Avr-gcc

Für den GNU C-Compiler GCC ist ein Port für AVR verfügbar. GCC ist ein sehr leistungsfähiger Compiler, und er kann als die wichtigste freie Software überhaupt bezeichnet werden. Immerhin sind das freie Betriebssystem Linux und viele andere Programme – auch gcc und die Toolchains selbst – mit gcc generiert.

Im Gegensatz zu Bascom ist GCC ein reiner Compiler, bringt also keine umfangreiche Bibliothek an Funktionalitäten mit. Jedoch finden sich einige low-level Funktionen zum Lesen aus dem Flash oder Lesen/Schreiben des EEPROMs etc. in der avr-libc.

Allgemeine Charakteristika von avr-gcc

Größe des Typs int

der Standard-Typ int ist 16 Bit groß

Größe von Pointern

ein Pointer (Zeiger) ist 16 Bit groß

Endianess

avr-gcc implementiert Datentypen als little-endian, d.h. bei Datentypen, die mehrere Bytes groß sind, wird das niederwertigste Byte an der niedrigsten Adresse gespeichert. Dies gilt auch für Adressen und deren Ablage auf dem Stack sowie die Ablage von Werten, die mehrere Register belegen.

Ablauf der Codegenerierung

Übersichts-Grafik

Schritte der Codegenerierung

Die Code-Erzeugung durch avr-gcc geschieht in mehreren, voneinander relativ unabhängigen Schritten. Die einzelnen Schritte sind für den Anwender nicht immer direkt erkennbar. Für ein besseres Verständnis der Code-Generierung und zur Einordnung von Fehlermeldungen ist eine Kenntnis der Schritte jedoch hilfreich.

Ohne die Angabe spezieller Optionen werden die im folgenden erwähnten Zwischenformate nur als temporäre Dateien angelegt und nach Beenden des gcc-Laufs wieder gelöscht, so daß die Aufgliederung in die Unterschritte nicht auffällt. In diesem Falle müssen Assembler und Linker/Locator auch nicht explizit aufgerufen werden, sondern die Aufrufe erfolgen implizit durch gcc. Ausnahme ist avr-objcopy, welches immer explizit aufgerufen werden muss, wenn man z.B. eine HEX-Datei haben möchte.

Precompilerung

Zunächst werden alle Preprozessor-Direktiven aufgelöst. Dazu gehören Direktiven wie #include, #define, #if, #ifdef, etc. Der Vorgang des Precompilierens besteht also nur aus reinem Textersatz (z.B. Auflösen von Makros).

Compilierung

In diesem Schritt geschieht der eigentliche Compilier-Vorgang: avr-gcc übersetzt die reine, precompilierte C-Quelle (*.i) in Assembler (*.s).

Assemblierung

Der Assembler (avr-as) übersetzt den Assembler-Code (*.s) in das AVR-eigene Objektformat elf32-avr (*.o).

Linken und Lokatieren

Der Linker (avr-ld) bindet die angegebenen Objekte (*.o) zusammen und löst externe Referenzen auf. Der Linker entscheidet anhand der Beschreibung im Linker-Script, in welchen Speicheradressen und Sektionen die Daten landen. Module aus Bibliotheken (*.a) werden hinzugebunden und die elf32-avr Ausgabedatei (üblicherweise *.elf) erzeugt.

Umwandeln des Objekt-Formats

Linker und Assembler erzeugen ihre Ausgabe im Objektformat elf32-avr. Wird ein anderes Objektformat wie Intel-HEX (*.hex), binary (*.bin) oder srec (*.srec) benötigt, kann avr-objcopy dazu verwendet werden, um diese zu erstellem. Der Inhalt einzelner Sections kann gezielt umkopiert oder ausgeblendet werden, so daß Dateien erstellt werden können, die nur den Inhalt des Flashs (Section .text) oder des EEPROMs (Section .eeprom) repräsentieren. Durch das Umwandeln in ein anderes Objektformat gehen üblicherweise Informationen wie Debug-Informationen verloren.

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.

Allgemeine Optionen für GCC

--help

Anzeige der wichtigsten Optionen

--target-help

Anzeige der wichtigsten maschinenspezifischen Optionen

-O0

keine Optimierung

-O1

Optimierung

-Os

optimiert für Code-Größe

-O2

stärkere Optimierung für bessere Laufzeit

-g

erzeugt Debug-Informationen

-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) 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

-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. Teilweise fehlerhaft zusammen mit -c

-Wa,<options>

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

-Wp,<options>

übergibt Komma-getrennte Liste <options> an den Preprozessor

-Wl,<options>

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

-ansi

bricht mit einer Fehlermeldung ab, wenn kein ANSI-C verwendet wurde

-ffreestanding

Das erzeugte Programm läuft nicht in einer Umgebung wie einer Shell. Der Prototyp von main ist

void main (void);

Maschinenspezifische Optionen für avr-gcc

Maschinenabhängige Optionen beginnen immer mit -m

-mmcu=xxx

Festlegen des Targets, für das Code generiert werden soll. Je nach Target werden unterschiedliche Instruktionen verwendet und andere Startup-Dateien (crtxxx.o) eingebunden. Spezielle Defines werden gesetzt, um in der Quelle zwischen den Targets unterscheiden zu können:

#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

mcu für AVR Classic, <= 8 kByte	Builtin define
avr2	__AVR_ARCH__ = 2
at90s2313	__AVR_AT90S2313__
at90s2323	__AVR_AT90S2323__
at90s2333	__AVR_AT90S2333__
at90s2343	__AVR_AT90S2343__
attiny22	__AVR_ATtiny22__
attiny26	__AVR_ATtiny26__
at90s4414	__AVR_AT90S4414__
at90s4433	__AVR_AT90S4433__
at90s4434	__AVR_AT90S4434__
at90s8515	__AVR_AT90S8515__
at90c8534	__AVR_AT90C8534__
at90s8535	__AVR_AT90S8535__
at86rf401	__AVR_AT86RF401__
mcu für AVR classic, > 8 kByte	Builtin define
avr3	__AVR_ARCH__ = 3
atmega103	__AVR_ATmega103__
atmega603	__AVR_ATmega603__
at43usb320	__AVR_AT43USB320__
at43usb355	__AVR_AT43USB355__
at76c711	__AVR_AT76C711__
mcu für AVR enhanced, <= 8 kByte	Builtin define
avr4	__AVR_ARCH__ = 4
atmega8	__AVR_ATmega8__
atmega8515	__AVR_ATmega8515__
atmega8535	__AVR_ATmega8535__
mcu für AVR enhanced, > 8 kByte	Builtin define
avr5	__AVR_ARCH__ = 5
atmega16	__AVR_ATmega16__
atmega161	__AVR_ATmega161__
atmega162	__AVR_ATmega162__
atmega163	__AVR_ATmega163__
atmega169	__AVR_ATmega169__
atmega32	__AVR_ATmega32__
atmega323	__AVR_ATmega323__
atmega64	__AVR_ATmega64__
atmega128	__AVR_ATmega128__
at94k	__AVR_AT94K__
mcu für AVR, nur Assembler	Builtin define
avr1	__AVR_ARCH__ = 1
at90s1200	__AVR_AT90S1200__
attiny11	__AVR_ATtiny11__
attiny12	__AVR_ATtiny12__
attiny15	__AVR_ATtiny15__
attiny28	__AVR_ATtiny28__

-minit-stack=xxx

Festlegen der Stack-Adresse

-mint8

Datentyp int ist nur 8 Bit breit, anstatt 16 Bit. Datentypen mit 32 Bit wie long sind nicht verfügbar

-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

-mno-tablejump

Für ein switch-Statement werden keine Sprungtabellen angelegt

-mshort-calls

Verwendet rjmp/rcall (begrenzte Sprungweite) auf Devices mit mehr als 8 kByte Flash

-msize

Ausgabe der Instruktonslängen im asm-File

-mdeb

(undokumentiert) Ausgabe von Debug-Informationen für GCC-Entwickler

-morder1

(undokumentiert) andere Register-Allokierung

-morder2

(undokumentiert) andere Register-Allokierung

Attribute

Mit Attributen kann man die Codeerzeugung beeinflussen. Es gibt verschiedene Attribute, die auf Daten, Typed, und/oder Funktionen anwendbar sind.

Syntax

__attribute__ ((<name>))
__attribute__ ((<name1>, <name2>, ...))
__attribute__ ((<name> ("<wert>")))

Attribute von avr-gcc

avr-gcc implementiert folgende Attribute:

progmem

Anwendbar auf:

• Daten
• Typen
• Funktionen

Lokatiert ins Flash

naked

Anwenbar auf:

• Funktionen

Die Funktion wird ohne Prolog und Epilog erzeugt.

signal

Anwendbar auf:

• Funktionen

Hier nur wegen der Vollständigkeit erwähnt.

interrupt

Anwendbar auf:

• Funktionen

Hier nur wegen der Vollständigkeit erwähnt.

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

Auf SFRs wird generell über deren Adresse zugegriffen:

   // Liest den Inhalt von SREG an Adresse 0x5f
   unsigned char sreg = *((unsigned char volatile*) 0x5f);

Das bedeutet in etwa: "Lies ein flüchtiges (volatile) Byte (unsigned char) von Adresse 0x5f". 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 volatile sicherstellt. Ansonst geht der Compiler u.U. davon aus, daß der Inhalt bekannt ist und verwendet einen alten, in einem GPR befindlichen Wert.

Um lesbaren, weniger fehleranfälligen und unter AVRs halbwegs portierbaren Code zu erhalten, gibt es Makrodefinitionen im Conroller-spezifischen Header ioxxxx.h, der neben anderen Dingen mit avr/io.h includet wird:

#include <avr/io.h>

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

Die Bezeichner der SFRs sind die gleichen wie im Manual. Evtl verschafft ein Blick in den Header Klarheit. Dieser befinden sich in

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

Dieser Zugriff geht auch für 16-Bit Register wie TCNT1, 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;

Zu beachten ist, daß dieser Zugriff nicht atomar erfolgt. Das Lesen/Schreiben mehrbytiger Werte muss in mehrere Byte-Zugriffe zerlegt werden. Zwischen diesen Zugriffen kann ein Interrupt auftreten, was zu fehlerhaften Resultaten führen kann. Entsprechende Codestücke müssen daher atomar gehalten werden, was über cli und sei realisierbar ist.

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

Auch hier ist zu beachten, daß es Probleme geben kann, wenn nicht atomarer Code erzeugt wird, weil der AVR-Befehlssatz nicht mehr hergibt:

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

ergibt

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

Strings

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

Darstellung in C

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 '\0', 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.

Bestimmen der Stringlänge

 /* Bestimmt die Laenge des Strings ohne die abschliessende '\0' zu zaehlen
 unsigned int strlength (const char *str)
 {
   unsigned int len = 0;
   
   while (*str++)
      len++;
   
   return len;
 }

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

 #include <string.h>
 size_t strlen (const char*);

String im Flash belassen

Oftmals werden Strings nur zu Ausgabezwecken verwendet und nicht verändert. Verwendet man Sequenzen der Gestalt

 char *str1 = "Hallo Welt!";
 char str2[] = "Hallo Welt!";

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.

 #include <avr/pgmspace.h>
 
 const prog_char str3[] = "Hallo Welt!";
 
 unsigned int strlen_P (const prog_char *str)
 {
    unsigned int len = 0;
 
    while (1)
    {
       char c = (char) pgm_read_byte (str);
       if ('\0' == c)
          return len;
       len++;
       str++; 
    }
 }
 
 void foo()
 {
    unsigned int len;
    len = strlen_P (str3);
    len = strlen_P (PSTR("String im Flash"));
 }

String ins EEPROM legen

Dies geht nach dem gleichen Muster, nach dem Strings ins Flash gelegt werden. Der Zugriff wird vergleichsweise langsam, denn der EEPROM ist langsamer als SRAM bzw. Flash.

 #include <avr/eeprom.h>
 
 const char str4[] __attribute__ ((section(".eeprom"))) = "Hallo Welt!";
 
 unsigned int strlen_EE (const char *str)
 {
    unsigned int len = 0;
 
    while (1)
    {
       char c = (char) eeprom_read_byte (str);
       if ('\0' == c)
          return len;
       len++;
       str++; 
    }
 }

Zufall

"Echte" Zufallszahlen zu generieren ist leider nicht möglich, hierzu muss man externe Hardware wie einen Rauschgenerator verwenden. Funktionen wie rand und random basieren auf algebraischen Verfahren, die eine gute Verteilung der gelieferten Werte haben. Werden diese Funktionen mit dem selben Startwert (seed) initialisiert, liefern sie auch immer die gleiche Folge. In diesem Sinne sind die Werte nicht zufällig sondern nur scheinbar zufällig und "wüst umherhüpfend".

Um einen zufälligen Startwert zu erhalten, kann man den uninitialisierten Inhalt des SRAM verwenden, das nach dem power-up keinen definierten Zustand hat.

Startwert (seed) besorgen

Am einfachsten geht dies, indem man eine Variable in die Sektion .noinit lokatiert und den Wert liest:

unsigned long seed __attribute__ ((section (".noinit")));

Etwas bessere Resultate erhält man, wenn man den ganzen Inhalt des nicht verwendeten SRAMs zur Bildung der seed heranzieht. Das Symbol __heap_start wird übrigens im standard Linker-Script definiert, RAMEND ist ein Makro aus ioxxxx.h:

Das Beispiel interpretiert den SRAM-Inhalt als unsigned short Werte und berechnet die seed, indem die einzelnen Werte mit exor "überlagert" werden.

 #include <avr/io.h>
 
 unsigned short get_seed()
 {
    unsigned short seed = 0;
    unsigned short *p = (unsigned short*) (RAMEND+1);
    extern unsigned short __heap_start;
    
    while (p >= &__heap_start + 1)
       seed ^= * (--p);
    
    return seed;
 }

Pseudozufall in der avr-libc

In der avr-libc finden sich Funktionen, um Pseudo-Zufallszahlen zu erhalten bzw. um Startwerte für die Algorithmen zu setzen:

#include <stdlib.h>

Prototypen und Defines:

 #define RAND MAX 0x7FFF
 
 int rand (void);
 void srand (unsigned int seed);
 
 long random (void);
 void srandom (unsigned long seed);

Frühe Codeausführung vor main()

Mitunter ist es notwendig, Code unmittelbar nach dem Reset auszuführen, noch bevor man in main() mit der eigentlichen Programmausführung beginnt. Das kann zB zur Bedienung eines Watchdog-Timers erforderlich sein.

Nach einen Reset und vor Aufruf von main werden Initialisierungen ausgeführt wie

• setzen des Stackpointers
• Vorbelegung globaler Datenobjekte: Daten ohne Initializer werden zu 0 initialisert (Section .bss). Für Daten mit Initializer (Section .data) werden die Werte aus dem Flash ins SRAM kopiert.
• Initialisierung von Registern wie R1, in dem bei avr-gcc immer die Konstante 0 gehalten wird.

Im Linker-Script werden Sections von .init0 bis .init9 definiert, die nacheinander abgearbeitet werden. Erst danach wird main betreten. Um Code früh auszuführen, legt man die Funktion in eine dieser Sections:

/* !!! never call this function !!!
void __attribute__ ((naked, section (".init3")))
code_init3 (void)
{
    /* Code */
}

Zu beachten ist dabei

• Eine so definierte Funktion darf keinesfalls aufgerufen werden!
• Zuweisungen wie i=0; ergeben vor .init3 inkorrekten Code, da vor Ende von .init2 Register R1 noch nicht mit 0 besetzt ist, avr-gcc aber davon ausgeht, daß es eben diesen Wert enthält.
• Lokale Variablen müssen in Registern liegen, denn vor Ende von .init2 ist der Stackpointer noch nicht initialisiert. Zudem ist die Funktion naked, hat also insbesondere keinen Prolog, der den Framepointer (Y-Register) setzen könnte, falls er benötigt wird.
• Gegebenenfalls ist daher die Verwendung von inline-Assembler angezeigt oder die Implementierung in einem eigenen Assembler-Modul, das dazu gelinkt wird. Der erzeugte Code ist im List-File zu überfrüfen.
• Werden mehrere Funktionen in die gleiche init-Section gelegt, ist die Reihenfolge ihrer Ausführung nicht spezifiziert und i.a. nicht die gleiche wie in der Quelle.

Unbenutzte init-Sections haben die Nummern 0, 1, 3 und 5 bis 8. Die verbleibenden werden vom Startup-Code verwendet:

.init2

Initialisieren von R1 mit 0 und setzen des Stackpointers

.init4

Kopieren der Daten vom Flash ins SRAM (.data) und löschen von .bss

.init9

Sprung zu main

Abkürzungen und Bezeichnungen

GCC

GNU Compiler Collection

gcc

GNU C-Compiler

GPR

General Purpose Register

ISR

Interrupt Service Routine

IRQ

Interrupt Request

Prolog/Epilog

Code am Anfang/Ende jeder Funktionen/ISR, der dazu dient, verwendete Register zu sichern, den Stack-Frame für lokale Variablen anzulegen (falls benötigt), Stackpointer zu setzen, zurück zu springen (ret, reti), etc.

SFR

Special Function Register

Target

Zielsystem, in unserem Falle avr

Siehe auch

• Avr
• Atmel
• Compiler
• Sourcevergleich

Weblinks

• Offizielle Homepage von GCC (englisch)
• GCC in der deutschen Wikipedia
• WinAVR-Projekt bei sourceforge.net (englisch)
• avr-gcc-Tutorial auf mikrocontroller.net
• Tipps zu Build und Installation von avr-gcc, binutils und avr-libc unter Linux bei linuxfocus.org
• avr-gcc bei avrfreaks.net (englisch)
• Nützliche GCC Runtime-Libary