeben werden.

How to Read

Dieser Artikel bespricht avr-gcc Version 3.x. Er ist kein C-Tutorial und kein AVR-Handbuch – das würde den Umfang des Artikels bei weitem sprengen.

Der Artikel ist ein Handbuch zu avr-gcc. Er bespricht zum Beispiel, wie avr-gcc angenwendet wird und Besonderheiten von avr-gcc-C, die nicht zum Sprachumfang von C gehören. Dazu zählen die Definition von Interrupt Service Routinen (ISRs) oder wie man Daten ins EEPROM legt.

Es wird also besprochen, wie eine ISR zu definieren ist, aber nicht, warum das gegebenenfalls notwendig oder nicht notwendig ist. Warum etwas gemacht wird, ist abhängig von der gestellten Aufgabe, etwa "Initialisiere den UART zur Benutzung mit 9600 Baud". Dafür enthält dieser Artikel zusammen mit dem AVR-Handbuch das Rüstzeug, bietet aber keine Lösungen für konkrete Aufgaben.

Neben diesem Artikel gibt es den Unterartikel Interna von avr-gcc wo Dinge wie die Registerverwendung, Attribute, Builtins und Sections von avr-gcc dargestellt werden. Zudem findet sich dort ein Überblick über die Arbeitsweise von gcc mit den Schritten

• Precompilieren
• Compilieren
• Assemblieren
• Linken

Ein weiterer Unterartikel widmet sich dem Thema Inline-Assembler in avr-gcc.

In den C-Codebeispielen befindet sich das ausführlichere Beispiel "Hallo Welt für AVR (LED blinken)", das nur eine LED blinkt und zeigt, wie ein kleines Projekt mit avr-gcc compiliert werden kann.

Es gibt ein C-Tutorial, das jedoch noch unvollständig und teilweise feherhaft ist (Stand 02/2006). Darüber hinaus gibt es ein C-Tutorial bei www.mikrocontroller.net.

Benutzer-Schnittstelle

Die Benutzer-Schnittstelle von avr-gcc ist – wie für alle Programme, die aus der UNIX-Welt kommen – die Kommandozeile einer Shell, Console bzw. Eingabeaufforderung.

Im einfachsten Fall sieht ein Aufruf von avr-gcc also so aus:

> avr-gcc

Dabei das '>' nicht mittippen, und ein ENTER am Ende der Zeile drücken. Die Antwort bei korrekter Installation ist dann

avr-gcc: no input files

Was bedeutet: das Programm avr-gcc wurde vom Betriebssystem gefunden und konnte/durfte gestartet werden. Dann gibt avr-gcc eine Fehlermeldung aus und beendet die Ausführung, weil er keine Eingabedatei(en) bekommen hat – was ja auch stimmt. Soweit ist also alles in Butter.

Um eine C-Datei foo.c mir avr-gcc optimiert zu einem lauffähigen elf-Programm foo.elf für einen ATmega32 zu compileren, würde man angeben

> avr-gcc -Os -mmcu=atmega32 foo.c -o foo.elf

Hat man seine Quellen auf zwei oder mehre Dateien verteilt, geht es analog:

> avr-gcc -Os -mmcu=atmega32 foo.c foo2.c -o foo.elf

Will man nur eine Objekt-Datei erstellen (nur compilieren, nicht linken), dann geht das wie folgt. Das kann günstig sein bei grösseren Projekten, wenn man das Projekt neu erzeugen will, aber nur in einer Quelldatei was geändert hat. Oder wenn das Objekt in einer Bibliothek landen soll.

> avr-gcc -Os -c -mmcu=atmega32 foo.c -o foo.o

Die ausführbare Gesamtdatei foo_all.elf erhält man dann, indem alle Objekte zusammenlinkt:

> avr-gcc -mmcu=atmega32 foo.o foo2.o foo3.o -o foo_all.elf

Um die ausführbare Datei in das oft verwendete Intex-HEX-Format umzuwandeln (einmal fürs Programm, einmal für ein Abbild des EEPROMs) gibt man an:

> avr-objcopy -O ihex -j .text -j .data                         foo_all.elf  foo_all.hex
> avr-objcopy -O ihex -j .eeprom --change-section-lma .eeprom=1 foo_all.elf  foo_all_eeprom.hex

GCC war immer Kommandozeilen-orientiert und wird es auch immer bleiben, denn das hat gute Gründe:

• ein Compiler ist ein Compiler (und keine grafische Bedienschnittstelle)
• die Plattformabhängigkeit wird auf ein Minimum reduziert
• es gibt die Möglichkeit, avr-gcc per Skript oder make zu starten
• avr-gcc kann durchaus in eine Umgebung integriert werden: in einen Editor oder in eine GUI wie neuere Versionen von AVR-Studio erfolgreich beweisen, etc. Der avr-gcc-Aufruf kann sogar von einem Server-Socket oder einer Web-Application heraus erfolgen, welche ein C-Programm empfängt, es von avr-gcc übersetzen lässt, und das Resultat zurückschickt oder sonst was damit anstellt.
• Lizenzgründe: eine Umgebung, die avr-gcc integriert, kann durchaus proprietär oder nicht quelloffen sein und muss nicht der GPL unterliegen. Wieder ist AVR-Studio ein Beispiel.

Unterstützte AVR-Derivate

→ GCC Manual: AVR Options

Diese Liste der unterstützten Devices kann man anzeigen lassen mit

> avr-gcc --target-help

bzw. ab Version 4.7 mit

> avr-gcc --help=target

Siehe auch "AVR Options" in der GCC Dokumentation.

Kommandozeilen-Optionen

Die Codegenerierung bei avr-gcc wird über Kommandozeilen-Optionen gesteuert. Diese legen fest, für welchen Controller Code zu erzeugen ist, wie stark optimiert wird, ob Debug-Informationen erzeugt werden, etc. Die Optionen teilen sich in zwei Gruppen: Optionen, die für alle GCC-Ports verfürgbar sind und maschinenspezifische Optionen, die nur für AVR verfügbar sind.

Aus der Masse an GCC-Optionen kann hier nur ein kleiner Auszug der wichtigsten und am häufigsten verwendeten Optionen vorgestellt werden. Eine Auflistung aller GCC-Optionen mit Kurzbeschreibung umfasst knapp 1000 Zeilen – ohne undokumentierte Optionen, versteht sich.

Allgemeine Optionen für GCC

--help

Anzeige der wichtigsten Optionen

--help -v

Überschüttet einen mit Optionen

--target-help
--help=target

Anzeige der wichtigsten maschinenspezifischen Optionen und der unterstützten AVR-Derivate

-O0

keine Optimierung - sinnvoll zum debuggen

-O1

Optimierung

-Os

optimiert für Code-Größe – meist beste Wahl für µCs

-O2

stärkere Optimierung für bessere Laufzeit

-g

erzeugt Debug-Informationen

-gdwarf-3 -gstrict-dwarf

erzeugt Debug-Informationen nachdem DWARF-3 Standard und ohne GNU-spezifische Erweiterungen.

-c

(pre)compilert und assembliert nur bis zum Objekt (*.o), kein Link-Lauf

-S

(pre)compilert nur und erzeugt Assembler-Ausgabe (*.s)

-E

nur Precompilat (*.i bzw. *.ii) erzeugen, kein Compilieren, kein Assemblieren, kein Linken

-o <filename>

legt den Name der Ausgabedatei fest

-v

zeigt Versionsinformationen an und ist geschwätzig (verbose): Anzeige der aufgerufenen tools

-I<path>

Angabe eines weiteren Include-Pfads, in dem Dateien mit #include <...> gesucht werden

-E -dM <filename>

Anzeige aller Defines

-MM

Für die angegebenen Eingabe-Dateien wird eine Ausgabe erzeugt, die als Makefile-Fragment dienen kann und die Anhängigkeiten (dependencies) der Objekte von den Quellen/Headern beschreibt.

-D<name>

Definiert Makro <name>

-D<name>=<wert>

Definiert Makro <name> zu <wert>

-U<name>

Undefiniert Makro <name>

-save-temps

Temporäre Dateien (*.i, *.s) werden nicht gelöscht.

-Wa,<options>

übergibt Komma-getrennte Liste <options> an den Assembler (avr-as)

-Wa,-a=<filename>

Assembler erzeugt ein Listing mit Name <filename>

-Wp,<options>

übergibt Komma-getrennte Liste <options> an den Preprozessor

-Wl,<options>

übergibt Komma-getrennte Liste <options> an den Linker (avr-ld)

-Wl,-Map=<filename>

Linker erzeugt ein Map-File mit Name <filename>

-Wl,--section-start=<section>=<address>

Linker legt die Section <section> ab Adresse <address>, z.B: .eeprom=0x810001

-Wall

gibt mehr Warnungen, aber immer noch nicht alle

-std=gnu99

Sagt dem Compiler, dass er C99 mit GNU-C Erweiterungen akzeptieren soll. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn man Embedded-C Code mit __flash verwenden will.

-std=c89
-ansi

bricht mit einer Fehlermeldung ab, wenn kein ANSI-C (ISO C89) verwendet wurde

-std=c99

C99 mit einigen Erweiterungen, die nicht dem C99-Standard widersprechen

-std=c99 -pedantic

Bricht mit einer Fehlermeldung ab, wenn kein ISO C99 verwendet wird

Maschinenspezifische Optionen für avr-gcc

Maschinenabhängige Optionen beginnen immer mit -m

-mmcu=xxx

Festlegen des Targets (Zielsystem/Controller), für das Code generiert werden soll. Je nach Target muss avr-gcc unterschiedliche Instruktionen verwenden und andere Startup-Dateien (crtxxx.o) einbinden. avr-gcc setzt spezielle Defines, um auch in der Quelle zwischen den Targets unterscheiden zu können, falls das notwendig sein sollte:

#ifdef __AVR_AT90S2313__ /* Code fuer AT90S2313 */ #elif defined (__AVR_ATmega8__) || defined (__AVR_ATmega32__) /* Code fuer Mega8 und Mega32 */ #else #error Das ist noch nicht implementiert für diesen Controller! #endif

Zwar gibt es für alle AVR-Derivate die avr/io.h, aber die AVR-Familien unterscheiden sich in ihrer Hardware; z.B. darin, wie I/O-Register heissen oder wie Hardware zu initialisieren ist. Diese Abhängigkeit kann man in unterschiedlichen Codestücken aufteilen und wie oben gezeigt bedingt übersetzen. Dadurch hat man Funktionalitäten wie uart_init auf unterschiedlichen Controllern und wahrt den Überblick, weil nicht für jede Controller-Familie eine extra Datei notwendig ist.

Built-in Makros wie __AVR_ATmega8__ und __AVR_ARCH__ sind ab Version 4.7 im Kapitel "AVR Options" in der GCC Dokumentation erklärt, siehe z.B. "AVR Built-in Macros".

-mint8

Datentyp int ist nur 8 Bit breit anstatt 16 Bit. Datentypen mit 64 Bit sind nicht verfügbar. 8-Bit int ist nicht C-Standard konform und wird nicht von der AVR Libc unterstützt (ausser in stdint.h).

-mno-interrupts

Ändert den Stackpointer ohne Interrupts zu deaktivieren

-mcall-prologues

Funktions-Prolog und -Epilog werden als Unterroutinen umgesetzt, um die Codegröße zu verkleinern

-mtiny-stack

Nur die unteren 8 Bit des Stackpointers werden verändert

C++

"C++ is a complex language and an evolving one, and its standard definition (the ISO C++ standard) was only recently completed. As a result, your C++ compiler may occasionally surprise you, even when its behavior is correct."

Zudem sollte der Einsatz von C++ aus Effizienzgründen sehr kritisch betrachtet werden:

"When programming C++ in space- and runtime-sensitive environments like microcontrollers, extra care should be taken to avoid unwanted side effects of the C++ calling conventions like implied copy constructors that could be called upon function invocation etc. These things could easily add up into a considerable amount of time and program memory wasted. Thus, casual inspection of the generated assembler code (using the -S compiler option) seems to be warranted."

Weiterhin unterliegt der Einsatz von C++ je nach Compiler/Lib-Version bestimmten Einschränkungen:

• Einer kompletten C++ Implementierung fehlt die Unterstützung durch die libstdc++, dadurch fehlen Standardfunktionen, -Klassen und -Templates
• Die Operatoren new und delete sind nicht implementiert, ihre Verwendung führt zu unauflösbaren externen Referenzen (Linker-Fehler)
• Nicht alle Header sind C++-sicher und müssen in extern "C" {...} eingeschlossen werden.
• Exceptions werden nicht unterstützt und müssen via -fno-exceptions abgeschaltet werden, oder der Linker beschwert sich über eine unauflösbare externe Referenz zu __gxx_personality_sj0.

Als Treiber verwendet man wie immer avr-gcc. Standard-Endungen für C++ sind .c++ und .cpp. Bei anderen Endungen teilt man mit -x c++ mit, daß es sich um C++ Dateien handelt, oder ruft avr-c++ direkt auf.

Interrupt-Service-Routinen (ISRs) sind C-Funktionen und werden definiert wie gehabt. Siehe auch Interrupts.

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#if defined (__cplusplus)
extern "C" {
#endif /* __cplusplus */

SIGNAL (SIG_NAME)
{
   /* machwas */
}

INTERRUPT (SIG_NAME)
{
   /* mach was */
}

#if defined (__cplusplus)
}
#endif /* __cplusplus */

__cplusplus ist ein Standard GCC-Builtin-Define.

Globale Konstruktoren werden in Section .init6 ausgeführt, die Destruktoren in .fini6.

Code-Beispiele

Dieser Abschnitt enthält Code-Schnippsel für avr-gcc. Es werden Besonderheiten besprochen, die für avr-gcc zu beachten sind.

Dieser Abschnitt ist kein Tutorial zur C-Programmierung und keine Einführung in die Programmiersprache C im allgemeinen. Dafür sei auf einschlägige Tutorials/Bücher verwiesen.

Zugriff auf Special Function Registers (SFRs)

Zugiff auf Bytes und Worte

Für den Zugriff auf die SFRs gibt es Defines über den Include

#include <avr/io.h>

Abhängig vom eingestellten Controller werden dann Defines eingebunden, über die auf SFRs wie auf normale Variablen zugegriffen werden kann. Die Namen der Defines sind i.d.R. die gleichen wie im AVR-Manual, also z.b. SREG für das Prozessorstatus-Register SREG:

#include <avr/io.h>

...
  // SREG lesen
  uint8_t sreg = SREG;
  ...
  // SREG schreiben
  SREG = sreg;

Für einen Überblick über die eingebundenen Defines kann ein Blick in den Controller-spezifischen Header hilfreich sein. Dieser befindet sich in

<GCC_HOME>/avr/include/avr/io****.h

z.B. iom32.h für einen ATmega32.

Dieser Zugriff geht auch für 16-Bit Register wie TCNT1 oder ADC, für die eine bestimmte Reihenfolge für den Zugriff auf Low- und High-Teil eingehalten werden muss: avr-gcc generiert die Zugriffe in der richtigen Reihenfolge.

 uint16_t tcnt1 = TCNT1;

Zugriff auf einzelne Bits

Zugriff auf Bits geht wie gewohnt mit den Bitoperationen & (and), | (or), ^ (xor) und ~ (not)

Wieder gibt es Defines in den AVR-Headern, mit denen man Masken für den Zugriff erhalten kann, etwa:

/* GIMSK / GICR */
#define INT1    7
#define INT0    6
#define IVSEL   1
#define IVCE    0

Masken ergeben sich durch Schieben von 1 an die richtige Position:

// Ports B_0 und B_1 als Ausgang
DDRB |= (1<<PB0) | (1<<PB1);

erzeugt

87 b3           in      r24, 0x17
83 60           ori     r24, 0x03
87 bb           out     0x17, r24

Etwas anders sieht der Code aus, wenn die Bits einzeln gesetzt werden und das Register im bitadressierbaren Bereich liegt (SRAM 0x20 bis 0x3f resp. I/O 0x0 bis 0x1f):

// Ports B_0 und B_1 als Ausgang
DDRB |= (1<<PB0);
DDRB |= (1<<PB1);

erzeugt

b8 9a           sbi     0x17, 0
b9 9a           sbi     0x17, 1

Um Bits zu löschen, erzeugt man eine Maske, die an der betreffenden Stelle eine  0 hat:

// Ports B_2 als Eingang
DDRB &= ~(1<<PB2);

// toggle PORT B_0: wechseln 0 <--> 1 
PORTB ^= (1<<PB0);

88 b3           in      r24, 0x18
; Wenn hier ein Interrupt auftritt, in dessen ISR PORTB verändert wird,
; dann wird die Änderung durch die letzte Instruktion wieder überschrieben!
91 e0           ldi     r25, 0x01
; dito
89 27           eor     r24, r25
; dito
88 bb           out     0x18, r24

Auch das Lesen einzelner Port-Pins geht über das Maskieren von SFRs:

DDRB &= ~(1 << PB2);    // PortB.2 als INPUT 

if (PINB & (1 << PB2))
   // PortB.2 ist HIGH
else
   // PortB.2 ist LOW


if (!(PINB & (1 << PB2)))
   // PortB.2 ist LOW
else
   // PortB.2 ist HIGH

Interrupts

→ AVR-Libc: Dokumentation zu <avr/interrupt.h>.

Um zu kennzeichnen, daß es sich bei einer Funktion um eine Interrupt Sevice Routine (ISR) handelt, gibt es spezielle Attribute. Diese brauchen nicht explizit hingeschrieben zu werden, ebensowenig wie die genaue Nummer des Interrupt Requests (IRQ). Dafür gibt es Includes aus der AVR Libc und die folgenden Makros.

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

// Eine nichtunterbrechbare Interrupt-Service-Routine
ISR (TIMER1_COMPA_vect)
{
   // ISR-Code
}

// Eine unterbrechbare Interrupt-Service-Routine
ISR (TIMER0_OVF_vect, ISR_NOBLOCK)
{
   // ISR-Code
}

Dadurch wird die Funktion mit dem richtigen Prolog/Epilog erzeugt, und es wird ein Eintrag in die Interrupt-Vektortabelle gemacht – bei obigem Beispiel also zwei Einträge.

Mit Ausführung einer ISR deaktiviert die AVR-Hardware die Interrupts, so daß die ISR nicht durch andere Interrupt-Anforderungen unterbrochen wird. Beim Verlassen der ISR werden Interrupts wieder automatisch durch die AVR-Hardware aktiviert. Tritt während der ISR ein IRQ auf, wird diese erst nach Beenden des ISR-Codes ausgeführt. Der Interrupt geht also nicht verloren. Dies gilt allerding nicht für Level-getriggerte IRQs wie für manche externen Interrupts oder TWI-Interrupts.

Zwischen zwei ISRs wird zusätzlich mindestens ein Befehl des normalen Programm-Codes abgearbeitet.

Nachschlagen kann man die ISR-Namen im Device-spezifischen Header, die im Installationsverzeichnis liegen:

<GCC_HOME>/avr/include/avr/ioxxxx.h

Interrupts aktivieren

Damit eine ISR überhaupt zur Ausführung kommt, müssen drei Bedingungen erfüllt sein

• Interrupts müssen global aktiviert sein
• Der entsprechen IRQ muss aktiviert worden sein
• Das zum IRQ gehörende Ereignis muss eintreten

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

   ...
   // enable OutputCompareA Interrupt für Timer1
   TIMSK |= (1 << OCIE1A);

   // disable OutputCompareA Interrupt für Timer1
   TIMSK &= ~(1 << OCIE1A);

   // Interrupts aktivieren
   sei();

   // Interrupts abschalten
   cli();

Sperrt man eine Code-Sequenz durch Einschachteln in ein cli/sei Paar (man macht das Codestück "atomar", also ununterbrechbar), gehen währenddessen keine Interrupt-Anforderungen verloren. Die entsprechenden IRQ-Flags bleiben gesetzt, und nach dem sei werden die IRQs in der Reihenfolge ihrer Prioritäten abgearbeitet. Ausnahme ist, wenn in einem atomaren Block der selbe IRQ mehrfach auftritt. Der ISR-Code wird dann trotzdem nur einmal ausgeführt.

default Interrupt

Für nicht implementierte Interrupts macht avr-gcc in die Vektortabelle einen Eintrag, der zu __bad_interrupt (definiert im Startup-Code crt*.o) springt und von dort aus weiter zu Adresse 0. Dadurch läuft der AVR wieder von neuem los, wenn ein Interrupt auftritt, zu dem man keine ISR definiert hat – allerdings ohne die Hardware zurückzusetzen wie bei einem echten Reset.

Möchte man diesen Fall abfangen, dann geht das über eine globale Funktion namens __vector_default:

#include <avr/interrupt.h>

ISR (__vector_default)
  ...

Damit wird von __bad_interrupt aus nicht nach Adresse 0 gesprungen, sondern weiter zu __vector_default, welches durch ISR() den üblichen ISR-Prolog/Epilog bekommt.

So kann man z.B. eine Meldung ausgeben, eine Warnlampe blinken, in einer Endlosschleife landen, oder über den Watchdog einen richtigen Hardware-Reset auslösen, siehe auch Abschnitt "Reset auslösen".

ISR mit eigenem Prolog/Epilog

Wenn man in einer ISR komplett eigenes Zeug machen will, dann definiert man eine naked Funktion. Mit naked befreit man die Routine vom Standard-Prolog/Epilog.

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (TIMER0_OVF_vect, ISR_NAKED)
{
   // Port B.6 = 0
   // Diese Instruktion verändert nicht das SREG und kein anderes Register
   // so daß der eigentliche Code nur 1 Befehl lang ist
   __asm__ __volatile (
      "cbi %0, %1" "\n\t"
      "reti"
         : 
         : "M" (_SFR_IO_ADDR (PORTB)), "i" (6)
   );
}

Siehe auch Inline-Assembler in avr-gcc. Die ISR sieht dann so aus:

__vector_9:
   c6 98        cbi   0x18, 6
   18 95        reti

Wiederum kann man als Funktionsname __vector_default nehmen, um nicht-implementierte IRQs abzufangen:

void __attribute__ ((naked, used))
__vector_default (void)
 ...

SRAM, Flash, EEPROM: Datenablage am Beispiel Strings

Die Programmiersprache C kennt selber keine Strings; das einzige, was C bekannt ist, ist der Datentyp char, der ein einzelnes Zeichen repräsentiert.