การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

วิกินี้อธิบายถึงขั้นตอนและตัวอย่างการพัฒนาเฟิร์มแวร์ลงบนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราได้ประกอบขึ้นมา โดยเนื้อหาครอบคลุมเฉพาะสภาพแวดล้อมการพัฒนาโปรแกรมบนลินุกซ์เท่านั้น

เนื้อหา

1 ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง
2 การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาแอสเซมบลี้
- 2.1 ตัวอย่างโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้
- 2.2 การแอสเซมเบลอร์เพื่อสร้างรหัสภาษาเครื่อง
3 การเขียนโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์
4 การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาซี
- 4.1 โปรแกรมตัวอย่างภาษาซี
- 4.2 การคอมไพล์โปรแกรมให้เป็นภาษาเครื่อง
5 การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile
6 บทความที่เกี่ยวข้อง
7 ข้อมูลเพิ่มเติม

ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง

ครอสคอมไพเลอร์ (cross compiler) สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล AVR รวมถึงไลบรารีที่เกี่ยวข้อง

sudo apt-get install gcc-avr avr-libc

AVR toolchain

sudo apt-get install binutils-avr

AVRDUDE (AVR Downloader/UploaDEr) ใช้สำหรับโหลดรหัสภาษาเครื่องลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ต USB

sudo apt-get install avrdude

การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาแอสเซมบลี้

ภาษาแอสเซมบลี้ (assembly language) จัดเป็นภาษาระดับต่ำที่ใช้การแทนรหัสภาษาเครื่อง (machine code) ด้วยสัญลักษณ์ ดังนั้นคำสั่งในภาษาแอสเซมบลี้หนึ่งคำสั่งจึงเทียบเท่ากับคำสั่งในภาษาเครื่องหนึ่งคำสั่งเช่นกัน แม้ภาษาแอสเซมบลี้จะมีความยุ่งยากมากกว่าภาษาชั้นสูงเช่นภาษาซี การเขียนโปรแกรมในภาษาแอสเซมบลี้ก็ยังเป็นที่นิยมในหลาย ๆ สถานการณ์เนื่องจากผู้พัฒนาโปรแกรมสามารถทราบถึงการทำงานของหน่วยประมวลผลได้ในรายละเอียดทุกคำสั่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานที่ต้องมีการกำหนดเวลาในการประมวลผลที่แม่นยำ

ตัวอย่างโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้

ใช้โปรแกรมเท็กซ์เอดิเตอร์สร้างโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้ขึ้นมาหนึ่งโปรแกรมตามตัวอย่างด้านล่าง จากนั้นบันทึกโปรแกรมลงในไฟล์ชื่อ first.S (สังเกตว่าใช้นามสกุล .S ตัวใหญ่)

.global main
main:
    ldi r16,0b00000111  ; ทำให้ PC2,PC1,PC0 เป็นเอาท์พุท
    out 0x07,r16
    ldi r16,0b00000100  ; ทำให้ LED สีเขียวติด
    out 0x08,r16
loop:
    rjmp loop           ; วนซ้ำอยู่ที่เดิมเพื่อไม่ให้โปรแกรมจบการทำงาน

การแอสเซมเบลอร์เพื่อสร้างรหัสภาษาเครื่อง

โปรแกรมที่เขียนด้วยภาษาแอสเซมบลี้ต้องผ่านกระบวนการแปลภาษาเพื่อให้อยู่ในรูปรหัสภาษาเครื่องโดยอาศัยโปรแกรมแปลภาษาที่เรียกว่าแอสเซมเบลอร์ (assembler) ในที่นี้เราจะใช้โปรแกรม avr-gcc ซึ่งตัวมันเองจะไปเรียกใช้โปรแกรม avr-as เพื่อแปลโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้เป็นรหัสภาษาเครื่องสำหรับสถาปัตยกรรม AVR อีกทีหนึ่ง

avr-gcc -mmcu=atmega168 -o first.elf first.S

อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้

-mmcu=atmega168 เป็นตัวบอกคอมไพเลอร์ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้เป็นเบอร์ ATMega168
-o first.elf ระบุว่าให้เอาท์พุทถูกเก็บลงในไฟล์ first.elf หากไม่ระบุโปรแกรมจะสร้างไฟล์ชื่อ a.out แทน

ผลลัพธ์ที่ได้จะอยู่ในรูปของไฟล์ฟอร์แมต ELF (Excutable and Linkable Format) ซึ่งประกอบไปด้วยเฮดเดอร์และข้อมูลเสริมอื่น ๆ อีกมากมาย อย่างไรก็ตามเราต้องการเพียงแค่ส่วนที่เป็นรหัสภาษาเครื่องของโปรแกรม ซึ่งสกัดออกมาได้โดยใช้คำสั่ง avr-objcopy ดังนี้

avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex first.elf first.hex

อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้

-j .text -j .data สกัดข้อมูลจากเซคชัน .text และ .data ซึ่งเป็นเซคชันที่เก็บโค้ดโปรแกรมและข้อมูลเริ่มต้นในไฟล์ ELF
-O ihex ส่งเอาท์พุทในรูปแบบ Intel HEX

ผลลัพธ์ที่ได้จะถูกเก็บไว้ในไฟล์ first.hex ซึ่งเป็นไฟล์ ASCII โดยภายในไฟล์จะมีข้อมูลคล้ายคลึงกับที่แสดงในตัวอย่าง

$ cat first.hex
:100000000C9434000C943E000C943E000C943E0082
:100010000C943E000C943E000C943E000C943E0068
:100020000C943E000C943E000C943E000C943E0058
:100030000C943E000C943E000C943E000C943E0048
:100040000C943E000C943E000C943E000C943E0038
:100050000C943E000C943E000C943E000C943E0028
:100060000C943E000C943E0011241FBECFEFD4E050
:10007000DEBFCDBF0E9440000C9445000C940000F0
:0E00800007E007B904E008B9FFCFF894FFCFFE
:00000001FF

สังเกตว่าไฟล์รหัสภาษาเครื่องดูจะยาวกว่าต้นฉบับโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้มาก ทดลองแปลงโปรแกรมภาษาเครื่องกลับมาเป็นภาษาแอสเซมบลี้โดยใช้คำสั่ง avr-objdump ดังนี้

$ avr-objdump -d first.elf

กระบวนการข้างต้นเรียกว่าเป็นการทำดิสแอสเซมเบิล (disassemble) ซึ่งอ็อปชัน -d ย่อมาจาก disassemble บนหน้าจอจะแสดงผลลัพธ์ดังนี้

first.elf:     file format elf32-avr


Disassembly of section .text:

00000000 <__vectors>:
   0:	0c 94 34 00 	jmp	0x68	; 0x68 <__ctors_end>
   4:	0c 94 3e 00 	jmp	0x7c	; 0x7c <__bad_interrupt>
   8:	0c 94 3e 00 	jmp	0x7c	; 0x7c <__bad_interrupt>
   :
   : ละไว้
   :
  64:	0c 94 3e 00 	jmp	0x7c	; 0x7c <__bad_interrupt>

00000068 <__ctors_end>:
  68:	11 24       	eor	r1, r1
  6a:	1f be       	out	0x3f, r1	; 63
  6c:	cf ef       	ldi	r28, 0xFF	; 255
  6e:	d4 e0       	ldi	r29, 0x04	; 4
  70:	de bf       	out	0x3e, r29	; 62
  72:	cd bf       	out	0x3d, r28	; 61
  74:	0e 94 40 00 	call	0x80	; 0x80 <main>
  78:	0c 94 45 00 	jmp	0x8a	; 0x8a <_exit>

0000007c <__bad_interrupt>:
  7c:	0c 94 00 00 	jmp	0	; 0x0 <__vectors>

00000080 <main>:
  80:	07 e0       	ldi	r16, 0x07	; 7
  82:	07 b9       	out	0x07, r16	; 7
  84:	04 e0       	ldi	r16, 0x04	; 4
  86:	08 b9       	out	0x08, r16	; 8

00000088 <loop>:
  88:	ff cf       	rjmp	.-2      	; 0x88 <loop>

0000008a <_exit>:
  8a:	f8 94       	cli

0000008c <__stop_program>:
  8c:	ff cf       	rjmp	.-2      	; 0x8c <__stop_program>

ตัวเลขด้านซ้ายมือสุดในแต่ละบรรทัดที่มีคำสั่งภาษาแอสเซมบลี้อยู่ (เช่น 7c:) แสดงตำแหน่งที่อยู่ (address) ของแฟลชโปรแกรมในรูปฐานสิบหก ตัวเลขชุดถัดมาคือรหัสคำสั่งภาษาเครื่อง และส่วนที่เหลือเป็นคำสั่งภาษาแอสเซมบลี้ที่สอดคล้องกัน ดังนั้นบรรทัดที่ระบุว่า

  80:	07 e0       	ldi	r16, 0x07	; 7

จึงมีความหมายว่าให้บรรจุรหัสคำสั่งภาษาเครื่อง 07e0 (สองไบต์) ลงไปในชิปที่ตำแหน่งหน่วยความจำ 80 และ 81 (ฐานสิบหก)

แต่สังเกตว่าคำสั่งภาษาแอสเซมบลี้ที่เราเขียนไว้ในต้นฉบับปรากฏอยู่ที่ตำแหน่งหน่วยความจำที่ 80 ถึง 89 เท่านั้น แต่รหัสภาษาเครื่องที่ดิสแอมเซมเบิลออกมานั้นกลับประกอบไปด้วยอะไรอีกหลายอย่างที่เราไม่ได้เขียน ทั้งนี้เนื่องจากในสถาปัตยกรรม AVR จำเป็นต้องมีการตั้งค่าเริ่มต้นให้กับชิปหลายอย่างก่อนที่จะเริ่มทำงานได้อย่างถูกต้อง ดังนั้น avr-gcc จึงปะส่วนการตั้งค่าเริ่มต้นนี้ให้เราในส่วนหัวของโปรแกรม นอกจากนั้นยังมีการปะโค้ดให้วนซ้ำไว้ในส่วนท้ายโปรแกรมเพื้อป้องกันกรณีที่เราเผลอปล่อยโปรแกรมให้จบการทำงานออกมา

การเขียนโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์

โดยทั่วไปการนำโปรแกรมลงสู่แฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นมักอาศัยเครื่องโปรแกรมชิป (chip programmer) อย่างไรก็ตามชิป ATmega168 ที่แจกไปให้นั้นได้ถูกป้อนโปรแกรมพิเศษที่เรียกว่าบูทโหลดเดอร์ (boot loader) เอาไว้เพื่อจำลองบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นอุปกรณ์โปรแกรมชิปชนิด USBasp ซึ่งจะรอรับรหัสภาษาเครื่องที่ส่งมาทางพอร์ท USB ของเครื่องคอมพิวเตอร์ และเขียนข้อมูลเหล่านั้นลงสู่หน่วยความจำแฟลช

บูทโหลดเดอร์ถูกติดตั้งไว้ในตำแหน่งแฟลชที่เป็นบูทเซคเตอร์ของชิป (เริ่มต้นที่แอดเดรส 0x3800 ของหน่วยความจำแฟลช) ซึ่งเป็นจุดแรกที่ไมโครคอนโทรลเลอร์เริ่มต้นทำงาน กระบวนการทำงานของบูทโหลดเดอร์ที่เตรียมไว้ให้เป็นดังรูปด้านล่าง

จะเห็นว่าเงื่อนไขของการที่จะให้บูทโหลดเดอร์เข้าสู่โหมด USB เพื่อรอรับข้อมูลนั้นคือไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องถูกรีเซ็ตด้วยปุ่มรีเซ็ต และขา PD7 ต้องถูกเชื่อมลงกราวนด์ ซึ่งทำได้โดยการเสียบจั๊มเปอร์ไว้ที่อุปกรณ์ JP1 บนบอร์ด จุดสังเกตที่แสดงให้เห็นว่าไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังรอรับข้อมูลจากพอร์ท USB คือ LED สีเขียวบนบอร์ดจะกระพริบถี่ ๆ

ในระหว่างที่ไมโครคอนโทรลเลอร์จำลองตัวเองเป็นอุปกรณ์ USB หากเรียกคำสั่ง lsusb (อาจต้องเรียกมากกว่าหนึ่งครั้ง) บนเครื่องคอมพิวเตอร์จะต้องปรากฏรายการอุปกรณ์ที่มี VID:PID เป็น 16c0:05dc ดังตัวอย่าง

$ lsusb
Bus 004 Device 001: ID 0000:0000  
Bus 003 Device 007: ID 16c0:05dc  <-- ต้องปรากฏบรรทัดนี้ (หมายเลข Bus และ Device อาจแตกต่างออกไป)
Bus 003 Device 001: ID 0000:0000  
Bus 002 Device 001: ID 0000:0000  
Bus 001 Device 001: ID 0000:0000

อันแสดงว่าไมโครคอนโทรลเลอร์อยู่ในสภาพพร้อมที่จะรับโปรแกรมแล้ว

การส่งโปรแกรมไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านพอร์ท USB นั้นให้ใช้คำสั่ง avrdude ดังแสดง

avrdude -p atmega168 -c usbasp -U flash:w:first.hex

อ็อพชันต่าง ๆ ที่ใช้ในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้

-p atmega168 ระบุว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ปลายทางคือเบอร์ ATmega168
-c usbasp ระบุว่าเครื่องโปรแกรมชิปที่ใช้คือชนิด USBAsp
-U flash:w:first.hex ระบุว่าให้ดำเนินการเขียนข้อมูลลงสู่หน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยนำเข้าข้อมูลจากไฟล์ first.hex

หมายเหตุ: หากพบปัญหาเกี่ยวกับสิทธิการเข้าถึงอุปกรณ์ USB ให้ดำเนินตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ในเอกสาร การแก้ไขสิทธิการเข้าถึงพอร์ท USB ของบอร์ด MCU

การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาซี

โปรแกรมตัวอย่างภาษาซี

ทดลองพิมพ์โปรแกรมตัวอย่างต่อไปนี้ และบันทึกไว้ในชื่อ first.c

#define F_CPU 16000000UL // บอกไลบรารีว่า MCU ทำงานที่ 16MHz
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

main()
{
    PORTD = 0b00000000;  // กำหนดลอจิกขา PD7..0 เป็น 0
    DDRD  = 0b00001000;  // กำหนดให้ขา PD3 ทำหน้าที่เอาท์พุท

    while (1)
    {
        PORTD = 0b00001000;  // ส่งลอจิก 1 ไปที่ขา PD3
        _delay_ms(1000);
        PORTD = 0b00000000;  // ส่งลอจิก 0 ไปที่ขา PD3
        _delay_ms(1000);
    }
}

โปรแกรมข้างต้นเรียกใช้ค่าคงที่สำหรับ I/O รีจีสเตอร์จากไฟล์เฮดเดอร์ avr/io.h และฟังก์ชันหน่วงเวลาจากไฟล์เฮดเดอร์ util/delay.h

การคอมไพล์โปรแกรมให้เป็นภาษาเครื่อง

กระบวนการแปลโปรแกรมภาษาชั้นสูงให้เป็นภาษาเครื่องนั้นเรียกว่าเป็นการคอมไพล์ (compile) ซึ่งอาศัยโปรแกรมที่เรียกว่าคอมไพเลอร์ (compiler) เป็นตัวดำเนินการ เราอาศัยโปรแกรม avr-gcc เป็นตัวคอมไพเลอร์โดยเรียกใช้งานดังนี้ (สังเกตว่ามีการใช้อ็อปชัน -O เพิ่มเติมขึ้นมา)

avr-gcc -mmcu=atmega168 -O -o first.elf first.c

อ็อพชันต่าง ๆ ที่ระบุในคำสั่งข้างต้นมีหน้าที่ดังนี้

-mmcu=atmega168 เป็นตัวบอกคอมไพเลอร์ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้เป็นเบอร์ ATMega168
-O ระบุว่าให้คอมไพเลอร์ทำ code optimization ซึ่งจำเป็นต้องใช้เพื่อให้ฟังก์ชัน _delay_ms() ทำงานได้ถูกต้อง
-o first.elf ระบุว่าให้เอาท์พุทถูกเก็บลงในไฟล์ first.elf หากไม่ระบุโปรแกรมจะสร้างไฟล์ชื่อ a.out แทน

หมายเหตุ: avr-gcc ทำหน้าที่เป็นได้ทั้งแอสเซมเบลอร์และคอมไพเลอร์ ขึ้นอยู่กับนามสกุลของไฟล์อินพุทว่าเป็น .S หรือ .c

การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile

จากที่ผ่านมาจะเห็นว่าการพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นประกอบด้วยการแก้ไขโปรแกรมด้วยเท็กซ์เอดิเตอร์ และเซฟลงในไฟล์ .c จากนั้นจึงดำเนินตามขั้นตอนดังนี้

ครอสคอมไพล์โปรแกรมด้วยคำสั่ง avr-gcc
สกัดรหัสภาษาเครื่องจากไฟล์ ELF ด้วยคำสั่ง avr-objcopy
ส่งรหัสภาษาเครื่องไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ด้วยคำสั่ง avrdude

ในแต่ละขั้นตอนนั้นมีการเรียกคำสั่งที่ค่อนข้างยาว เราจึงควรสร้าง Makefile ขึ้นมาเพื่อให้คำสั่งเหล่านี้ถูกเรียกใช้งานโดยอัตโนมัติ

all: first.hex

flash: first.hex
    avrdude -p atmega168 -c usbasp -U flash:w:first.hex

first.hex: first.elf
    avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex first.elf first.hex

first.elf: first.c
    avr-gcc -mmcu=atmega168 -O -o first.elf first.c

(ระวังว่าบรรทัดที่เยื้องเข้าไปนั้นต้องเป็นอักขระแท็บ ไม่ใช่ช่องว่าง)

สมมติว่าภายในไดเรคตอรีที่เรียกใช้คำสั่ง make มีเพียงไฟล์ first.c และ Makefile การเรียกคำสั่ง

make

จะถือเป็นการสร้างเป้าหมายที่ระบุไว้ตัวแรกสุด ในที่นี้คือ all ซึ่งจะมีผลให้มีการดำเนินการดังนี้

เป้าหมาย all ระบุไว้ว่าให้สร้างเป้าหมาย first.hex ขึ้นมา
make หาไฟล์ first.hex ไม่พบ แต่ทราบว่าสามารถสร้างขึ้นจาก first.elf
make หาไฟล์ first.elf ไม่พบ แต่ทราบว่าสามารถสร้างขึ้นจาก first.c
make พบไฟล์ first.c ในไดเรคตอรี จึงเรียกคำสั่ง avr-gcc เพื่อสร้างไฟล์ first.elf
เมื่อได้ first.elf มาแล้วจึงเรียก avr-objcopy เพื่อสร้างไฟล์ first.hex เป็นอันเสร็จกระบวนการ

หากต้องการให้มีการเขียนแฟลชไมโครคอนโทรลเลอร์ ให้เรียกคำสั่ง make โดยระบุเป้าหมาย flash ดังนี้

make flash

ซึ่งจะมีการดำเนินการสร้างเป้าหมาย first.hex โดยอัตโนมัติหากหาไฟล์นี้ไม่พบหรือไฟล์ที่มีอยู่นั้นเก่ากว่าไฟล์ first.c จากนั้นจึงตามด้วยการเรียกใช้คำสั่ง avrdude เพื่อแฟลชเฟิร์มแวร์ใหม่ให้กับไมโครคอนโทรลเลอร์

หากต้องการนำ Makefile ไปปรับใช้ในโครงงานอื่นได้ง่าย เราสามารถปรับ Makefile ให้ยืดยุ่นขึ้นโดยระบุขั้นตอนด้วยรูปแบบ (pattern) ดังตัวอย่าง

TARGET=first.hex
MCU=atmega168
F_CPU=16000000L
CFLAGS=-DF_CPU=$(F_CPU) -mmcu=$(MCU) -O

all: $(TARGET)

flash: $(TARGET)
    avrdude -p atmega168 -c usbasp -U flash:w:$(TARGET)

%.hex: %.elf
    avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex $< $@

%.elf: %.c
    avr-gcc $(CFLAGS) -o $@ $?

%.o: %.c
    avr-gcc -c $(CFLAGS) $@ $<

การนำ Makefile นี้ไปใช้กับโครงงานอื่นทำได้โดยการเปลี่ยนบรรทัดแรกจาก first.hex เป็ืนชื่อไฟล์สำหรับโครงงานนั้น ๆ เท่านั้น สังเกตว่าเรายังได้ระบุค่าของ F_CPU ไว้ระหว่างการคอมไพล์ ดังนั้นบรรทัด

#define F_CPU 16000000L

ในไฟล์ .c จึงไม่จำเป็นอีกต่อไป แต่เพื่อความแน่ใจว่าค่าของ F_CPU จะต้องถูกนิยามไว้ที่ใดที่หนึ่ง และต้องไม่ถูกนิยามซ้ำ เราควรใส่เงื่อนไขการนิยามไว้ตอนต้นของโปรแกรมดังนี้

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 16000000L
#endif

การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

เนื้อหา

ติดตั้งซอฟท์แวร์ที่เกี่ยวข้อง

การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาแอสเซมบลี้

ตัวอย่างโปรแกรมภาษาแอสเซมบลี้

การแอสเซมเบลอร์เพื่อสร้างรหัสภาษาเครื่อง

การเขียนโปรแกรมลงบนหน่วยความจำแฟลชของไมโครคอนโทรลเลอร์

การพัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วยภาษาซี

โปรแกรมตัวอย่างภาษาซี

การคอมไพล์โปรแกรมให้เป็นภาษาเครื่อง

การสร้างกระบวนการอัตโนมัติด้วย Makefile

บทความที่เกี่ยวข้อง

ข้อมูลเพิ่มเติม

รายการเลือกการนำทาง

เครื่องมือส่วนตัว

เนมสเปซ

สิ่งที่แตกต่าง

ดู

เพิ่มเติม

ค้นหา

การนำทาง

เครื่องมือ