'''avr-gcc''' ist ein freier C-[[Compiler]], mit dem C-Programme zu ausführbaren Programmen übersetzen werden können, die auf [[Microcontroller]]n der [[AVR]]-Familie lauffähig sind.

An Sprachen versteht avr-gcc sowohl C als auch [[#C%2b%2b|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.

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"''.

bietet aber keine Lösungen für konkrete Aufgaben.

Neben diesem Artikel gibt es den Unterartikel [[avr-gcc/Interna|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

In den [[:Kategorie:Quellcode C|C-Codebeispielen]]

das nur eine [[Diode#Lumineszenzdiode|LED]] blinkt und zeigt,

wie ein kleines Projekt mit avr-gcc compiliert werden kann.

=Benutzer-Schnittstelle=

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

> avr-gcc

Dabei das '<tt>></tt>' nicht mittippen, und ein ENTER am Ende der Zeile drücken.

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 &#150; was ja auch stimmt. Soweit ist also alles in Butter.

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.

Die ausführbare Gesamtdatei <tt>foo_all.elf</tt> erhält man dann, indem alle Objekte zusammenlinkt:

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

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

----

= Unterstützte AVR-Derivate=

> avr-gcc --target-help

bzw. ab Version 4.7 mit

> avr-gcc --help=target

Siehe auch "AVR Options" in der GCC [[#Dokumentation|Dokumentation]].

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 &#150; ohne undokumentierte Optionen, versteht sich.

; <tt>--help</tt>: Anzeige der wichtigsten Optionen

; <tt>--help -v</tt>: Überschüttet einen mit Optionen

; <tt>--target-help<br/>--help=target</tt>: Anzeige der wichtigsten maschinenspezifischen Optionen und der unterstützten AVR-Derivate

; <tt>-O0</tt>: keine Optimierung - sinnvoll zum debuggen

; <tt>-O1</tt>: Optimierung

; <tt>-Os</tt>: optimiert für Code-Größe – meist beste Wahl für µCs

; <tt>-O2</tt>: stärkere Optimierung für bessere Laufzeit

; <tt>-g</tt>: erzeugt Debug-Informationen

; <tt>-gdwarf-3 -gstrict-dwarf</tt>: erzeugt Debug-Informationen nachdem DWARF-3 Standard und ohne GNU-spezifische Erweiterungen.

; <tt>-c</tt>: (pre)compilert und assembliert nur bis zum Objekt (<tt>*.o</tt>), kein Link-Lauf

; <tt>-S</tt>: (pre)compilert nur und erzeugt Assembler-Ausgabe (<tt>*.s</tt>)

; <tt>-E</tt>: nur Precompilat (<tt>*.i</tt> bzw. <tt>*.ii</tt>) erzeugen, kein Compilieren, kein Assemblieren, kein Linken

; <tt>-o <filename></tt>: legt den Name der Ausgabedatei fest

; <tt>-v</tt>: zeigt Versionsinformationen an und ist geschwätzig (verbose): Anzeige der aufgerufenen tools

; <tt>-I<path></tt>: Angabe eines weiteren Include-Pfads, in dem Dateien mit <tt>#include <...></tt> gesucht werden

; <tt>-E -dM <filename></tt>: Anzeige aller Defines

; <tt>-MM</tt>: Für die angegebenen Eingabe-Dateien wird eine Ausgabe erzeugt, die als [[make|Makefile]]-Fragment dienen kann und die Anhängigkeiten (dependencies) der Objekte von den Quellen/Headern beschreibt.

; <tt>-D<name></tt>: Definiert Makro <tt><name></tt>

; <tt>-D<name>=<wert></tt>: Definiert Makro <tt><name></tt> zu <tt><wert></tt>

; <tt>-U<name></tt>: Undefiniert Makro <tt><name></tt>

; <tt>-save-temps</tt>: Temporäre Dateien (<tt>*.i</tt>, <tt>*.s</tt>) werden nicht gelöscht.

; <tt>-Wa,<options></tt>: übergibt Komma-getrennte Liste <tt><options></tt> an den Assembler (<tt>avr-as</tt>)

:;<tt>-Wa,-a=<filename></tt>: Assembler erzeugt ein Listing mit Name <tt><filename></tt>

; <tt>-Wp,<options></tt>:  übergibt Komma-getrennte Liste <tt><options></tt> an den Preprozessor

; <tt>-Wl,<options></tt>:  übergibt Komma-getrennte Liste <tt><options></tt> an den Linker (<tt>avr-ld</tt>)

:;<tt>-Wl,-Map=<filename></tt>: Linker erzeugt ein Map-File mit Name <tt><filename></tt>

; <tt>-std=c89<br/>-ansi</tt>: bricht mit einer Fehlermeldung ab, wenn kein ANSI-C (ISO C89) verwendet wurde

; <tt>-std=c99</tt>: C99 mit einigen Erweiterungen, die nicht dem C99-Standard widersprechen

; <tt>-std=c99 -pedantic</tt>: Bricht mit einer Fehlermeldung ab, wenn kein ISO C99 verwendet wird

;-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 (<tt>crtxxx.o</tt>) einbinden. avr-gcc setzt spezielle Defines, um auch in der Quelle zwischen den Targets unterscheiden zu können, falls das notwendig sein sollte:  

:{| border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"

<pre>

#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

</pre>

: Zwar gibt es für alle AVR-Derivate die <tt>avr/io.h</tt>, 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 <tt>uart_init</tt> auf unterschiedlichen Controllern und wahrt den Überblick, weil nicht für jede Controller-Familie eine extra Datei notwendig ist.

: Built-in Makros wie <tt>__AVR_ATmega8__</tt> und <tt>__AVR_ARCH__</tt> sind ab Version 4.7 im Kapitel "AVR Options" in der GCC [[#Dokumentation|Dokumentation]] erklärt, siehe z.B. [http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/AVR-Options.html "AVR Built-in Macros"].

; -mint8: Datentyp <tt>int</tt> ist nur 8 Bit breit anstatt 16 Bit. Datentypen mit 64 Bit sind nicht verfügbar. 8-Bit <tt>int</tt> ist nicht C-Standard konform und wird nicht von der AVR Libc unterstützt (ausser in <tt>stdint.h</tt>).

=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 <tt>-S</tt> 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 <tt>libstdc++</tt>, dadurch fehlen Standardfunktionen, -Klassen und -Templates

* Die Operatoren <tt>new</tt> und <tt>delete</tt> sind nicht implementiert, ihre Verwendung führt zu unauflösbaren externen Referenzen (Linker-Fehler)

*Nicht alle Header sind C++-sicher und müssen in <tt>extern "C" {...}</tt> eingeschlossen werden.

*Exceptions werden nicht unterstützt und müssen via <tt>-fno-exceptions</tt> abgeschaltet werden, oder der Linker beschwert sich über eine unauflösbare externe Referenz zu <tt>__gxx_personality_sj0</tt>.

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

Globale Konstruktoren werden in [[avr-gcc/Interna#Sections|Section]] <tt>.init6</tt> ausgeführt, die Destruktoren in <tt>.fini6</tt>.

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

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

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. <tt>SREG</tt> für das Prozessorstatus-Register SREG:

#include <avr/io.h>

...

   {{ccomment|SREG lesen}}

   {{ccomment|SREG schreiben}}

Das bedeutet in etwa: "Lies ein flüchtiges (<tt>volatile</tt>) Byte (<tt>unsigned char</tt>) von Adresse <tt>0x5f</tt>". Der Speicherinhalt von SFRs ist flüchtig, denn er kann sich ändern, ohne daß avr-gcc dies mitbekommt. Daher muss bei jedem C-Zugriff auf ein SFR dieses wirklich gelesen/geschrieben werden, was der Qualifier <tt>volatile</tt> sicherstellt. Ansonst geht der Compiler u.U. davon aus, daß der Inhalt bekannt ist und verwendet einen alten, in einem GPR befindlichen Wert.

:<tt> &lt;GCC_HOME&gt;/avr/include/avr/io****.h</tt>

Dieser Zugriff geht auch für 16-Bit Register wie <tt>TCNT1</tt> oder <tt>ADC</tt>, 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.

 

Zu beachten ist, daß dieser Zugriff nicht atomar erfolgt. Das Lesen/Schreiben mehrbytiger Werte muss vom Compiler in mehrere Byte-Zugriffe zerlegt werden. Zwischen diesen Zugriffen kann ein [[Interrupt]] auftreten, wenn Interrupts aktiviert sind. Je nach Programm und welche Aufgaben eine [[ISR]] erledigt, kann dies zu Fehlfunktion führen. In dem Fall müssen diese Code-Stücke atomar gemacht werden, damit sie nicht durch einen [[IRQ]] unterbrochen werden können!

<tt>&amp;</tt> (and),

<tt>|</tt> (or),

<tt>^</tt> (xor) und

<tt>~</tt> (not)

#define INT1   7

#define INT0   6

#define IVSEL   1

#define IVCE   0

Masken ergeben sich durch Schieben von <tt>1</tt> an die richtige Position:

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 <tt>0x20</tt> bis <tt>0x3f</tt> resp. I/O <tt>0x0</tt> bis <tt>0x1f</tt>):

b8 9a           sbi     0x17, 0

b9 9a           sbi     0x17, 1

88 b3           in     r24, 0x18

91 e0           ldi     r25, 0x01

89 27           eor     r24, r25

88 bb           out     0x18, r24

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

 

if (PINB & (1 << PB2))

  // PortB.2 ist LOW

if (!(PINB & (1 << PB2)))

   // PortB.2 ist LOW

: → ''[http://nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html AVR-Libc: Dokumentation zu <tt><avr/interrupt.h></tt>].

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.

{{ccomment|Eine nichtunterbrechbare Interrupt-Service-Routine}}

ISR (TIMER1_COMPA_vect)

 

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:

  ...

</pre>

Damit wird von <tt>__bad_interrupt</tt> aus nicht nach Adresse&nbsp;0 gesprungen,

sondern weiter zu <tt>__vector_default</tt>, welches durch <tt>ISR()</tt> den üblichen ISR-Prolog/Epilog bekommt.

===ISR mit eigenem Prolog/Epilog===

Mit <tt>naked</tt> befreit man die Routine vom Standard-Prolog/Epilog.

Dabei ist darauf zu achten, daß die ISR mit <tt>reti</tt> (return from interrupt)  

 

    {{ccomment|Port B.6 &#61; 0}}

 

 

==SRAM, Flash, EEPROM: Datenablage am Beispiel Strings==

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

Ein String im Sinne von C ist ein Array von Charactern bzw. ein Zeiger auf den Anfang des Arrays. Die einzelnen Zeichen folgen im Speicher direkt aufeinander und werden in aufsteigenden Adressen gespeichert. Am String-Ende folgt als Abschluss der Character <tt>'\0'</tt>, um das Ende zu kennzeichnen. Dies ist besonders bei der Berechnung des Speicherplatzes für Strings zu berücksichtigen, denn für die 0 muss auch Platz reserviert werden.

  /* Bestimmt die Laenge des Strings ohne die abschliessende '\0' zu zaehlen */

Die Stringlänge kann auch mit der Standard-Funktion <tt>strlen</tt> bestimmt werden, deren Prototyp sich in <tt>string.h</tt> befindet:

dann werden die Strings im SRAM abgelegt. Im Startup-Code werden die Strings vom Flash ins SRAM kopiert und belegen daher sowohl Platz im SRAM als auch im Flash. Wird ein String nicht verändert, braucht er nicht ins SRAM kopiert zu werden. Das spart Platz im knapp bemessenen SRAM. Allerdings muss anders auf den String zugegriffen werden, denn wegen der Harvard-Architektur des AVR-Kerns kann avr-gcc anhand der Adresse nicht unterscheiden, ob diese ins SRAM, ins Flash oder ins EEPROM zeigt.

  const char str3[] PROGMEM = "Hallo Welt!";

  size_t strlen_P (const char *str)

     size_t len = 0;

  void foo (void)

     size_t len;

     len = strlen_P (PSTR ("String im Flash"));

  const char str4[] EEMEM = "Hallo Welt!";

  size_t strlen_EE (const char *str)

     size_t len = 0;

==Reset auslösen==

Falls ein Reset per Software ausgelöst werden soll, dann geht das am besten über den [[Watchdog]].

Einfach nur an den Reset-Punkt an Adresse&nbsp;0 zu springen

initialisiert zwar den Controller von neuem, aber es macht keinen wirkliches RESET mit Zurücksetzen der Hardware und allen I/O-Registern.  

Durch den Watchdog kann man ein 'richtiges' RESET-Signal erzeugen lassen, so daß die AVR-Hardware genau so initialisiert ist, wie nach einem externen RESET. So kann man z.B. via [[UART]] ein RESET-Kommando schicken. Allerdings lässt sich der Watchdog nur minimal auf 15ms einstellen:

#include <avr/wdt.h>

#include <avr/interrupt.h>

Welches Ereignis einen RESET ausgelöst hat, kann man im Register '''MCUCSR''' (''MCU Control and Status Register'') erfahren. Es gibt 4 mögliche RESET-Quellen:

  {{ccomment| status informiert z.B. darüber, ob wir selber den Watchdog ausgelöst haben }}

uint8_t status __attribute__ ((__section__ (".noinit")));

int main (void)

    uint8_t mcucsr = MCUCSR;

    MCUCSR = 0;

    if (mcuscr & (1 << WDRF))

    {{ccomment|Power-On Reset: status auf definierten Wert setzen }}

    if (mcuscr & (1 << PORF))

        status = 0;

   

    {{ccomment|status auswerten }}

     ...