Microcontroller unter Linux
Was ist eigentlich ein Microcontroller?
Kurz gesagt — ein programmierbarer IC. Man entwickelt am Computer ein Programm und spielt es über ein Kabel auf den Microcontroller (kurz: µC), der dieses dann bei 5V Spannung ausführt. Somit kann man zum Beispiel komplizierte Ansteuerungen von LCD-Displays realisieren, die ohne µC oder passenden IC fast unmöglich wären. Außerdem lässt sich bei geänderten Anforderungen leicht eine neue Version aufspielen, ohne dass an der Hardware etwas modifiziert werden muss.
Grundlagen
Ein Microcontroller hat immer drei festgelegte Anschlüsse: Betriebsspannung (VCC), Masse (GND) und Reset. Alle restlichen Pins (die „Beinchen” des µCs) sind immer maximal zu acht in Ports organisiert. Die Ports werden mit Buchstaben benannt, die Pins mit Zahlen; beispielsweise wird der zweite Pin im PortD mit PORTD1 angesprochen (weil das Zählen in den meisten Programmiersprachen mit Null anfängt).
Wenn an einem Pin die Betriebsspannung anliegt, ist er high, ansonsten low. Für Microcontroller gibt es nichts dazwischen, da im Binärsystem nur mit Nullen und Einsen gerechnet wird.
Benötigte Programme
Die folgenden Pakete werden (zusätzlich zu einem Texteditor) benötigt:
- avrdude
- zum Übertragen einer hex-Datei über die serielle Schnittstelle
- avr-libc
- Bibliotheken und Header-Dateien für C
- gcc-avr
- für AVR-Zwecke angepasster C-Compiler
- avra
- Assembler für die Atmel-Familie
Für Debian und dessen 
Derivate (z.B. Ubuntu, Kubuntu und Xubuntu) gilt somit folgender Code:
$ sudo apt-get install avrdude avr-libc gcc-avr avra
Danach müssen noch die Berechtigungen angepasst werden:
$ sudo chmod a+rw /dev/ttyS0
Atmels AVR-Familie
Wir werden hauptsächlich den ATtiny13, den ATtiny2313 den ATmega8 und den ATmega16 verwenden, von Atmel gibt es aber eine ganze Reihe von Microcontrollern:
(Die Bedeutung der hervorgehobenen Teile wird im nächsten Abschnitt beschrieben.)
- AT90S1200
avrdude -p 1200- AT90S2313
avrdude -p 2313- AT90S2333
avrdude -p 2333- AT90S2343
avrdude -p 2343- AT90S4414
avrdude -p 4414- AT90S4433
avrdude -p 4433- AT90S4434
avrdude -p 4434- AT90S8515
avrdude -p 8515- AT90S8535
avrdude -p 8535- AT90CAN128
avrdude -p c128- AT90CAN32
avrdude -p c32- AT90CAN64
avrdude -p c64- ATmega103
avrdude -p m103- ATmega128
avrdude -p m128- ATmega1280
avrdude -p m1280- ATmega1281
avrdude -p m1281- ATmega1284P
avrdude -p m1284p- ATmega128RFA1
avrdude -p m128rfa1- ATmega16
avrdude -p m16- ATmega161
avrdude -p m161- ATmega162
avrdude -p m162- ATmega163
avrdude -p m163- ATmega164
avrdude -p m164- ATmega164P
avrdude -p m164p- ATmega168
avrdude -p m168- ATmega169
avrdude -p m169- ATmega2560
avrdude -p m2560- ATmega2561
avrdude -p m2561- ATmega32
avrdude -p m32- ATmega324P
avrdude -p m324p- ATmega325
avrdude -p m325- ATmega3250
avrdude -p m3250- ATmega328P
avrdude -p m328p- ATmega329
avrdude -p m329- ATmega3290
avrdude -p m3290- ATmega329P
avrdude -p m329p- ATmega3290P
avrdude -p m3290p- ATmega32U4
avrdude -p m32u4- ATmega48
avrdude -p m48- ATmega64
avrdude -p m64- ATmega640
avrdude -p m640- ATmega644P
avrdude -p m644p- ATmega644
avrdude -p m644- ATmega645
avrdude -p m645- ATmega6450
avrdude -p m6450- ATmega649
avrdude -p m649- ATmega6490
avrdude -p m6490- ATmega8
avrdude -p m8- ATmega8515
avrdude -p m8515- ATmega8535
avrdude -p m8535- ATmega88
avrdude -p m88- AT90PWM2
avrdude -p pwm2- AT90PWM2B
avrdude -p pwm2b- AT90PWM3
avrdude -p pwm3- AT90PWM3B
avrdude -p pwm3b- ATtiny10
avrdude -p t10- ATtiny12
avrdude -p t12- ATtiny13
avrdude -p t13- ATtiny15
avrdude -p t15- ATtiny2313
avrdude -p t2313- ATtiny25
avrdude -p t25- ATtiny26
avrdude -p t26- ATtiny261
avrdude -p t261- ATtiny4
avrdude -p t4- ATtiny44
avrdude -p t44- ATtiny45
avrdude -p t45- ATtiny461
avrdude -p t461- ATtiny5
avrdude -p t5- ATtiny84
avrdude -p t84- ATtiny85
avrdude -p t85- ATtiny861
avrdude -p t861- ATtiny88
avrdude -p t88- ATtiny9
avrdude -p t9- AT32uca0512
avrdude -p ucr2- ATmega1286
avrdude -p usb1286- ATmega1287
avrdude -p usb1287- ATmega162
avrdude -p usb162- ATmega647
avrdude -p usb646- ATmega647
avrdude -p usb647- ATmega82
avrdude -p usb82- ATxmega128A1
avrdude -p x128a1- ATxmega128A1revD
avrdude -p x128a1d- ATxmega128A3
avrdude -p x128a3- ATxmega128A4
avrdude -p x128a4- ATxmega16A4
avrdude -p x16a4- ATxmega192A1
avrdude -p x192a1- ATxmega192A3
avrdude -p x192a3- ATxmega256A1
avrdude -p x256a1- ATxmega256A3
avrdude -p x256a3- ATxmega256A3B
avrdude -p x256a3b- ATxmega32A4
avrdude -p x32a4- ATxmega64A1
avrdude -p x64a1- ATxmega64A3
avrdude -p x64a3- ATxmega64A4
avrdude -p x64a4
Programmierplatinen
Um vom Computer aus Dateien auf den µC spielen zu können, benötigt man eine Programmierplatine. Dabei gibt es Einsteigerboards wie das Pollinboard (Bausatz oder fertige Schaltung), das bereits einige Hardware zum Üben mitbringt. Eine andere Möglichkeit sind sogenannte ISP-Adapter, die über ein entsprechendes Kabel mit der Zielschaltung verbunden werden, ohne dort den µC aus dem Sockel nehmen zu müssen. Diese haben den Vorteil, dass man sie für mehrere Zielschaltungen verwenden kann. Beispiele sind der AVR-ISP-Adapter (Selbstbau) oder USBasp (Bausatz).
Übertragen
Das Programm, das die gewünschte Funktionalität bereitstellt, wird natürlich auf dem Computer mit einem beliebigen Texteditor geschrieben. Um es zu übertragen, wird eine hex-Datei benötigt, die erst durch das Kompilieren (bei C) oder Assemblieren (bei Assembler) entsteht. Diese generierte Datei kann dann über eine Programmierplatine auf den µC programmiert werden. Dazu ist das Programm avrdude da:
$ avrdude -p m8 -c ponyser -P /dev/ttyS0 -v -U flash:w:datei.hex
avrdude: AVR device initialized and ready to accept instructions
Reading | ################################################## | 100% 0.00s
avrdude: Device signature = 0x1e9309
avrdude: NOTE: FLASH memory has been specified, an erase cycle will be performed
To disable this feature, specify the -D option.
avrdude: erasing chip
avrdude: reading input file "datei.hex"
avrdude: writing flash (5462 bytes):
Writing | ################################################## | 100% 3.18s
avrdude: 5462 bytes of flash written
avrdude: verifying flash memory against datei.hex:
avrdude: load data flash data from input file datei.hex:
avrdude: input file datei.hex contains 5462 bytes
avrdude: reading on-chip flash data:
Reading | ################################################## | 100% 2.08s
avrdude: verifying ...
avrdude: 5462 bytes of flash verified
avrdude: safemode: Fuses OK
avrdude done. Thank you.
$ avrdude -p m8 -c ponyser -P /dev/ttyS0 -v -U eeprom:w:datei.eep.hex
Dieser Befehl überträgt die Datei datei.hex (-U) über die serielle Schnittstelle (-P) auf einen ATmega8 (-p m8). Der Parameter -c gibt das Interface an, -v schaltet mehr Ausgabeinformationen ein. Eine Übersicht aller verwendbaren Parameter und möglicher Interfaces gibt es im 
Manual.
Vor allem später, wenn man Fuses setzen will, wird einem aber die Kommandozeile doch zu umständlich. Torsten Brischalle hat eine GUI geschrieben, die intuitiv zu bedienen ist: AVR8 Burn-O-Mat
Zahlendarstellungen
Für die Programmierung ist es evtl. wichtig oder praktischer, eine Zahl in einem speziellen Format darzustellen. Wichtig ist dabei, dass alle Darstellungen dieselbe Zahl bedeuten.
| Bit Nr. | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| dezimaler Wert | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 | ||
| hexadezimaler Wert | 8 | 4 | 2 | 1 | 8 | 4 | 2 | 1 | ||
| Beispiele: | ||||||||||
| dezimal | hexadezimal | binär | ||||||||
| 17 | 0x11 | 0b00010001 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 60 | 0x3c | 0b00111100 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 103 | 0x67 | 0b01100111 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 41 | 0x29 | 0b00101001 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 238 | 0xf3 | 0b11110011 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 165 | 0xa5 | 0b10100101 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
Um aus einer binären Zahl eine (hexa)dezimale Zahl zu errechnen, addiert man nun die dezimalen bzw. hexadezimalen Werte aller Bits, die auf high gesetzt sind, also den Wert 1 haben. Bei der hexadezimalen Darstellung stehen die Buchstaben A bis F (Groß- / Kleinschreibung egal) für die Zahlen 10 bis 15.
Jetzt aber los!
Nach der ganzen Theorie kommen wir natürlich endlich zu den Projekten: Als erstes beschäftigen wir uns mit dem Pollinboard.
Allen, die schon etwas Erfahrung haben, empfehle ich die eigene Würfelplatine.
Wer nach einer Programmieralternative für den USB-Port sucht, wird mit USBasp sicher glücklich.
makefiles
Bei jedem Microcontroller-Projekt müssen mehrere Befehle vom Kompilieren / Assemblieren zum Übertragen ausgeführt werden. Das wird natürlich sehr schnell sehr lästig. Deshalb gibt es eine schöne kleine Programmiersprache namens make. In dem entsprechenden makefile wird bei einem Aufruf von make für jede Zieldatei geprüft, ob sich etwas an den zugehörigen Quelldateien geändert hat. Dann werden die Befehle ausgeführt, die zum Erstellen der Zieldatei nötig sind.
Für C-Dateien:
# Datei, die übertragen werden soll
file = mein-projekt.hex
all: $(file)
avrdude -p m8 -c ponyser -P /dev/ttyS0 -v -U flash:w:$(file)
# Befehl wird jedes Mal ausgeführt
%.hex: %.c
avr-gcc -mmcu=atmega8 -I. -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -std=gnu99 $*.c -o $*.o
# -mmcu muss natürlich an den jeweiligen µC angepasst werden
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom $*.o $*.hex
# $* wird durch Dateinamen ohne Endung (mein-projekt) ersetzt
Für Assembler-Dateien:
# Datei, die übertragen werden soll
file = mein-projekt.hex
all: $(file)
avrdude -p m8 -c ponyser -P /dev/ttyS0 -v -U flash:w:$(file)
# Befehl wird jedes Mal ausgeführt
%.hex: %.asm
avra -I "/usr/share/avra" $*.asm
$ make