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AVR-GCC-TutorialDieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel AVR-Mikrocontrollern in der Programmiersprache C mit dem freien C-Compiler avr-gcc aus der GNU Compiler Collection (GCC) erleichtern. Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Programmiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem C Tutorial von Helmut Schellong (Liste von C-Tutorials). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern. [Bearbeiten] VorwortIn diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine Online-Dokumentation gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR-Controllern finden. Beim Paket WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert. Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden ständig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden hier und im Artikel Alte Quellen zwar angesprochen, Anfängern und Umsteigern sei jedoch empfohlen, eine aktuelle Versionen zu nutzen. Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas. Dieses Tutorial ist in PDF-Form erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand). [Bearbeiten] Weiterführende KapitelUm dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur Kategorie:avr-gcc Tutorial.
[Bearbeiten] Benötigte WerkzeugeUm eigene Programme für AVRs mittels einer AVR-Toolchain zu erstellen wird folgende Hard- und Software benötigt:
Hardware wird keine benötogt – bis auf einen PC natürlich, auf dem der Compiler ablaufen kann. Selbst ohne AVR-Hardware kann man also bereits C-Programme für AVRs schreiben, compiliern und sich das Look-an-Feel von avr-gcc sowie von IDEs wie Atmel Studio, Eclipse oder leichtgewichtigeren Entwicklungsumbgebungen anschauen. Selbst das Debuggen und Simulieren ist mithilfe entsprechender Tools wie Debugge und Simulator in gewissen Grenzen möglich. Um Programme für AVRs mittels einer AVR-Toolchain zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:
[Bearbeiten] Was tun, wenn's nicht klappt?
[Bearbeiten] Erzeugen von MaschinencodeAus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. AVRDUDE, PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:
Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles, typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen. [Bearbeiten] EinführungsbeispielZum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten Toolchain) demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials. Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert (Datenblatt), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden. Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen. Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen main.c abgespeichert wird.
Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite Beispiel Makefile und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen D:\beispiel>dir Verzeichnis von D:\beispiel 28.11.2006 22:53 <DIR> . 28.11.2006 22:53 <DIR> .. 28.11.2006 20:06 118 main.c 28.11.2006 20:03 16.810 Makefile 2 Datei(en) 16.928 Bytes Nun gibt man make all ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei D:\beispiel>make all -------- begin -------- avr-gcc (GCC) 3.4.6 Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc. This is free software; see the source for copying conditions. There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. Compiling C: main.c avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c - o obj/main.o Linking: main.elf avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o --output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm Creating load file for Flash: main.hex avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming (ISP) erfolgen, das im AVR-Tutorial: Equipment beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms AVRDUDE vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit make program die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann[3], kann natürlich ebenfalls genutzt werden. Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine LED leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht. [Bearbeiten] Ganzzahlige Datentypen (Integer)Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann. Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei
Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie [Bearbeiten] BitfelderBeim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich unsigned char, nehmen, dann verschwenden wir 7 Bits, da ein unsigned char ja 8 Bits breit ist. Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie 8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:
Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt, über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:
Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Rechenzeit zum Zerlegen des Bytes in seine einzelnen bits. Besteht also kein triftiger Grund sollten nur Datentypen mit längen die Vielfache von 8bit sind verwendet werden, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll. [Bearbeiten] Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-ProgrammsWir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird. [Bearbeiten] Sequentieller ProgrammablaufBei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe". [Bearbeiten] Interruptgesteuerter ProgrammablaufBei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt. [Bearbeiten] Zugriff auf RegisterDie AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben. Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register. Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen. Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei avr/io.h einzubinden:
Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen. Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...] im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable MCU, der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem __AVR_ und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei -mmcu=atmega16 das Makro __AVR_ATmega16__ definiert). Beim Einbinden der Header-Datei avr/io.h wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile: [...] # MCU Type ("name") setzen: MCU = atmega16 [...] [...] ## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die ## Compiler- und Assembler-Parameter ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS) ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS) ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS) [...] [...] ## Aufruf des Compilers: ## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...] $(OBJDIR)/%.o : %.c @echo @echo $(MSG_COMPILING) $< $(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@ [...] Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:
Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog. [Bearbeiten] Schreiben in RegisterZum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.[4] Beispiel:
Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter Bitmanipulation. Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll. [Bearbeiten] Verändern von RegisterinhaltenEinzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.
Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten. Beispiel:
Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen. Beispiel:
Bei bestimmten AVR Registern mit Bits, die durch Beschreiben mit einer logischen 1 gelöscht werden, muss eine absolute Zuweisung benutzt werden. Ein ODER löscht in diesen Registern ALLE gesetzten Bits! Beispiel:
In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich. Siehe auch:
[Bearbeiten] Lesen aus RegisternZum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich. Beispiel:
Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:
[Bearbeiten] Warten auf einen bestimmten ZustandEs gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den Watchdog ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers). Die Funktion loop_until_bit_is_set wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.
Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen. Siehe auch:
[Bearbeiten] 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR)Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Dies ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:
Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. 1000 0011 (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert 3. Und 0000 0011 (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert 3. Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann. Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen. Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
Das bedeutet für die Reihenfolge:
Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren. Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren! Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden! In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen. Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden. Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden. ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens adc gibt. Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
[Bearbeiten] IO-Register als Parameter und VariablenUm Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:
Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann. Siehe auch: avr-libc FAQ: "How do I pass an IO port as a parameter to a function?" [Bearbeiten] Zugriff auf IO-PortsJeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern (GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge). Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel Analoge Ein- und Ausgabe behandelt. Die physischen Ein- und Ausgänge werden bei AVR-Controllern zu logischen Ports gruppiert. Alle Ports werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:
Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden. [Bearbeiten] Datenrichtung bestimmenZuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben. Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein. Beispiel: Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen +---+---+---+---+---+---+---+---+ | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | +---+---+---+---+---+---+---+---+ | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | In C liest sich das dann so:
Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:
[Bearbeiten] Vordefinierte Bitnummern für I/O-RegisterDie Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):
[Bearbeiten] Digitale SignaleAm einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben. [Bearbeiten] AusgängeWill man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister. Mit dem Befehl
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer von 0 an gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1). Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels = immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:
"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:
Siehe auch Bitmanipulation In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich. Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird: Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt Configuring the Pin. [Bearbeiten] Eingänge (Wie kommen Signale in den µC)Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen. [Bearbeiten] SignalkopplungAm einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden. Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, Spannungsteiler, "Levelshifter" aka Pegelwandler) anpassen. Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.
Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge nicht etwa Portregister PORTx zu verwenden, sondern Eingangsregister PINx. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt". Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:
Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.
Siehe auch Bitmanipulation#Bits_prüfen [Bearbeiten] Interne Pull-Up WiderständePortpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden. Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register PORTx aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als Eingang geschaltet ist. Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen. Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.
[Bearbeiten] Taster und SchalterDer Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: Active Low und Active High.
Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt Interne Pull-Up Widerstände), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden. [Bearbeiten] Taster entprellenSiehe: Entprellung: Warteschleifen-Verfahren [Bearbeiten] Warteschleifen (delay.h)Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:
Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet. Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr (abgesehen von möglicherweise auftretenden Interrupts, falls welche aktiviert sind). Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden. Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein. Eine weitere Einschränkung liegt darin, daß sie möglicherweise länger warten, als erwartet, nämlich in dem Fall, daß Interrupts auftreten und die _delay...()-Funktion unterbrechen. Genau genommen warten diese nämlich nicht eine bestimmte Zeit, sondern verbrauchen eine bestimmte Anzahl von Prozessortakten. Die wiederum ist so bemessen, daß ohne Unterbrechung durch Interrupts die gewünschte Wartezeit erreicht wird. Wird das Warten aber durch eine oder mehrere ISR unterbrochen, die zusammen 1% Prozessorzeit verbrauchen, dann dauert das Warten etwa 1% länger. Bei 50% Last durch die ISR dauert das Warten doppelt solange wie gewünscht, bei 90% zehnmal solange... Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich. [Bearbeiten] avr-libc Versionen bis 1.6Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4µs warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden. Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
[Bearbeiten] avr-libc Versionen ab 1.7_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Es ist nicht möglich, eine Variable als Argument zu übergeben. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen. Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen. Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
Trick zur Übergabe einer Variablen an _delay_ms():
[Bearbeiten] Programmieren mit InterruptsNachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR. Tritt ein Interrupt auf, unterbricht (engl. interrupts) der Controller die Verarbeitung des Hauptprogramms und verzweigt zu einer Interruptroutine. Das Hauptprogramm wird also beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen, die Interruptroutine ausgeführt und danach erst wieder das Hauptprogramm an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt (vgl. die Abbildung). Um Interrupts verarbeiten zu können, ist folgendes zu beachten:
Alle Punkte sind zu beachten. Fehlt z.B. die globale Aktivierung, werden Interruptroutinen auch dann nicht aufgerufen, wenn sie im Funktionsbaustein eingeschaltet sind und eine Behandlungsroutine verhanden ist. Siehe auch
[Bearbeiten] Anforderungen an Interrupt-RoutinenUm unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:
Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen. (*) Hinweis: Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden! [Bearbeiten] Interrupt-QuellenDie folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.
Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors"). [Bearbeiten] RegisterDer AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den Interrupts zusammenhängen.
[Bearbeiten] Allgemeines über die Interrupt-AbarbeitungWenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das Global Interrupt Enable Bit im Status Register SREG gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.
[Bearbeiten] Interrupts mit avr-gccFunktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien interrupt.h der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich signal.h).
Das Makro sei() schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das Global Interrupt Enable Bit im Status Register gesetzt.
Das Makro cli() schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das Global Interrupt Enable Bit im Status Register wird gelöscht.
Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:
[Bearbeiten] ISR(ISR() ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc SIGNAL(). SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den Anhang.)
Mit ISR wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein _vect angehängt ist. Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ISR (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle SIGNAL (SIG_*) enthalten sind.
Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:
Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. AVR-GCC). Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen. Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen. Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten. [Bearbeiten] Unterbrechbare Interruptroutinen"Faustregel": im Zweifel ISR. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.
Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. TIMER0_OVF_vect). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das Global Enable Interrupt Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts. Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen durch Rekursion wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben. Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde. Siehe auch: Hinweise in AVR-GCC siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html [Bearbeiten] Datenaustausch mit Interrupt-RoutinenVariablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem volatile deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen. Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.
Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern innerhalb einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:
Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von gKeyCounter (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen. ISR(TIMER1_COMPA_vect) { 86a: 1f 92 push r1 86c: 0f 92 push r0 86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63 870: 0f 92 push r0 872: 11 24 eor r1, r1 874: 8f 93 push r24 if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) { 876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25 878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24> if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++; 87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A 87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200 880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28> 882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A 886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255 888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24 88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28> } else { gKeyCounter = 0; 88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1 892: 8f 91 pop r24 894: 0f 90 pop r0 896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63 898: 0f 90 pop r0 89a: 1f 90 pop r1 89c: 18 95 reti ISR(TIMER1_COMPA_vect) { 86a: 1f 92 push r1 86c: 0f 92 push r0 86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63 870: 0f 92 push r0 872: 11 24 eor r1, r1 874: 8f 93 push r24 uint8_t tmp_kc; tmp_kc = gKeyCounter; 876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) { 87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25 87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18> 87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0 880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e> if (tmp_kc < CNTREPEAT) { 882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200 884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e> tmp_kc++; 886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255 } } else { tmp_kc = 0; } gKeyCounter = tmp_kc; 888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24 88c: 8f 91 pop r24 88e: 0f 90 pop r0 890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63 892: 0f 90 pop r0 894: 1f 90 pop r1 896: 18 95 reti [Bearbeiten] volatile und PointerBei volatile in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, volatile ist.
Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt. [Bearbeiten] Variablen größer 1 ByteBei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:
Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte memory barriers beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
[Bearbeiten] Interrupt-Routinen und RegisterzugriffeFalls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können. Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:
Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach: ... PORTA |= (1<<PA0); d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a) PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4); d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b) d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c) d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d) ... Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben. Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0 auf 1, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-ODER-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt. Lösungsmöglichkeiten:
[Bearbeiten] Interruptflags löschenBeim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben. Hinweis: Dazu nicht übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen (Erklärung). [Bearbeiten] Was macht das Hauptprogramm?Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen. Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.
[Bearbeiten] Sleep-ModesAVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten Sleep-Modes ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen. Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei sleep.h zur Verfügung.
Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).
In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "Bitmanipulation" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():
[Bearbeiten] Sleep ModiZu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.
Siehe auch:
[Bearbeiten] ZeigerZeiger (engl. Pointer) sind Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten und belegen 16 Bits. Die Größe hängt mit dem adressierbaren Speicherbereich zusammen und der GCC reserviert dann den entsprechenden Platz. Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt. Siehe auch: Zeiger [Bearbeiten] SpeicherzugriffeAtmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:
Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen" genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach "Bastelarbeiten" möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls. Siehe auch: [Bearbeiten] RAMDie Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code. Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann malloc() verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit size Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben. Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak). malloc() legt Speicherblöcke im Heap an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel Heap-Fragmentierung). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden. Beispiel zur Verwendung von malloc():
Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() alloca() zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen. siehe auch: [Bearbeiten] Programmspeicher (Flash)Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc erst ab Version 4.7 "transparent" möglich. Um Daten aus dem Flash zu lesen, muss die AVR-Instruktion LPM (load from program memory) erzeugt erzeugt werden, bei Controllern mit mehr als 64kiB Flash auch ELMP. Zum Erzeugen dieser Instruktionen gibt es die im folgenden dargestellten zwei Wege. [Bearbeiten] progmem und pgm_read_xxx→ avr-libc: Doku zu avr/pgmspace.h progmem ist ein AVR-spezifisches GCC-Attribut, mit dem eine Variablendeklaration im static storage[5] markiert werden kann:
Effekt ist, dass die so markierte Variable nicht im RAM sondern im Flash angelegt wird. Wird durch "normalen" C-Code auf solch eine Variable zugegriffen, wird jedoch aus dem RAM gelesen und nicht aus dem Flash! Zum Lesen aus dem Flash stellt die avr-libc daher zahlreiche Makros zur Verfügung. Zudem wird das Makro PROGMEM definiert, das etwas Tipparbeit spart:
progmem funktioniert im Wesentlichen wie ein Section-Attribut, das die Daten in der Section .progmem.data ablegt. Im Gegensatz zum Section-Attribut werden jedoch noch weitere Prüfungen unternommen, ab avr-gcc 4.6 etwa muss die entsprechende Variable const sein. [Bearbeiten] Integer und floatZum Lesen von Skalaren stellt die avr-libc folgende Makros zu Verfügung, die jeweils ein Argument erhalten: Die 16-Bit Adresse des zu lesenden Wertes[6]
Soll ein Zeiger gelesen werden, so verwendet man pgm_read_word und castet das Ergebnis zum gewünschten Zeiger-Typ.
[Bearbeiten] BlöckeIn den Flash-Funktionen der avr-libc sind keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktionen, die Speicherblöcke auslesen oder vergleichen. Die enstprechende Funktionen sind Varianten von memcpy, memcmp und heißt memcpy_P, memcmp_P, usw. Für weitere Funktionen und deren Prototypen siehe die Dokumentation der avr-libc. [Bearbeiten] StringsStrings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen und einem '\0' als Stringende. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zum Lesen von Bytes, wobei auf die Besonderheiten von Strings wie 0-Terminierung geachtet werden muss.
Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoire der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix _P.
[Bearbeiten] Array aus StringsArrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt:
Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des gewünschten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, um auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.
Eine weitere Möglichkeit ist, die Strings in einem 2-dimensinalen char-Array abzulegen anstatt deren Adresse in einem 1-dimensionalen Adress-Array zu speichern. Vorteil ist, dass der Code einfacher wird. Nachteil ist, dass bei unterschiedlich langen Strings Speicherplatz verschwendet wird, weil sich die Array-Dimension and der Länge des längsten Strings orientieret. Bei in etwa gleich langen Strings kann es aber sogar Speicherplatz sparen, denn es die Adressen der einzelnen Strings müssen nicht abgespeichert werden.[8]
Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: How do I put an array of strings completely in ROM? [Bearbeiten] Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im FlashZeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit progmem-Attribut.
Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
durch
dann kann es zu Problemen kommen. Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind, an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu erkennen, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:
Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:
[Bearbeiten] Warum so kompliziert?Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm (Flash) und Datenspeicher (RAM) auf. Der C-Standard sieht keine unterschiedlichen Adressräume vor. Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart (const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, dann weiß die Funktion nicht, ob die Adresse in den Flash-Speicher oder das RAM zeigt. Weder aus dem Pointer-Wert, also dem Zahlenwert, noch aus dem "const" kann auf den Ort der Ablage geschlossen werden. Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie Flash oder RAM. In einem Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jedem Zugriff über einen Zeiger muss zur Laufzeit entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer wird der erzeugte Code. Siehe auch:
[Bearbeiten] __flash und Embedded-CAb Version 4.7 unterstützt avr-gcc Adress-Spaces gemäß dem Embedded-C Dokument ISO/IEC TR18037. Der geläufigste Adress-Space ist __flash, der im Gegensatz zu progmem kein GCC-Attribut ist, sondern ein Qualifier und damit ähnlich verwendet wird wie const oder volatile. GCC kennt keine eigene Option zum Aktivieren von Embedded-C, es wird als GNU-C Erweiterung behandelt. Daher müssen C-Module, die Address-Spaces verwenden, mit -std=gnu99 compiliert werden.
Auch Zeiger-Indirektionen sind problemlos möglich. Zu beachten ist, dass __flash auf der richtigen Seite des "*" in der Zeigerdeklaration bzw. -definition steht:
[Bearbeiten] BlöckeUm Speicherbereiche vom Flash in den RAM zu kopieren, gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen können wie bei progmem beschreiben die Funktionen der avr-libc wie memcpy_P, memcmp_P, movmem_P, etc. verwendet werden:
Zum anderen kann eine Struktur auch über direktes Kopieren ins RAM geladen werden:
[Bearbeiten] StringsNatürlich können auch Strings im Flash abgelegt werden und auch mit Funktionen wie strcpy_P aus der avr-libc verarbeitet werden. Zudem ist es möglich, Flash-Zeiger mit der Adresse eines String-Literals zu initialisieren:
Leider sieht der Embedded-C Draft nicht vor, String-Literale direkt in einem anderen Adress-Space als generic anzulegen, so dass hier der Umweg über FSTR genommen werden muss. Dieses Konstrukt ist nur ausserhalb von Funktionen möglich und kann daher nicht als Ersatz für PSTR aus der avr-libc dienen. Soll array ein 2-dimensonales Array sein anstatt ein 1-dimensionales Array von Zeigern, dann geht das ohne große Verrenkungen:
[Bearbeiten] CastsEmbedded C fordert, dass zwei Adress-Spaces entweder disjunkt sind – d.h. sie enthalten keine gemeinsamen Adressen – oder aber ein Space komplett im anderen enthalten ist, also eine Teilmengen-Beziehung besteht. Die Adress-Spaces von avr-gcc sind so implementiert, dass jeder Space Teilmenge jedes anderes ist. Zwar haben Spaces wie RAM und Flash physikalisch keinen Speicherbereich gemein, allerdings ermöglicht diese Implementierung das Casten von Zeigern zu unterschiedlichen Adress-Spaces[9]:
Der Cast selbst erzeugt keinen zusätzlichen Code, da eine RAM-Adresse und eine Flash-Adresse die gleiche Binärdarstellung haben. Allerdings wird über den nach __flash gecasteten Zeiger anders zugegriffen, nämlich per LPM. [Bearbeiten] Jenseits von __flashAusser __flash gibt es auch folgende Address-Spaces:
[Bearbeiten] progmem und pgm_read vs. __flash[Bearbeiten] Flash in der Anwendung schreibenBei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als Bootloader-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der Boot-Section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist. Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind. Siehe auch:
[Bearbeiten] EEPROMMöchte man Werte aus einem Programm heraus so speichern, dass sie auch nach dem Abschalten der Versorgungsspannung noch vorhanden sind und nach dem Wiederherstellen der Versorgungsspannung bei erneutem Programmstart wieder zur Verfügung stehen, dann benutzt man das EEPROM. Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h der avr-libc definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit), Fließkommawerte (32-Bit, single-precision, float) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden. Diese Funktionen kümmern sich auch um diverse Details, die bei der Benutzung des EEPROMS normalerweise notwendig sind:
Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert. Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den gesamten EEPROM-Speicher, erreichen. Auf jeden Fall sollte man aber eine Abschätzung über die zu erwartende Lebensdauer des EEPROM durchführen. Wird ein Wert im EEPROM im Durchschnitt nur einmal pro Woche verändert, wird die garantierte Anzahl der Schreibzyklen innerhalb der voraussichtlichen Verwendungszeit des Controllers wahrscheinlich nicht erreicht. In diesem Fall lohnt es sich daher nicht, erweiterte Programmfunktionen zu implementieren, mit denen die Anzahl der Schreibzugriffe minimiert wird. Eine weitere Möglichkeit Schreibzyklen einzusparen besteht darin, dass geprüft wird, ob im EEPROM bereits der zu speichernde Wert enthalten ist und nur veränderte Werte zu schreiben. In aktuelleren Versionen der avr-libc sind bereits Funktionen enthalten, die solche Prüfungen enthalten (eeprom_update_*). Lesezugriffe können beliebig oft durchgeführt werden. Sie unterliegen keinen Einschränkungen in Bezug auf deren Anzahl. [Bearbeiten] EEMEMUm eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung[11]
Die grundsätzliche Vorgehensweise ist identisch zur Verwendung von PROGMEM. Auch hier erzeugt man sich spezielle attributierte Variablen (EEMEM erledigt das), die vom Compiler/Linker nicht wie normale Variablen behandelt werden. Compiler/Linker kümmern sich zwar darum, dass diesen Variablen eine Adresse zugewiesen wird, diese Adresse ist dann aber die Adresse der 'Variablen' im EEPROM. Um die dort gespeicherten Werte zu lesen bzw. zu schreiben, übergibt man diese Adresse an spezielle Funktionen, die die entsprechenden Werte aus dem EEPROM holen bzw. das EEPROM neu beschreiben. Die mittels EEMEM erzeugten 'Variablen' sind also mehr als Platzhalter zu verstehen, denn als echte Variablen. Es geht nur darum, im C Programm symbolische Namen zur Verfügung zu haben, anstatt mit echten EEPROM Adressen hantieren zu müssen - etwas das grundsätzlich aber auch genauso gut möglich ist. Nur muss man sich in diesem Fall dann selbst darum kümmern, dass mehrere 'Variablen' ohne Überschneidung im EEPROM angeordnet werden. [Bearbeiten] Bytes lesen/schreibenDie avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:
[Bearbeiten] Wort lesen/schreibenSchreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:
[Bearbeiten] Block lesen/schreibenLesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen
[Bearbeiten] Fließkommawerte lesen/schreibenIn der avr-libc stehen auch EEPROM-Funktionen für Variablen des Typs float (Fließkommazahlen mit "einfacher" Genauigkeit) zur Verfügung.
[Bearbeiten] EEPROM-Speicherabbild in .eep-DateiMit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden. Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im Exkurs Makefiles. Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse[12] nicht die korrekten Werte:
Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenenfalls einen Standardwert nutzen. [Bearbeiten] Direkter Zugriff auf EEPROM-AdressenWill man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:
oder als Makro:
Verwendung:
[Bearbeiten] Bekannte Probleme bei den EEPROM-FunktionenVorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt. In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;, siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).
[Bearbeiten] EEPROM RegisterUm das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:
Bedeutung der Bits
[Bearbeiten] Die Nutzung von sprintf und printfUm komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich sprintf oder printf an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden. Bei sprintf wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.
Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. printf, greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.
[Bearbeiten] Anmerkungen
[Bearbeiten] TODO
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