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Avr-gcc

2006-05-16T08:34:56Z

SeveQ: /* Zugiff auf Bytes und Worte */

'''avr-gcc''' ist ein freier C-[[Compiler]], mit dem man C-Programme zu ausführbaren Programmen übersetzen kann, die auf [[Microcontroller]]n der [[AVR]]-Familie lauffähig sind.
An Sprachen versteht avr-gcc sowohl C als auch [[#C%2b%2b|C++]].
Neben Standard-C bzw. ANSI-C versteht avr-gcc auch GNU-C, das etwas mehr Möglichkeiten und kleinere Spracherweiterungen bietet.

avr-gcc kann auch dazu verwendet werden, um C/C++ Programme nach Assembler zu übersetzen oder um Bibliotheken zu erstellen, die später in unterschiedlichen Projekten verwendet werden können.

Wie bei allen aus der UNIX-Welt kommenden Programmen ist das Kommando-Interface von avr-gcc die Shell bzw. die Kommandozeile, über die Optionen, Parameter, Einstellungen und die Namen der zu übersetzenden Dateien angegeben werden.

=How to Read=

Dieser Artikel bespricht avr-gcc Version 3.x. Er ist kein Tutorial und kein AVR-Handbuch – das würde den Umfang des Artikels bei weitem sprengen.

Der Artikel ist ein Handbuch zu avr-gcc. Er bespricht zum Beispiel, wie man avr-gcc anwendet und Besonderheiten von avr-gcc-C,
die nicht zum Sprachumfang von C gehören.
Dazu zählen die Definition von [[#Interrupts|Interrupt]] Service Routinen ([[ISR|ISRs]])
oder wie man Daten ins [[EEPROM]] legt.

Es wird also besprochen, ''wie'' eine ISR zu definieren ist, aber nicht,
''warum'' das gegebenenfalls notwendig oder nicht notwendig ist.
''Warum'' etwas gemacht wird, ist abhängig von der gestellten Aufgabe,
etwa ''"Initialisiere den [[UART]] zur Benutzung mit 9600 Baud"''.
Dafür enthält dieser Artikel zusammen mit dem AVR-Handbuch das Rüstzeug,
bietet aber keine Lösungen für konkrete Aufgaben.

In den [[:Kategorie:Quellcode C|C-Codebeispielen]]
befindet sich das ausführlichere Beispiel "[[Hallo Welt für AVR (LED blinken)]]",
das nur eine [[Diode#Lumineszenzdiode|LED]] blinkt und zeigt,
wie ein kleines Projekt mit avr-gcc compiliert werden kann.

Es gibt es ein allgemeines [[C-Tutorial]], das jedoch noch unvollständig und teilweise feherhaft ist (Stand 02/2006). Darüber hinaus gibt es ein [http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-GCC-Tutorial C-Tutorial bei www.mikrocontroller.net].

=Benutzer-Schnittstelle=

Die Benutzer-Schnittstelle von avr-gcc ist – wie für alle Programme, die aus der UNIX-Welt kommen – die Kommandozeile einer Shell, Console bzw. Eingabeaufforderung.

Im einfachsten Fall sieht ein Aufruf von avr-gcc also so aus:
> avr-gcc
Dabei das '<tt>></tt>' nicht mittippen, und ein ENTER am Ende der Zeile drücken.
Die Antwort bei korrekter Installation ist dann
avr-gcc: no input files
Was bedeutet: das Programm avr-gcc wurde vom Betriebssystem gefunden und konnte/durfte gestartet werden. Dann gibt avr-gcc eine Fehlermeldung aus und beendet die Ausführung, weil er keine Eingabedatei(en) bekommen hat  was ja auch stimmt. Soweit ist also alles in Butter.

Um eine C-Datei <tt>foo.c</tt> mir avr-gcc optimiert zu einem lauffähigen elf-Programm <tt>foo.elf</tt> für einen [[ATmega32]] zu compileren, würde man angeben
> avr-gcc -O2 -mmcu=atmega32 foo.c -o foo.elf

[[GCC]] war immer Kommandozeilen-orientiert und wird es auch immer bleiben, denn das hat gute Gründe:
* ein Compiler ist ein Compiler ist ein Compiler (und keine grafische Bedienschnittstelle)
* die Plattformabhängigkeit wird auf ein Minimum reduziert
* es gibt die Möglichkeit, avr-gcc per Skript oder [[make]] zu starten
* avr-gcc kann durchaus in eine Umgebung integriert werden: in einen Editor oder in eine GUI wie neuere Versionen von AVR-Studio erfolgreich beweisen, etc. Der avr-gcc-Aufruf kann sogar von einem Server-Socket oder einer Web-Application heraus erfolgen, welche ein C-Programm empfängt, es von avr-gcc übersetzen lässt, und das Resultat zurückschickt oder sonst was damit anstellt.
* Lizenzgründe: eine Umgebung, die avr-gcc integriert, kann durchaus proprietär oder nicht quelloffen sein und muss nicht der [[Freie Software|GPL]] unterliegen. Wieder ist AVR-Studio ein Beispiel.

=Allgemeine Charakteristika von avr-gcc=

;Groß- und Kleinschreibung: C unterscheidet generell zwischen Groß- und Kleinschreibung, sowohl bei Variablen- und Funktionsnamen, bei Sprungmarken als auch bei Makros, und je nach Betriebssystem auch bei Pfad- und Dateinamen/Dateierweiterungen.

;Größe des Typs int: Der Standard-Typ <tt>int</tt> ist 16 Bit groß

;Größe von Pointern: Ein Pointer (Zeiger) ist 16 Bit groß

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

;<tt>size_t</tt>: <tt>size_t</tt> ist <tt>unsigned</tt> und immer 16 Bit groß, unabhängig davon , ob mit <tt>-mint8</tt> übersetzt wird oder nicht.

==Binäre Konstanten==
Einige Versionen von avr-gcc ermöglichen die Verwendung binärer Konstanten für Ganzzahl-Werte:
<pre>unsigned char value = 0b00000010;</pre>
Davon sollte man absehen, denn zum einen hat man schnell eine 0 zu wenig oder zu viel getippselt, es ist kein Standard-C und man hat die leserlichere Alternative
<pre>unsigned char value = (1<<1);</pre>

==Registerverwendung==
avr-gcc verwendet die Prozessor-Register [[GPR]]s auf eine definierte Art und Weise. Wie die Register verwendet werden, muss man wissen, wenn man Assembler-Funktionen schreibt, die mit durch avr-gcc übersetztem C-Code zusammenpassen sollen. Der "reinen" C-Programmierer muss sich keine Gedanken um die Register-Verwendung machen.
;R0: ein temporäres Register, in dem man rumwutzen darf
;R1: enthält immer den Wert 0
;R1  R17, R28, R29: allgemeine Register, die durch einen Funktionsaufruf nicht verändert bzw wieder auf den ursprünglichen Wert restauriert werden
;R0, R18  R27, R30, R31: können durch Funktionsaufrufe verändert werden, ohne restauriert zu werden

;Framepointer: R28  R29 (Y-Reg) enthält den Framepointer, sofern benötigt
;Argument-Register: Die Register R8 bis R25 finden Verwendung zur Übergabe von Funktionsparametern. Für den Ort, an dem das Argument übergeben wird, gilt:
:* Die Große in Bytes wird zur nächsten geraden Zahl aufgerundet, falls die Argumentgröße ungerade ist.
:* Ist in den verbleibenden Übergaberegistern kein Platz mehr oder ist das Argument namenlos (varargs), wird es im Memory übergeben und die Adresse als implizites erstes Argument.
:* Der Registerort fängt mit 26 an.
:* Von dem Registerort wird die berechete Größe abgezogen und (falls Platz) das Argument in diesen Registern übergeben. Ist das erste Argument z.B. ein <tt>long</tt>, dann erfolgt die Übergabe in den Registern R22, R23, R24 und R25 (LSB zuerst). Danach wird die gerundete Größe des Arguments vom Registerort abgezogen, dieser also auf 22 gesetzt. Ist das nächste Argument ein <tt>char</tt>, wird dessen Größe auf 2 aufgerundet und vom Ort abgezogen. Dieses Argument wird also in R20 übergeben und der Ort auf 20 gesetzt, etc.
;Return-Register: Ein Return-Wert wird in den gleichen Registern zurückgegeben, die auch für ein gleichgrosses erstes Funktionsargument genommen würden. Liefert eine Funktion ein <tt>long</tt>, dann erfolgt die Rückgabe also in den Registern R22<tt>-</tt>R25 (LSB zuerst). Bei einem <tt>short</tt> sind es die Register R24 und R25.

=Ablauf der Codegenerierung=

Die Code-Erzeugung durch avr-gcc geschieht in mehreren, voneinander unabhängigen Schritten. Diese Schritte sind für den Anwender nicht immer erkennbar, und es auch nicht unbedingt notwendig, sie zu kennen. Für ein besseres Verständnis der Code-Generierung und zur Einordnung von Fehlermeldungen und Warnungen ist eine Kenntnis aber durchaus hilfreich.

==Übersichts-Grafik==

[[Bild:Avr-gcc-1.png|Zusammenspiel zwischen avr-gcc und binutils]]

==Schritte der Codegenerierung==

Ohne die Angabe spezieller Optionen legt avr-gcc die Zwischenformate nur als temporäre Dateien an, und nach Beenden des Compilers wieder diese wieder gelöscht. Dadurch fällt die Aufgliederung in Unterschritte nicht auf. In diesem Falle müssen Assembler und Linker/Locator auch nicht extra aufgerufen werden, sondern die Aufrufe werden durch avr-gcc verwaltet.

;Precompileren: Alle Preprozessor-Direktiven werden aufgelöst. Dazu gehören Direktiven wie
:{| border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"
|
<pre>
#include <avr/io.h>
#include "meinzeug.h"

#define MAKRONAME ERSATZTEXT

#if !defined(__AVR__)
#error einen Fehler ausgeben und abbrechen
#else
/* Alles klar, wir koennen loslegen mit C-Code fuer AVR */
#endif

MAKRONAME
</pre>
|}
:Precompilieren besteht also nur aus reinem Textersatz: Auflösen von Makros, kopieren von anderen Dateien in die Quelle, etc.

;Compilieren: In diesem Schritt geschieht der eigentliche Compilier-Vorgang: avr-gcc übersetzt die reine, precompilierte C-Quelle (*.i): Die Quelle wird auf Syntax-Fehler geprüft, es werden Optimierungen gemacht, und das übersetzte C-Programm als Assembler-Datei in (*.s) gespeichert.

;Assemblieren: Der Assembler (<tt>avr-as</tt>) übersetzt den Assembler-Code (*.s) in das AVR-eigene Objektformat elf32-avr (*.o). Das Objekt enthält schon Maschinen-Code. Zusätzlich gibt es aber noch Lücken, die erst später gefüllt werden und Debug-Informationen und ganz viel anderes Zeug.

;Linken und Lokatieren: Der Linker (<tt>avr-ld</tt>) bindet die angegebenen Objekte (*.o) zusammen und löst externe Referenzen auf. Der Linker entscheidet anhand der Beschreibung im Linker-Script, in welchen Speicheradressen und [[#Sections|Sections]] die Daten landen: er ''lokatiert'' (von location, locate (en)). Module aus Bibliotheken (*.a) werden hinzugebunden (z.B. <tt>printf</tt>) und die elf32-avr Ausgabedatei (üblicherweise *.elf) erzeugt.

;Umwandeln ins gewünschte Objekt-Format: Ohne Angabe spezieller [[#Kommandozeilen-Optionen|Optionen]] erzeugen Linker und Assembler ihre Ausgabe im Objektformat elf32-avr. Wird ein anderes Objektformat wie Intel-HEX (*.hex), binary (*.bin) oder srec (*.srec) benötigt, kann <tt>avr-objcopy</tt> dazu verwendet werden, um diese zu erstellen. Der Inhalt einzelner Sections kann gezielt umkopiert oder ausgeblendet werden, so daß Dateien erstellt werden können, die nur den Inhalt des Flashs (Section <tt>.text</tt>) oder des [[EEPROM]]s (Section <tt>.eeprom</tt>) repräsentieren. Durch das Umwandeln in ein anderes Objektformat gehen üblicherweise Informationen wie Debug-Informationen verloren.

:Es ist auch möglich, den Linker mit der Optione <tt>--oformat=...</tt> zu starten, damit er direkt das gewünschte Ausgabeformat erzeugt. Diese Option lässt man von avr-gcc an den Linker weiterreichen, etwa wenn man direkt eine Intel-HEX-Datei erstellen will und keine elf-Datei braucht, wie sie z.b. beim Debuggen benötigt wird:
:<pre>> avr-gcc ... -Wl,--oformat=ihex</pre>

=Kommandozeilen-Optionen=
Die Codegenerierung bei avr-gcc wird über Kommandozeilen-Optionen gesteuert. Diese legen fest, für welchen Controller Code zu erzeugen ist, wie stark optimiert wird, ob Debug-Informationen erzeugt werden, etc. Die Optionen teilen sich in zwei Gruppen: Optionen, die für alle GCC-Ports verfürgbar sind und maschinenspezifische Optionen, die nur für AVR verfügbar sind.

Aus der Masse an GCC-Optionen kann hier nur ein kleiner Auszug der wichtigsten und am häufigsten verwendeten Optionen vorgestellt werden. Eine Auflistung aller GCC-Optionen mit Kurzbeschreibung umfasst knapp 1000 Zeilen  ohne undokumentierte Optionen, versteht sich.

==Allgemeine Optionen für GCC==
; <tt>--help</tt>: Anzeige der wichtigsten Optionen
; <tt>--help -v</tt>: Überschüttet einen mit Optionen
; <tt>--target-help</tt>: Anzeige der wichtigsten maschinenspezifischen Optionen
; <tt>-O0</tt>: keine Optimierung
; <tt>-O1</tt>: Optimierung
; <tt>-Os</tt>: optimiert für Code-Größe
; <tt>-O2</tt>: stärkere Optimierung für bessere Laufzeit
; <tt>-g</tt>: erzeugt Debug-Informationen
; <tt>-c</tt>: (pre)compilert und assembliert nur bis zum Objekt (<tt>*.o</tt>), kein Link-Lauf
; <tt>-S</tt>: (pre)compilert nur und erzeugt Assembler-Ausgabe (*.s)
; <tt>-E</tt>: nur Precompilat (<tt>*.i</tt>) erzeugen, kein Compilieren, kein Assemblieren, kein Linken
; <tt>-o <filename></tt>: legt den Name der Ausgabedatei fest
; <tt>-v</tt>: zeigt Versionsinformationen an und ist geschwätzig (verbose): Anzeige der aufgerufenen tools
; <tt>-I<path></tt>: Angabe eines weiteren Include-Pfads, in dem Dateien mit <tt>#include <...></tt> gesucht werden
; <tt>-E -dM <filename></tt>: Anzeige aller Defines
; <tt>-MM</tt>: Für die angegebenen Eingabe-Dateien wird eine Ausgabe erzeugt, die als [[make|Makefile]]-Fragment dienen kann und die Anhängigkeiten (dependencies) der Objekte von den Quellen/Headern beschreibt.
; <tt>-D<name></tt>: Definiert Makro <tt><name></tt>
; <tt>-D<name>=<wert></tt>: Definiert Makro <tt><name></tt> zu <tt><wert></tt>
; <tt>-U<name></tt>: Undefiniert Makro <tt><name></tt>
; <tt>-save-temps</tt>: Temporäre Dateien (<tt>*.i</tt>, <tt>*.s</tt>) werden nicht gelöscht. Teilweise fehlerhaft zusammen mit <tt>-c</tt>
; <tt>-Wa,<options></tt>: übergibt Komma-getrennte Liste <tt><options></tt> an den Assembler (<tt>avr-as</tt>)
:;<tt>-Wa,-a=<filename></tt>: Assembler erzeugt ein Listing mit Name <tt><filename></tt>
; <tt>-Wp,<options></tt>: übergibt Komma-getrennte Liste <tt><options></tt> an den Preprozessor
; <tt>-Wl,<options></tt>: übergibt Komma-getrennte Liste <tt><options></tt> an den Linker (<tt>avr-ld</tt>)
:;<tt>-Wl,-Map=<filename></tt>: Linker erzeugt ein Map-File mit Name <tt><filename></tt>
:;<tt>-Wl,--oformat=<format></tt>: Linker erzeugt Ausgabe im Format <tt><format></tt>, z.b. <tt>ihex</tt> für Intel-HEX-File
:;<tt>-Wl,--section-start=<section>=<address></tt>: Linker legt die [[#Sections|Section]] <tt><section></tt> ab Adresse <tt><address></tt>, z.B: <tt>.eeprom=0x810001</tt>
; <tt>-Wall</tt>: gibt mehr Warnungen, aber immer noch nicht alle
; <tt>-pedantic</tt>: geht besonders pedantisch mit Code um
; <tt>-ansi</tt>: bricht mit einer Fehlermeldung ab, wenn kein ANSI-C verwendet wurde
; <tt>-ffreestanding</tt>: Das erzeugte Programm läuft nicht in einer Umgebung wie einer Shell. Der Prototyp von <tt>main</tt> ist
:<pre>void main (void);</pre>

==Maschinenspezifische Optionen für avr-gcc==
Maschinenabhängige Optionen beginnen immer mit '''-m'''
;-mmcu=xxx: Festlegen des Targets (Zielsystem/Controller), für das Code generiert werden soll. Je nach Target muss avr-gcc unterschiedliche Instruktionen verwendet und andere Startup-Dateien (<tt>crtxxx.o</tt>) einbinden. avr-gcc setzt spezielle Defines, um auch in der Quelle zwischen den Targets unterscheiden zu können, falls das notwendig sein sollte:
:{| border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"
|
<pre>
#ifdef __AVR_AT90S2313__
/* Code fuer AT90S2313 */
#elif defined (__AVR_ATmega8__) || defined (__AVR_ATmega32__)
/* Code fuer Mega8 und Mega32 */
#else
#error Das ist noch nicht implementiert für diesen Controller!
#endif
</pre>
|}

Zwar gibt es für alle AVR-Derivate die <tt>avr/io.h</tt>, aber die AVR-Familien unterscheiden sich in ihrer Hardware; z.B. darin, wie I/O-Register heissen oder wie Hardware zu initialisieren ist. Diese Abhängigkeit kann man in unterschiedlichen Codestücken aufteilen und wie oben gezeigt bedingt übersetzen. Dadurch hat man Funktionalitäten wie <tt>uart_init</tt> auf unterschiedlichen Controllern und wahrt den Überblick, weil nicht für jede Controller-Familie eine extra Datei notwendig ist.
{|
|- valign="top"
|
:{| {{Blauetabelle}}
|+ '''AVR classic, <= 8 kByte'''
|- {{Hintergrund1}}
!|mcu || Builtin define
|-
|avr2 ||<tt>__AVR_ARCH__=2</tt>
|-
|[[AT90S2313|at90s2313]] ||<tt>__AVR_AT90S2313__</tt>
|-
|at90s2323 ||<tt>__AVR_AT90S2323__</tt>
|-
|at90s2333 ||<tt>__AVR_AT90S2333__</tt>
|-
|at90s2343 ||<tt>__AVR_AT90S2343__</tt>
|-
|attiny22 ||<tt>__AVR_ATtiny22__</tt>
|-
|attiny26 ||<tt>__AVR_ATtiny26__</tt>
|-
|at90s4414 ||<tt>__AVR_AT90S4414__</tt>
|-
|at90s4433 ||<tt>__AVR_AT90S4433__</tt>
|-
|at90s4434 ||<tt>__AVR_AT90S4434__</tt>
|-
|at90s8515 ||<tt>__AVR_AT90S8515__</tt>
|-
|at90c8534 ||<tt>__AVR_AT90C8534__</tt>
|-
|at90s8535 ||<tt>__AVR_AT90S8535__</tt>
|-
|at86rf401 ||<tt>__AVR_AT86RF401__</tt>
|}
| 
:{| {{Blauetabelle}}
|+ '''AVR classic, > 8 kByte'''
|- bgcolor="#ccccff"
! |mcu ||Builtin define
|-
|avr3 ||<tt>__AVR_ARCH__=3</tt>
|-
|atmega103 ||<tt>__AVR_ATmega103__</tt>
|-
|atmega603 ||<tt>__AVR_ATmega603__</tt>
|-
|at43usb320 ||<tt>__AVR_AT43USB320__</tt>
|-
|at43usb355 ||<tt>__AVR_AT43USB355__</tt>
|-
|at76c711 ||<tt>__AVR_AT76C711__</tt>
|}
|}

----

{|
|- valign="top"
|
:{| {{Blauetabelle}}
|+ '''AVR enhanced, <= 8 kByte'''
|- bgcolor="#ccccff"
!|mcu || Builtin define
|-
|avr4 ||<tt>__AVR_ARCH__=4</tt>
|-
|[[Atmel Controller Mega8|atmega8]] ||<tt>__AVR_ATmega8__</tt>
|-
|atmega8515 ||<tt>__AVR_ATmega8515__</tt>
|-
|atmega8535 ||<tt>__AVR_ATmega8535__</tt>
|}
|
:{| {{Blauetabelle}}
|+ '''AVR enhanced, > 8 kByte'''
|- bgcolor="#ccccff"
!|mcu ||Builtin define
|-
|avr5 ||<tt>__AVR_ARCH__=5</tt>
|-
|[[Atmel Controller Mega16 und Mega32|atmega16]] ||<tt>__AVR_ATmega16__</tt>
|-
|atmega161 ||<tt>__AVR_ATmega161__</tt>
|-
|atmega162 ||<tt>__AVR_ATmega162__</tt>
|-
|atmega163 ||<tt>__AVR_ATmega163__</tt>
|-
|atmega169 ||<tt>__AVR_ATmega169__</tt>
|-
|[[Atmel Controller Mega16 und Mega32|atmega32]] ||<tt>__AVR_ATmega32__</tt>
|-
|atmega323 ||<tt>__AVR_ATmega323__</tt>
|-
|[[ATMega64|atmega64]] ||<tt>__AVR_ATmega64__</tt>
|-
|[[Atmel Controller Mega128|atmega128]] ||<tt>__AVR_ATmega128__</tt>
|-
|at94k ||<tt>__AVR_AT94K__</tt>
|}
|}

----

:{| {{Blauetabelle}}
|+ '''AVR, nur Assembler'''
|- bgcolor="#ccccff"
! |mcu ||Builtin define
|-
|avr1 ||<tt>__AVR_ARCH__=1</tt>
|-
|at90s1200 ||<tt>__AVR_AT90S1200__</tt>
|-
|attiny11 ||<tt>__AVR_ATtiny11__</tt>
|-
|attiny12 ||<tt>__AVR_ATtiny12__</tt>
|-
|attiny15 ||<tt>__AVR_ATtiny15__</tt>
|-
|attiny28 ||<tt>__AVR_ATtiny28__</tt>
|}

----

; -minit-stack=xxx: Festlegen der Stack-Adresse
; -mint8: Datentyp <tt>int</tt> ist nur 8 Bit breit, anstatt 16 Bit. Datentypen mit 32 Bit wie <tt>long</tt> sind nicht verfügbar
; -mno-interrupts: Ändert den Stackpointer ohne Interrupts zu deaktivieren
; -mcall-prologues: Funktions-Prolog und -Epilog werden als Unterroutinen umgesetzt, um die Codegröße zu verkleinern
; -mtiny-stack: Nur die unteren 8 Bit des Stackpointers werden verändert
; -mno-tablejump: Für ein <tt>switch</tt>-Statement werden keine Sprungtabellen angelegt
; -mshort-calls: Verwendet <tt>rjmp</tt>/<tt>rcall</tt> (begrenzte Sprungweite) auf Devices mit mehr als 8 kByte Flash
; -msize: Ausgabe der Instruktonslängen im asm-File
; -mdeb: (undokumentiert) Ausgabe von Debug-Informationen für GCC-Entwickler
; -morder1: (undokumentiert) andere Register-Allokierung
; -morder2: (undokumentiert) andere Register-Allokierung

=Builtins=

Zur bedingten Codeerzeugung und zur Erkennung, welcher Compiler sich an der Quelle zu schaffen macht, sind folgende Builtins hilfreich.

Siehe auch: [[#Maschinenspezifische Optionen für avr-gcc|Maschinenspezifische Optionen]]

==Builtin Defines==

===GCC===
;<tt>__GNUC__</tt>: X wenn GCC-Version X.Y.Z
;<tt>__GNUC_MINOR__</tt>: Y wenn GCC-Version X.Y.Z
;<tt>__GNUC_PATCHLEVEL__</tt>: Z wenn GCC-Version X.Y.Z
;<tt>__VERSION__</tt>: "X.Y.Z" wenn GCC-Version X.Y.Z
;<tt>__GXX_ABI_VERSION</tt>: Version der ABI (Application Binary Interface)
;<tt>__STDC__</tt>: Ist 1, wenn Standard-C übersetzt wird
;<tt>__OPTIMIZE__</tt>: Optimierung ist aktiviert
;<tt>__NO_INLINE__</tt>: Ohne Schalter <tt>-finline</tt> resp. <tt>-finline-all-functions</tt> etc.
;<tt>__ASSEMBLER__</tt>: Definiert, falls GCC die Eingabe als Assembler-Code betrachtet und nicht compiliert. Weiterleitung an den Assembler.
;<tt>__cplusplus</tt>: Es wird C++ übersetzt (Quell-Endung <tt>*.cpp</tt>, <tt>*.c++</tt> oder Option <tt>-x c++</tt>).
;<tt>__FILE__</tt>: Löst auf zum Dateinamen der Quelldatei, in der das <tt>__FILE__</tt> steht.
;<tt>__LINE__</tt>: Löst auf zur Zeilennummer der Quelldatei, in der das <tt>__LINE__</tt> steht.
;<tt>__DATE__</tt>: Löst auf zum Datum (precompile-date)
;<tt>__TIME__</tt>: Löst auf zur Zeit (precompile-time)

===avr-gcc===
;<tt>__AVR</tt>: Definiert für Target avr, d.h. avr-gcc ist am Werk
;<tt>__AVR__</tt>: dito
;<tt>__AVR_ARCH__</tt>: codiert den AVR-Kern, für den Code erzeugt wird (Classic, Mega, ...).
;<tt>__AVR_XXXX__</tt>: Gesetzt, wenn <tt>-mmcu=xxxx</tt>.

==Builtin Variablen==
;<tt>__func__</tt>: Eine magische Variable, die den aktuellen Funktionsnamen enthält. Gerade so, als hätte man ihn selbst mit
:<pre>static const char __func__[] = "main";</pre>
:definiert.

=Sections=

Sections sind mit Fächern vergleichbar, in die Daten, Code, Debug-Informationen usw. einsortiert werden. Zur Section <tt>.text</tt> gehört z.B. der ausführbare Code, welcher letztendlich im Flash landet. Wo genau das ist, braucht man nicht zu wissen und es spielt auch keine Rolle, wo eine bestimmte Funktion landet.

Für 'normalen' Code und 'normale' Daten braucht man sich nicht um die Sections zu kümmern, sie werden von avr-gcc automatisch richtig zugeordnet. Für spezielle Anwendungen kann es aber notwendig sein, die Ablage in eine andere Section zu machen; etwa wenn man Daten im EEPROM lesen/schreiben will. Wie das genau gemacht wird, steht im Abschnitt "[[avr-gcc#Attribute|Attribute]]" und es gibt ein Beispiele in den Abschnitten
"[[avr-gcc#SRAM, Flash, EEPROM: Datenablage am Beispiel Strings|Datenablage am Beispiel Strings]]" und "[[Zufallszahlen mit avr-gcc|Zufall]]".

<center>
{| {{Blauetabelle}}
|+ '''Tabelle: Bedeutung der Sections bei avr-gcc'''
|- {{Hintergrund1}}
! |Section ||Ablage ||Betrifft ||Beschreibung
|-
|<tt>.text</tt> ||Flash ||Code ||normaler Programm-Code
|-
|<tt>.data</tt> ||SRAM ||Daten ||wird vom Startup-Code initialisiert, u.a. aus <tt>.progmem</tt>
|-
|<tt>.bss</tt> ||SRAM ||Daten ||wird vom Startup-Code zu 0 initialisiert
|-
|colspan="4" bgcolor="#bbbbff"|
|-
|<tt>.progmem</tt> ||Flash ||Daten ||wird vom Startup-Code nach <tt>.data</tt> kopiert
|-
|<tt>.eeprom</tt> ||EEPROM ||Daten ||Daten im EEPROM
|-
|<tt>.noinit</tt> ||SRAM ||Daten ||wird nicht initialisiert
|-
|colspan="4" bgcolor="#bbbbff"|
|-
|<tt>.init''n''</tt> ||Flash ||Code ||wird vor <tt>main</tt> ausgeführt, ''n'' = 0...9
|-
|<tt>.fini''n''</tt> ||Flash ||Code ||wird nach <tt>main</tt> ausgeführt, ''n'' = 9...0
|-
|<tt>.vectors</tt> ||Flash ||Code ||Vektor-Tabelle: Tabelle mit Sprüngen zur jeweiligen ISR
|-
|<tt>.bootloader</tt> ||Flash||Code ||für den Bootloader
|}
</center>
Der Anfang einer Section kann auch dem Linker mitgegeben werden, etwa wenn wie üblich avr-gcc als Treiber für den Linker verwendet wird:
avr-gcc ... -Wl,--section-start=.eeprom=0x810001
Damit beginnt Section <tt>.eeprom</tt> nicht an der (virtuellen) Adresse <tt>0x810000</tt>,
sondern ein Byte später.
Manche AVRs haben einen [[AVR-Errata|Silicon-Bug]], der bei Verwendung der EEPROM-Adresse 0 zu Fehlern führt.
Mit der obigen Linker-Option wird diese Adresse nicht mehr verwendet.



=Attribute=

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

'''Syntax:'''
<pre>
__attribute__ ((<name>))
__attribute__ ((<name1>, <name2>, ...))
__attribute__ ((<name> ("<wert>")))
</pre>

==Nützliche Attribute von GCC==

{| {{Blauetabelle}}
|+ '''Tabelle: Attribute von GCC''' (Auszug)
|- {{Hintergrund1}}
! |Attribut ||Funktionen ||Daten ||Typen ||Beschreibung
|-
| <tt>section ("<name>")</tt>
!| (x) || (x) || (x)
| Lokatiert nach Section <tt><name></tt>
|-
| <tt>noreturn</tt>
!| x || ||
| Die Funktion wird nie zurückkehren
|-
|<tt>inline</tt>
!| x || ||
|Funktion wird geinlinet falls möglich
|-
|<tt>noinline</tt>
!|x || ||
|Funktion wird keinesfalls geinlinet
|-
|<tt>packed</tt>
!| || x || x
|Datenablage in Strukturen erfolgt dicht, also ohne eventuelle Füllbytes
|-
|<tt>unused</tt>
!| || x ||
|Variable wird nicht verwendet, z.B. bei Funktionsparametern, die nicht gebraucht werden. Vermeidet entsprechende Warnungen.
|}

==Attribute von avr-gcc==

{| {{Blauetabelle}}
|+ '''Tabelle: Attribute von avr-gcc'''
|- {{Hintergrund1}}
! |Attribut ||Funktionen ||Daten ||Typen ||Beschreibung
|-
| <tt>progmem</tt>
!| x || x || x
| Lokatiert ins Flash
|-
| <tt>naked</tt>
!| x || ||
|Funktion wird ohne Prolog/Epilog erzeugt
|-
|<tt>interrupt</tt>
!| x || ||
|Hier nur wegen der Vollständigkeit erwähnt
|-
|<tt>signal</tt>
!| x || ||
|Hier nur wegen der Vollständigkeit erwähnt
|}

'''Beispiele:'''

<pre>
#define EEPROM __attribute__ ((section (".eeprom")))

const char EE_HALLO_WELT[] EEPROM = "Hallo Welt";
const int EE_wert EEPROM = 0x1234;

void __attribute__ ((noinline))
foo()
{
/* Code */
}
</pre>

=Dynamische Speicherallokierung=

[[Bild:Avr-ram.png|right|thumb|RAM-Layout für ein AVR mit 1kByte SRAM]]
Zur dynamischen Speicherallokierung stehen Standard-Funktionen wie <tt>malloc</tt> zur Verfügung.
Damit kann man zur Laufzeit Speicher anfordern und wenn man ihn nicht mehr benötigt, wieder freigeben.
Funktionen wie <tt>malloc</tt> und <tt>calloc</tt> sind jedoch recht aufwändig.
Die allokierten Speicherstücke werden intern in einer verketteten Liste verwaltet,
und das verbraucht wertvollen Platz im Flash und im SRAM sowie Laufzeit.

Resourcen-schonendere Möglichkeiten, zur Laufzeit an Speicher zu kommen,
bieteten <tt>__builtin_alloca</tt> und dynamische Arrays.
Der Speicher, der damit belegt wird, wird nicht auf dem Heap angelegt,
sondern im Frame der Funktion. Das ist wesentlich effektiver als die Standard-Methoden,
denn es muss nur ein Wert zum Framepointer addiert werden.
Den so erhaltenen Speicher braucht man auch nicht freizugeben. Das geschieht automatisch beim Verlassen der Funktion in deren Epilog, indem der Wert wieder vom Framepointer subtrahiert wird.

{{FarbigerRahmen|
Von der Verwendung ist der mittels <tt>__builtin_alloca</tt> und dynamischer Arrays erhaltene '''Speicher also wie eine lokale Variable, mitsamt den bekannten Regeln für den Gültigkeitsbereich'''.

Insbesondere darf dieser Speicher nicht mit <tt>return</tt> an die darüberliegende Funktion zurückgegeben werden, weil er dann nicht mehr gültig ist und ein Zugriff darauf zu einem
Laufzeitfehler führt!

Der Speicherbereich ist dort gültig, wo auch die Adresse einer 'normalen' lokalen Variablen gültig wäre, wenn diese an der gleichen Stelle definiert würde.

Das Programm/der Algorithmus muss daher beim Beschreiten dieses Wegs darauf angepasst sein.
}}

'''Verwendung:'''
<pre>
void function (size_t num_data)
{
// data_t hat man irgendwo selber definiert, oder es ist ein elementarer Typ
data_t * const p = (data_t * const) __builtin_alloca (num_data * sizeof (data_t));

// Mach was mit p[0] ... p[num_bytes-1]
...
}
</pre>
oder mittels eines dynamischen Arrays:
<pre>
void function (size_t num_data)
{
// data_t hat man irgendwo selber definiert, oder es ist ein elementarer Typ
data_t p[num_data];

// Mach was mit p[0] ... p[num_bytes-1]
...
}
</pre>

=C++=

Aus Effizienzgründen sollte der Einsatz von C++ sehr kritisch betrachtet werden:
:''"When programming C++ in space- and runtime-sensitive environments like microcontrollers, extra care should be taken to avoid unwanted side effects of the C++ calling conventions like implied copy constructors that could be called upon function invocation etc. These things could easily add up into a considerable amount of time and program memory wasted. Thus, casual inspection of the generated assembler code (using the <tt>-S</tt> compiler option) seems to be warranted."''

Zudem unterliegt der Einsatz von C++ je nach Compiler/Lib-Version bestimmten Einschränkungen:
*Einer kompletten C++ Implementierung fehlt die Unterstützung durch die <tt>libstdc++</tt>, dadurch fehlen Standardfunktionen, -Klassen und -Templates
* Die Operatoren <tt>new</tt> und <tt>delete</tt> sind nicht implementiert, ihre Verwendung führt zu unauflösbaren externen Referenzen (Linker-Fehler)
*Nicht alle Header sind C++-sicher und müssen in <tt>extern "C" {...}</tt> eingeschlossen werden.
*Exceptions werden nicht unterstützt und müssen via <tt>-fno-exceptions</tt> abgeschaltet werden, oder der Linker beschwert sich über eine unauflösbare externe Referenz zu <tt>__gxx_personality_sj0</tt>.

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

Interrupt-Service-Routinen (ISRs) sind C-Funktionen und werden definiert wie gehabt. Siehe auch [[#Interrupts|Interrupts]].
<pre>
#include <avr/io.h>
#include <avr/signal.h>

#if defined (__cplusplus)
extern "C" {
#endif /* __cplusplus */

SIGNAL (SIG_NAME)
{
/* machwas */
}

INTERRUPT (SIG_NAME)
{
/* mach was */
}

#if defined (__cplusplus)
}
#endif /* __cplusplus */
</pre>
<tt>__cplusplus</tt> ist ein Standard [[#Builtin Defines|GCC-Builtin-Define]].

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

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

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

==Zugriff auf Special Function Registers (SFRs)==

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

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

...
// SREG lesen
uint8_t sreg = SREG;
...
// SREG schreiben
SREG = sreg;
</pre>
Die Bezeichner der SFRs sind die gleichen wie im Manual. Eventuell verschafft ein Blick in den Header Klarheit. Dieser befindet sich in

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

Dieser Zugriff geht auch für 16-Bit Register wie <tt>TCNT1</tt>, für die eine bestimmte Reihenfolge für den Zugriff auf Low- und High-Teil eingehalten werden muss: avr-gcc generiert die Zugriffe in der richtigen Reihenfolge.
uint16_t tcnt1 = TCNT1;

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

===Zugriff auf einzelne Bits===
Zugriff auf Bits geht wie gewohnt mit den Bitoperationen
<tt>&</tt> (and),
<tt>|</tt> (or),
<tt>^</tt> (xor) und
<tt>~</tt> (not)

Wieder gibt es Defines in den AVR-Headern, mit denen man Masken für den Zugriff erhalten kann, etwa:
<pre>
/* GIMSK / GICR */
#define INT1 7
#define INT0 6
#define IVSEL 1
#define IVCE 0
</pre>

Masken ergeben sich durch Schieben von <tt>1</tt> an die richtige Position:
<pre>
// Ports B_0 und B_1 als Ausgang
DDRB |= (1<<PB0) | (1<<PB1);
</pre>
erzeugt
<pre>
87 b3 in r24, 0x17
83 60 ori r24, 0x03
87 bb out 0x17, r24
</pre>

Etwas anders sieht der Code aus, wenn die Bits einzeln gesetzt werden und das Register im bitadressierbaren Bereich liegt (SRAM <tt>0x20</tt> bis <tt>0x3f</tt> resp. I/O <tt>0x0</tt> bis <tt>0x1f</tt>):
<pre>
// Ports B_0 und B_1 als Ausgang
DDRB |= (1<<PB0);
DDRB |= (1<<PB1);
</pre>
erzeugt
<pre>
b8 9a sbi 0x17, 0
b9 9a sbi 0x17, 1
</pre>
{{FarbigerRahmen|
Auch hier ist zu beachten, daß es Probleme geben kann, wenn nicht atomarer Code erzeugt wird, weil der AVR-Befehlssatz nicht mehr hergibt:
<pre>
// toggle PORT B_0: wechseln 0 <--> 1
PORTB ^= (1<<PB0);
</pre>
ergibt
<pre>
88 b3 in r24, 0x18
; Wenn hier ein Interrupt auftritt, in dessen ISR PORTB verändert wird,
; dann wird die Änderung durch die letzte Instruktion wieder überschrieben!
91 e0 ldi r25, 0x01
; dito
89 27 eor r24, r25
; dito
88 bb out 0x18, r24
</pre>
}} 

Auch das Lesen einzelner Port-Pins geht über das Maskieren von SFRs:
<pre>
DDRB &= ~(1 << PB2); // PortB.2 als INPUT

if (PINB & (1 << PB2))
// PortB.2 ist HIGH
else
// PortB.2 ist LOW

if (!(PINB & (1 << PB2)))
// PortB.2 ist LOW
else
// PortB.2 ist HIGH
</pre>

==Interrupts==

Um zu kennzeichnen, daß es sich bei einer Funktion um eine Interrupt Sevice Routine (ISR) handelt, gibt es spezielle Attribute. Diese brauchen nicht explizit hingeschrieben zu werden, ebensowenig wie die genaue Nummer des Interrupt Requests (IRQ). Dafür gibt es Includes und die folganeden Makros.

Bitte beachte auch die Hinweise zu den [[#Inkompatibilität|Inkompatibilität]]en von avr-gcc!
<pre>
#include <avr/io.h>
#include <avr/signal.h>

SIGNAL (SIG_OUTPUT_COMPARE1A)
{
/* ISR-Code */
}

INTERRUPT (SIG_OUTPUT_COMPARE1B)
{
/* ISR-Code */
}
</pre>

Dadurch wird die Funktion mit dem richtigen Prolog/Epilog erzeugt, und es wird ein Eintrag in die Interrupt-Vektortabelle gemacht  bei obigem Beispiel also zwei Einträge.

{{FarbigerRahmen|
Die Schreibweise des Signal-Names muss genau die sein wie im Header, das schliesst auch Leerzeichen ein! Nicht alle GCC-Versionen bringen Fehler/Warnung, wenn die Schreibweise nicht stimmt.
SIGNAL (SIG_OUTPUT_COMPARE1A ) // !!! Macht NICHT das, was man will (Blank am Ende)!!!
}}

;<tt>SIGNAL</tt>: Mit Ausführung einer ISR deaktiviert die AVR-Hardware die Interrupts, sodaß die ISR nicht durch andere Interrupt-Anforderungen unterbrochen wird. Beim Verlassen der ISR werden Interrupts wieder aktiviert. Tritt während der ISR ein IRQ auf, wird diese erst nach Beenden des ISR-Codes ausgeführt. Der Interrupt geht also nicht verloren. Zwischen zwei ISRs wird zusätzlich mindestens ein Befehl des normalen Programm-Codes abgearbeitet.
;<tt>INTERRUPT</tt>: Früh im ISR-Prolog werden mit <tt>sei</tt> die von der AVR-Hardware temporär deaktivierten Interrupts reaktiviert. Dadurch kann die ISR von einer IRQ unterbrochen werden. Das bietet die Möglichkeit, so etwas wie Interrupt-Priorisierung nachzubilden, was AVRs selbst nicht können. Weiterhin kann man schneller auf bestimmte Ereignisse reagieren. Tritt während der ISR ein anderer IRQ auf, der schnell bedient werden muss, kann sofort der dringende ISR-Code ausgeführt werden. Ansonsten (Verwendung von <tt>SIGNAL</tt>) würde der Code erst ausgeführt werden, nachdem die aktuelle ISR beendet ist.

{{FarbigerRahmen|Dauert die ISR zu lange und wird sie nochmals von ihrem eigenen IRQ unterbrochen, stürzt man ab.}}

Nachschlagen kann man den Namen in
:<tt><GCC_HOME>/avr/include/avr/ioxxxx.h</tt>

===Interrupts aktivieren===

Damit eine ISR überhaupt zur Ausführung kommt, müssen drei Bedingungen erfüllt sein
* Interrupts müssen global aktiviert sein
* Der entsprechen IRQ muss aktiviert worden sein
* Das zum IRQ gehörende Ereignis muss eintreten
<pre>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

...
// enable OutputCompareA Interrupt für Timer1
TIMSK |= (1 << OCIE1A);

// disable OutputCompareA Interrupt für Timer1
TIMSK &= ~(1 << OCIE1A);

// Interrupts aktivieren
sei();

// Interrupts abschalten
cli();
</pre>
Sperrt man eine Code-Sequenz durch Einschachteln in ein <tt>cli</tt>/<tt>sei</tt> Paar (man macht das Codestück "atomar", also ununterbrechbar), gehen währenddessen keine Interrupt-Anforderungen verloren. Die entsprechenden IRQ-Flags bleiben gesetzt, und nach dem <tt>sei</tt> werden die IRQs in der Reihenfolge ihrer Prioritäten abgearbeitet. Ausnahme ist, wenn in einem atomaren Block der selbe IRQ mehrfach auftritt. Der ISR-Code wird dann trotzdem nur einmal ausgeführt.

===default Interrupt===

Für nicht implementierte Interrupts macht avr-gcc in die Vektortabelle einen Eintrag,
der zu <tt>__bad_interrupt</tt> (definiert im Startup-Code <tt>crt*.o</tt>) springt
und von dort aus weiter zu Adresse 0.
Dadurch läuft der AVR wieder von neuem los, wenn ein Interrupt auftritt,
zu dem man keine ISR definiert hat
 allerdings ohne die Hardware zurückzusetzen wie bei einem echten Reset.

Möchte man diesen Fall abfangen, dann geht das über eine globale Funktion
namens <tt>__vector_default</tt>:
<pre>
#include <avr/signal.h>

SIGNAL (__vector_default)
...
</pre>
Damit wird von <tt>__bad_interrupt</tt> aus nicht nach Adresse 0 gesprungen,
sondern weiter zu <tt>__vector_default</tt>, welches durch <tt>SIGNAL</tt> oder
<tt>INTERRUPT</tt> den üblichen ISR-Prolog/Epilog bekommt.

So kann man z.B. eine Meldung ausgeben, eine Warnlampe blinken, in einer Endlosschleife landen, oder über den [[Watchdog]] einen richtigen Hardware-Reset auslösen, siehe auch Abschnitt "[[#Reset auslösen|Reset auslösen]]".

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

Wenn man in einer ISR komplett eigenes Zeug machen will,
dann definiert man eine nackte Funktion.
Mit <tt>naked</tt> befreit man die Routine vom Standard-Prolog/Epilog.
{{FarbigerRahmen|
Dabei ist darauf zu achten, daß die ISR mit <tt>reti</tt> (return from interrupt)
zurückkehrt und evtl. verwendete Register und den Status (<tt>SREG</tt>) sichert.
}}
<pre>
#include <avr/io.h>

void __attribute__ ((naked))
SIG_OVERFLOW0 (void)
{
/* Port B.6 = 0 */
/* Diese Instruktion verändert nicht das SREG und kein anderes Register */
/* so daß der eigentliche Code nur 1 Befehl lang ist */
__asm__ __volatile (
"cbi %0, %1" "\n\t"
"reti"
:
: "M" (_SFR_IO_ADDR (PORTB)), "i" (6)
);
}
</pre>
Die ISR sieht dann so aus:
<pre>
__vector_9:
c6 98 cbi 0x18, 6
18 95 reti
</pre>

Wiederum kann man als Funktionsname <tt>__vector_default</tt> nehmen,
um nicht-implementierte IRQs abzufangen:
<pre>
void __attribute__ ((naked))
__vector_default (void)
...
</pre>

==SRAM, Flash, EEPROM: Datenablage am Beispiel Strings==
Die Programmiersprache C kennt selber keine Strings; das einzige, was C bekannt ist, ist der Datentyp <tt>char</tt>, der ein einzelnes Zeichen repräsentiert.
===Darstellung in C===
Ein String im Sinne von C ist ein Array von Charactern bzw. ein Zeiger auf den Anfang des Arrays. Die einzelnen Zeichen folgen im Speicher direkt aufeinander und werden in aufsteigenden Adressen gespeichert. Am String-Ende folgt als Abschluss der Character <tt>'\0'</tt>, um das Ende zu kennzeichnen. Dies ist besonders bei der Berechnung des Speicherplatzes für Strings zu berücksichtigen, denn für die 0 muss auch Platz reserviert werden.

===Bestimmen der Stringlänge===
<pre>
/* Bestimmt die Laenge des Strings ohne die abschliessende '\0' zu zaehlen */
unsigned int strlength (const char *str)
{
unsigned int len = 0;

while (*str++)
len++;

return len;
}
</pre>

Die Stringlänge kann auch mit der Standard-Funktion <tt>strlen</tt> bestimmt werden, deren Prototyp sich in <tt>string.h</tt> befindet:
<pre>
#include <string.h>
size_t strlen (const char*);
</pre>

===String im Flash belassen===
Oftmals werden Strings nur zu Ausgabezwecken verwendet und nicht verändert. Verwendet man Sequenzen der Gestalt
<pre>
char *str1 = "Hallo Welt!";
char str2[] = "Hallo Welt!";
</pre>
dann werden die Strings im SRAM abgelegt. Im Startup-Code werden die Strings vom Flash ins SRAM kopiert und belegen daher sowohl Platz im SRAM als auch im Flash. Wird ein String nicht verändert, braucht er nicht ins SRAM kopiert zu werden. Das spart Platz im knapp bemessenen SRAM. Allerdings muss anders auf den String zugegriffen werden, denn wegen der Harvard-Architektur des AVR-Kerns kann avr-gcc anhand der Adresse nicht unterscheiden, ob diese ins SRAM, ins Flash oder ins EEPROM zeigt.
<pre>
#include <avr/pgmspace.h>

const prog_char str3[] = "Hallo Welt!";

unsigned int strlen_P (const prog_char *str)
{
unsigned int len = 0;

while (1)
{
char c = (char) pgm_read_byte (str);
if ('\0' == c)
return len;
len++;
str++;
}
}

void foo()
{
unsigned int len;
len = strlen_P (str3);
len = strlen_P (PSTR("String im Flash"));
}
</pre>

===String ins EEPROM legen===
Dies geht nach dem gleichen Muster, nach dem Strings ins Flash gelegt werden. Der Zugriff wird vergleichsweise langsam, denn der EEPROM ist langsamer als SRAM bzw. Flash.
<pre>
#include <avr/eeprom.h>

const char str4[] __attribute__ ((section(".eeprom"))) = "Hallo Welt!";

unsigned int strlen_EE (const char *str)
{
unsigned int len = 0;

while (1)
{
char c = (char) eeprom_read_byte (str);
if ('\0' == c)
return len;
len++;
str++;
}
}
</pre>

==Reset auslösen==
Falls ein Reset per Software ausgelöst werden soll, dann geht das am besten über den [[Watchdog]].
Einfach nur an den RESET-Punkt an Adresse 0 zu springen mit
goto *((void**) 0);
initialisiert zwar den Controller von neuem, aber es macht keinen wirkliches RESET mit Zurücksetzen der Hardware und allen I/O-Registern.

Durch den Watchdog kann man ein 'richtiges' RESET-Signal erzeugen lassen, so daß die AVR-Hardware genau so initialisiert ist, wie nach einem externen RESET. So kann man z.B. via [[UART]] ein RESET-Kommando schicken. Allerdings lässt sich der Watchdog nur minimal auf 15ms einstellen:
<pre>
#include <avr/wdt.h>
#include <avr/interrupt.h>
...
cli(); // Interrupts global abschalten
wdt_enable (WDTO_15MS); // Watchdog aufziehen auf 15ms
while (1); // warten, bis er zubeisst...
</pre>

Welches Ereignis einen RESET ausgelöst hat, kann man im Register '''MCUCSR''' (''MCU Control and Status Register'') erfahren. Es gibt 4 mögliche RESET-Quellen:
* Power-On Reset
* External Reset
* Brown-Out Reset
* Watchdog Reset

Soll der Inhalt von Variablen einen Reset überleben – eine Variable also nicht initialisiert werden – dann geht das so:
<pre>
#include <avr/io.h>

// status informiert z.B. darüber, ob wir selber den Watchdog ausgelöst haben
// oder nicht, oder andere Informationen
unsigned char status __attribute__ ((section (".noinit")));

void main (void)
{
// Wert von MCUSCR merken, möglichst früh im Programm
unsigned char mcucsr = MCUCSR;

// MCUCSR zurücksetzen
MCUCSR = 0;

// Watchdog-Reset
if (mcuscr & (1 << WDRF))
{
// status auswerten
}

// Power-On Reset: status auf definierten Wert setzen
if (mcuscr & (1 << PORF))
{
status = 0;
}

// status auswerten
...
}
</pre>

== Frühe Codeausführung vor main()==

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

Nach einen Reset und vor Aufruf von <tt>main</tt> werden Initialisierungen ausgeführt wie
* setzen des Stackpointers
* Vorbelegung globaler Datenobjekte: Daten ohne Initializer werden zu 0 initialisert (Section <tt>.bss</tt>). Für Daten mit Initializer (Section <tt>.data</tt>) werden die Werte aus dem Flash ins SRAM kopiert.
* Initialisierung von Registern wie R1, in dem bei avr-gcc immer die Konstante 0 gehalten wird.

Im Linker-Script werden Sections von <tt>.init0</tt> bis <tt>.init9</tt> definiert, die nacheinander abgearbeitet werden. Erst danach wird <tt>main</tt> betreten. Um Code früh auszuführen, legt man die Funktion in eine dieser Sections:
<tt>
/* !!! never call this function !!! */
void __attribute__ ((naked, section (".init3")))
code_init3 (void)
{
/* Code */
}
</tt>
Zu beachten ist dabei
* Eine so definierte Funktion darf keinesfalls aufgerufen werden!
* Zuweisungen wie <tt>i=0;</tt> ergeben vor <tt>.init3</tt> inkorrekten Code, da vor Ende von <tt>.init2</tt> Register R1 noch nicht mit 0 besetzt ist, avr-gcc aber davon ausgeht, daß es eben diesen Wert enthält.
* Lokale Variablen müssen in Registern liegen, denn vor Ende von <tt>.init2</tt> ist der Stackpointer noch nicht initialisiert. Zudem ist die Funktion <tt>naked</tt>, hat also insbesondere keinen Prolog, der den Framepointer (Y-Register) setzen könnte, falls er benötigt wird.
* Gegebenenfalls ist daher die Verwendung von [[Inline-Assembler in avr-gcc|inline-Assembler]] angezeigt oder die Implementierung in einem eigenen Assembler-Modul, das dazu gelinkt wird. Der erzeugte Code ist im List-File zu überfrüfen.
* Werden mehrere Funktionen in die gleiche init-Section gelegt, ist die Reihenfolge ihrer Ausführung nicht spezifiziert und i.a. nicht die gleiche wie in der Quelle.
Unbenutzte init-Sections haben die Nummern 0, 1, 3 und 5 bis 8. Die verbleibenden werden vom Startup-Code verwendet:
;<tt>.init2</tt>: Initialisieren von R1 mit 0 und setzen des Stackpointers
;<tt>.init4</tt>: Kopieren der Daten vom Flash ins SRAM (<tt>.data</tt>) und löschen von <tt>.bss</tt>
;<tt>.init6</tt>: C++ Konstruktoren
;<tt>.init9</tt>: Sprung zu <tt>main</tt>

Ein Programmbeispiel für Code in einer init-Section ist in "[[Speicherverbrauch bestimmen mit avr-gcc#Dynamischer RAM-Verbrauch|Speicherverbrauch bestimmen mit avr-gcc]]".

=Includes=

Die mit
#include <...>
angegebenen Includes werden von avr-gcc in den
mit der Option '<tt>-I</tt>' anegegenen Pfaden gesucht.
Dem Compiler bekannt ist der Pfad <tt><GCC_HOME>/avr/include</tt>.
Gibt man z.B. an
#include <stdio.h>
dann wird automatisch in diesem Verzeichnis nach <tt>stdio.h</tt> gesucht.
In dem Verzeichnis stehen Standard-Includes die benötigt werden, wenn man libc-Funktionen
oder mathematische Funktionen verwendet.
AVR-spezifische Dinge stehen im Unterverzeichnis <tt>avr</tt>, etwa:
#include <avr/io.h>
{{FarbigerRahmen|
Als Pfad-Separator wird immer ein '''<tt>/</tt>''' verwendet, auch auf Windows-Betriebssystemen! Also kein '''<tt>\</tt>''' !
}}

==Standard==

ctype.h character conversion macros and ctype macros
errno.h provides symbolic names for various error codes
inttypes.h Use [u]intN_t if you need exactly N bits.
These typedefs are mandated by the C99 standard.
math.h mathematical functions
setjmp.h The C library provides the setjmp() and longjmp() functions
to jump directly to another (non-local) function.
stdio.h Standard IO facilities
stdlib.h Declares some basic C macros and functions as defined by
the ISO standard, plus some AVR-specific extensions
string.h perform string operations on NULL terminated strings

==AVR-spezifisch==

Die AVR-spezifischen Includes finden sich wie gesagt im Unterverzeichnis <tt>avr</tt>.
Die meisten dort befindlichen Header wird man nie direkt durch Angabe im C-File erhalten,
sondern durch Angabe von
#include <avr/io.h>
Dadurch werden z.B. genau der I/O-Header eingebunden, der zum AVR-Modell passt, also
*<tt>avr/iom8.h</tt> für [[ATmega8]],
*<tt>avr/iotn2313.h</tt> für ATtiny2313,
*<tt>avr/io2313.h</tt> für [[AT90S2313]], etc.

Verantwortlich dafür ist der Schalter '<tt>-mmcu=xxx</tt>'.

Obwohl diese Header nicht explizit angegeben werden müssen,
kann ein Blick dorthin hilfreich sein, um die Namen von [[SFR|SFRs]]
oder Signals nachzuschlagen.
Diese Header werden im folgenden nicht alle einzeln aufgelistet.
Ihre Namen sind immer <tt>avr/io*.h</tt>.
* für ATmega: <tt>avr/iom*.h</tt>
* für ATtiny: <tt>avr/iotn*.h</tt>
<pre>
avr/boot.h Bootloader Support
avr/crc16.h Prüfsumme CRC16
avr/delay.h Verzögerungsschleife - loops for small accurate delays
avr/eeprom.h EEPROM-Routinen
avr/ina90.h Kompatibilität mit IAR-AVR-Compiler
avr/interrupt.h sei(), cli(), ...
avr/io.h --> inttypes.h, io*.h
avr/io*.h SFRs, SIG_****, SPM_PAGESIZE, RAMEND, XRAMEND, E2END, FLASHEND
avr/parity.h Parität
avr/pgmspace.h Zugriff aufs Flash: Byte lesen, PROGMEM, prog_char, prog_uint8_t, ...
avr/portpins.h Makros für Port-Pins
avr/signal.h Makros SIGNAL() und INTERRUPT(), ...
avr/sleep.h Power-Safe
avr/twi.h I2C
avr/wdt.h Watchdog
</pre>

=Optimierungen, Tipps & Tricks=

Beim Programmieren in C möchte man sich möglichst wenig mit der Codeerzeugung selbst auseinandersetzen. Man verwendet ja gerade deshalb einen Compiler und programmiert nicht in Assembler, weil man sich nicht um Register-Belegungen o.ä. kümmern will, sondern nur um die zu lösende Aufgabe.
GCC erzeugt zwar recht guten Code, aber er ist nicht perfekt. Gerade auf Systemen wie AVR mit nur sehr begrenzten Resourcen muss man daher dem Compiler hilfreich zur Seite stehen, wenn man noch dichteren/schnelleren Code erhalten möchte.

Um das Ergebnis zu beurteilen, hilft ein Blick ins Listfile.
Siehe dazu auch die Abschnitte
"[[Hallo Welt für AVR (LED blinken)#Listfile erstellen|Listfile erstellen]]"
und
"[[Hallo Welt für AVR (LED blinken)#Die Größe ermitteln|Die Größe ermitteln]]"
im [[Hallo Welt für AVR (LED blinken)|Hallo Welt für AVR]].

==Optimierungsgrad==
Als Optimierungsgrad erweist sich <tt>-Os</tt> (Optimize for Size) als der beste, evtl. noch <tt>-O2</tt>. Ohne Angabe eines Optimierungsgrades wird nicht optimiert, was gleichbedeutend mit der Option <tt>-O0</tt> ist. Abzuraten ist von der maximalen Optimierung <tt>-O3</tt>, die wegen function inlining und loop unrolling zu sehr breitem Code führt und für AVR absolut nicht angesagt ist.

==Vermeide printf, scanf, malloc==
Funktionen von diesem Kaliber sind die absoluten Platz- und Zeitfresser.

Alternativen findet man reichlich in der <tt>avr-libc</tt> wie <tt>itoa</tt> und <tt>atoi</tt>.
Und für <tt>malloc</tt> und Konsorten sind dynamische Arrays und das Compiler-Builtin <tt>__builtin_alloca</tt> effizientere Alternativen, siehe auch im Abschnitt "[[avr-gcc#Dynamische Speicherallokierung|Dynamische Speicherallokierung]]".

==Konstante Strings ins Flash==
Konstante Strings, wie sie zu Ausgabezwecken Verwendung finden, werden im Programm oft nicht verändert und brauchen nicht SRAM zu belegen (und damit auch Flash, von wo aus sie vom Startup-Code ins SRAM kopiert werden), sondern gehören ins Flash!

Entsprechende Routinen, um auf Strings im Flash zuzugreifen, tragen die Suffix <tt>_P</tt>, wie z.B. <tt>strcmp_P</tt> mit dem Prototyp
extern int *strcmp_P (char *, const prog_char *)
Die Implementierungen befinden sich in der <tt>avr-libc</tt>.

'''Anwendung:'''
<pre>
#include <avr/pgmspace.h>

const prog_char str_p[] = "Ein String im Flash";
const char str2_p[] PROGMEM = "Noch ein String im Flash";
...
// String im SRAM mit String im Flash vergleichen
if (!strcmp_P (str_sram, str_p))
{
// mach was bei Gleichheit
}
...
}
</pre>

===Sprungtabelle===
Genauso macht man auch eine Sprungtabelle, um anhand von Kommando-Strings dazugehörige Funktionen ausführen zu lassen:
<pre>
#include <avr/pgmspace.h>

int func1 (int arg)
{
...
}

#define TEXT_LEN 15

// Die Kommandostruktur
typedef struct
{
int (*func)(int); // Zeiger auf die auszuführende Funktion
int arg; // das Argument, das mitübergeben wird
char text[1+TEXT_LEN]; // Text, maximal TEXT_LEN Zeichen lang
} command_t;

// Das Array mit den Kommandos.
// Die funcx sind vom Prototyp (z.B. func1 oben)
// int funcx (int arg);
const command_t commands[] PROGMEM =
{
{ func1, 0, "Befehl 1" },
{ func2, 3, "Befehl für func2" }
};

// Sucht in commands[] nach text und führt gegebenenfalls
// die dazugehörige Funktion funcx mit Argument arg aus.
// Liefert den Rückgabewert von funcx
// oder -1, falls text nicht gefunden wurde.
int execute (const char *text)
{
// Schleifenvariable
unsigned char i;

// Wandert durch das Array mit Kommando-Strukturen
const command_t * cmd = commands;

// sizeof wird von gcc ausgewertet und ist wie eine Konstante,
// denn beide sizeofs sind zur Compilezeit bekannt
for (i=0; i < sizeof(commands) / sizeof(command_t); i++)
{
// Ist das der gesuchte String?
if (strcmp_P (text, cmd->text))
{
// Nein, dann weitersuchen
cmd++;
continue;
}

// Ja
int (*func)(int), arg;

// Dann Funktionszeiger und Argument besorgen,
func = (int(*)(int)) pgm_read_word (& cmd->func);
arg = (int) pgm_read_word (& cmd->arg);

// Funktion ausführen und deren Wert zurückliefern
return func (arg);
}

// text ist nicht in commands
return -1;
}
</pre>

Nachteil dabei ist, daß jeder String den maximalen Platz von TEXT_LEN+1 Zeichen belegt.
Falls man da noch weiter sparen will, dann kann man die Strings wieder ins Flash legen und ihre Adresse in der Struktur merken. Dadurch belegt ein String nur noch Länge+3 Zeichen (+3 wegen 1 Endezeichen und 2 Bytes für seine in der Struktur gemerkte Adresse). Die Definition der Tabelle wird aber umständlicher, weil jeder String einzeln angegeben werden muss:
<pre>
#include <avr/pgmspace.h>

// Die Kommandostruktur
typedef struct
{
...
char *text; // Zeiger auf Text
} command_t;

const prog_char str_1[] = "Befehl 1";
const prog_char str_2[] = "Befehl für func2";

const command_t commands[] PROGMEM =
{
{ func1, 0, str_1 },
{ func2, 3, str_2 }
};

// Sucht in commands[] nach text und führt gegebenenfalls
// die dazugehörige Funktion funcx mit Argument arg aus.
// Liefert den Rückgabewert von funcx
// oder -1, falls text nicht gefunden wurde.
int execute (const char *text)
{
// Schleifenvariable
unsigned char i;

// Wandert durch das Array mit Kommando-Strukturen
const command_t * cmd = commands;

// sizeof wird von gcc ausgewertet und ist wie eine Konstante,
// denn beide sizeofs sind zur Compilezeit bekannt
for (i=0; i < sizeof(commands) / sizeof (command_t); i++)
{
const prog_char * text_P;

// Liest die Startadresse von str_x
text_P = (const prog_char *) pgm_read_word (& cmd->text);

// Ist das der gesuchte String?
if (strcmp_P (text, text_P))
{
...
</pre>

==Lokale Variablen verwenden==

Beim Manipulieren globaler Variablen kann es günstig sein, diese in eine lokale Variable zu kopieren, dort zu verändern, und sie danach wieder zu schreiben
<pre>
char var;

void foo1()
{
var++;
if (var > 10)
var = 1;
}
</pre>
Dadurch wird einmal unnötig gespeichert (der dritte Befehl kann vermieden werden).
<pre>
foo1:
lds r24,var ; *movqi/4 [length = 2]
subi r24,lo8(-(1)) ; addqi3/2 [length = 1]
sts var,r24 ; *movqi/3 [length = 2]
cpi r24,lo8(11) ; cmpqi/2 [length = 1]
brlt .L3 ; branch [length = 1]
ldi r24,lo8(1) ; *movqi/2 [length = 1]
sts var,r24 ; *movqi/3 [length = 2]
.L3:
ret
</pre>
Indem man eine lokale Variable (<tt>var2</tt>) verwendet für die Änderung von <tt>var</tt> vermeidet man dies:
<pre>
char var;

void foo2()
{
char var2 = var;

var2++;
if (var2 > 10)
var2 = 1;

var = var2;
}
</pre>
Dadurch wird erst am Ende gespeichert. <tt>var2</tt> lebt in Register <tt>r24</tt>.
<pre>
foo2:
lds r24, var ; *movqi/4 [length = 2]
subi r24,lo8(-(1)) ; addqi3/2 [length = 1]
cpi r24,lo8(11) ; cmpqi/2 [length = 1]
brlt .L2 ; branch [length = 1]
ldi r24,lo8(1) ; *movqi/2 [length = 1]
.L2:
sts var, r24 ; *movqi/3 [length = 2]
ret
</pre>

Bei diesem einfachen Beispiel spart man lediglich eine Instruktion. Bei komplexeren Rechnungen oder längeren Datentypen kann es aber durchaus lohnender sein, in lokale Register zu kopieren.

==Arithmetik==

=== Daten zerlegen/zusammensetzen ===

In systemnahen Programmen hat man oft was Problem, auf die einzelnen Bytes oder Bitfelder einer grösseren Datenstruktur zuzugreifen. Indem man sich ein Komposit baut, das die gewünschten Strukturen überlagert, kann man effizient z.B. auf Bytes zugreifen. Ausnahme sind Bitfelder, deren Verwendung etwas breiten Code ergibt. Bitfelder "von Hand" zu manipulieren, ist da manchmal effizienter, führt jedoch zu schlecht lesbarem Code.

Oft benötigt wird der Zugriff auf die einzelnen Bytes eines <tt>int</tt>, also der Zugriff auf die Bytes eines 16-Bit-Wertes:
<pre>
typedef union
{
unsigned char asByte[2];
unsigned short asWord;
int asInt;
} data16_t;

data16_t data;
...
int foo;
uint8_t wert;

data.asInt = foo;
wert = data.asByte[1]; // die oberen 8 Bits von foo
</pre>

Ein komplexeres Beispiel, das noch mehr Datentypen überlagert:
<pre>
typedef ... foo_t;

typedef union
{
unsigned char byte[4]; // Zugriff als Bytes (8 Bit)
unsigned short word[2]; // Zugriff als Words (16 Bit)
signed long slong; // Zugriff als signed long (32 Bit)

struct // Zugriff auf einzelne Bitgruppen
{
unsigned bit_0_3 : 4; // 4 Bits (0..3)
unsigned bit_4_8 : 5; // 5 Bits (4..8)
unsigned bit_9_21 : 13; // 13 Bits (9..21)
unsigned bit_22_31: 10; // 10 Bits (22..31)
};

foo_t foo; // Zugriff als foo-Struktur
} data_t;

...
{
data_t data;

data.byte[2] = 12; // setzt byte 2 auf 12
data.bit_4_8 = 0x1f; // setzt bits 4..8 (5 Stück) alle auf 1

int anInt = data.foo.anInt; // liest ein Feld von foo (hier ein int)
...
}
</pre>

===libgcc2 verwenden===

In der libgcc2 sind einige Arithmetik-Routinen in Assembler implementiert. Dazu gehören ein paar Algorithmen zu Division (mit Rest) und Multiplikation.

Von diesen Algorithmen werden durch die avr-libc jedoch nur zwei Strukturen und Funktionen veröffentlicht: <tt>div_t</tt> und <tt>ldiv_t</tt> resp. die Funktionen <tt>div()</tt> und <tt>ldiv()</tt>. Siehe dazu deine Dokumentation zur avr-libc. Damit kann man Quotient und zusätzlich den Rest bei einer Division 16/16 bzw. 32/32 berechnen lassen; den Rest bekommt man quasi kostenlos als Nebenprodukt. Das ist praktisch, wenn man z.b. eine Zahl in Dezimaldarstellung umwandeln möchte oder von/nach [[BCD]].

Zusätzlich zu den via avr-libc veröffentlichten Funktionen gibt es aber noch Routinen, die z.B. auf 8-Bit-Werten operieren oder mit <tt>unsigned</tt> Typen und dementsprechend effizienter sind.

'''Beispiel: Umwandeln nach Dezimalstring'''

Hier ein Beispiel, das Division mit Rest für <tt>unsigned short</tt> verwendet, um eine 16-Bit-Zahl in Dezimaldarstellung zu wandeln:

<pre>
// Struktur definieren und Funktion bekannt machen
typedef struct
{
unsigned short quot;
unsigned short rem;
} udiv_t;

extern udiv_t udiv (unsigned short, unsigned short) __asm__("__udivmodhi4");

// 5 Ziffern (0...65535) und evtl. noch eine führende 0
#define DIGITS 6

// +1 wegen String-Ende (wird im Startup auf 0 gesetzt)
char string[DIGITS+1];

// Wandelt zahl in Dezimaldarstellung um.
// Der return-Wert zeigt irgendwo ins string[]-Array.
// string[] wird verändert.
char* toString (unsigned short zahl)
{
// s zeigt auf das Ende von string
// string wird von hinten nach vorne gefüllt
char *s = string + DIGITS;

// qrem enthält Quotient (quot) und Rest (rem) der Divisionen
udiv_t qrem = {.quot = zahl};

do
{
// Division mit Rest durch 10
// quot: Ergebnis für den nächsten Durchlauf
// rem: Rest ist die Ziffer im 10er-System
qrem = udiv (qrem.quot, 10);

// Ziffer in Zeichen wandeln und speichern
*(--s) = '0' + qrem.rem;
}
while (0 != qrem.quot);

// Falls eine führende '0' gespeichert wurde: weg damit
// ausser zahl war selbst schon 0
if (*s == '0' && *(s+1) != '\0')
s++;

return s;
}
</pre>

Falls man eine Division und/oder Rest für 8-Bit braucht, dann geht für <tt>unsigned</tt> analog.

'''Beispiel: BCD-Umrechnung'''

Wandeln einer 8-Bit-Zahl <tt>0 <= num < 100</tt> nach [[BCD]]
<pre>
typedef struct
{
unsigned char quot; // Quotient
unsigned char rem; // Rest (remainder)
} udiv8_t;

extern udiv8_t udiv8 (unsigned char, unsigned char) __asm__ ("__udivmodqi4");

// Wandelt num nach BCD um, 0 <= num <= 99
// return-Wert ist dann 0x0 <= return <= 0x99
unsigned char to_bcd (unsigned char num)
{
udiv8_t qrem = udiv8 (num, 10);

return (unsigned char) (qrem.quot << 4) | qrem.rem;
}
</pre>

===Division durch Multiplikation===
===Vermeiden von float und double===

=Inkompatibilität=

[[GCC]] – und somit auch avr-gcc – werden ständig weiter entwickelt. Dies betrifft das Beheben von Fehlern, die Unterstützung neuer Architekturen/Sprachen/Betriebssysteme, Implementierung neuer Optimierungsalgorithmen, Vereinheitlichungen, etc.

Leider führt dies auch zu Inkompatibilitäten verschiedener avr-gcc-Versionen untereinander, und eine C-Quelle, die mit einer Version von avr-gcc fehler- und warnungsfrei übersetzt werden kann, ist mit einer anderen Version möglicherweise nicht compilierbar.

;<tt>#include <avr/signal.h></tt>: In Versionen bis 3.4.3 werden in dieser Header-Datei u.a. die Makros <tt>SIGNAL()</tt> und <tt>INTERRUPT()</tt> definiert, die man braucht, wenn man eine C-Funktion als Interrupt-Routine ([[ISR]]) kennzeichnen will. In neueren Versionen ab 3.4.4 sind diese Definitionen in den Header <tt>avr/interrupt.h</tt> gewandert, wo auch Makros wie <tt>sei()</tt> und <tt>cli()</tt> definiert werden. Die Inkludierung von <tt>avr/signal.h</tt> in den neueren avg-gcc Versionen führt zu einer Warnung, irgendwann vielleicht sogar zu einem Fehler, weil die Datei nicht mehr bei avr-gcc dabei ist und daher nicht mehr gefunden wird.

;Interrupt Service Routinen: Auch die API zur Definition von [[ISR]]s hat sich von avr-gcc Version 3.x zur Version 4.x geändert:
:'''avr-gcc 3.x'''
::{|
<pre>
SIGNAL (SIG_INTERRUPT0)
{
/* Interrupt Code */
}

INTERRUPT (SIG_OVERFLOW0)
{
/* Interrupt Code */
}
</pre>
|}

:'''avr-gcc 4.x'''
::{|
<pre>
ISR (INT0_vect)
{
/* Interrupt Code */
}

void TIMER0_OVF_vect (void) __attribute__((interrupt));
void TIMER0_OVF_vect (void)
{
/* Interrupt Code */
}
</pre>
|}

=Bugs=

;<tt>__builtin_return_address(0)</tt>: ist entgegen der Spezifikation nicht implementiert und liefert in der Regel ein falsches Ergebnis.
;gcc 4.x: In der 4er-Version gab es tiefgreifende interne Änderungen im Compiler; er ist noch instabil und kann momentan noch nicht für den Produktiv-Einsatz empfohlen werden (Stand 02/2006).

=Abkürzungen und Bezeichnungen=
; [[GCC]]: GNU Compiler Collection
; gcc: GNU C-Compiler
; GPR: '''G'''eneral '''P'''urpose '''R'''egister
; [[ISR]]: [[Interrupt|'''I'''nterrupt]] '''S'''ervice '''R'''outine
; [[IRQ]]: '''I'''nterrupt '''R'''e'''q'''uest
; Prolog/Epilog: Code am Anfang/Ende jeder Funktionen/ISR, der dazu dient, verwendete Register zu sichern, den Stack-Frame für lokale [[Variable|Variablen]] anzulegen (falls benötigt), Stackpointer zu setzen, zurück zu springen (<tt>ret</tt>, <tt>reti</tt>), etc.
; SFR: '''S'''pecial '''F'''unction '''R'''egister
; Target: Zielsystem, in unserem Falle avr

=Siehe auch=
'''Code-Beispiele'''
* [[Hallo Welt für AVR (LED blinken)]] - ein erstes Beispiel für avr-gcc
*[[:Kategorie:Quellcode_C|C-Codebeispiele]]
* [[Fallstricke bei der C-Programmierung]]
* [[Sourcevergleich]]
* [[Codevergleich AVR-Compiler]]

'''Details'''
* [[Inline-Assembler in avr-gcc|Inline-Assembler]]

'''Sonstiges'''
* [[WinAVR]]
* [[Speicherverbrauch bestimmen mit avr-gcc]]
* [[Compiler]]
* [[AVR]]

=Weblinks=
* [http://gcc.gnu.org/ Offizielle Homepage von GCC (en)]
* [http://de.wikipedia.org/wiki/GNU_Compiler_Collection GCC in der deutschen Wikipedia]
* [http://sourceforge.net/projects/winavr/ WinAVR-Projekt bei sourceforge.net (en)]
* [http://cdk4avr.sourceforge.net/ avr-gcc und toolchain als Linux-Paket bei sourceforge.net (en)]
* [http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-GCC-Tutorial avr-gcc-Tutorial auf mikrocontroller.net]
* [http://www.linuxfocus.org/Deutsch/November2004/article352.shtml Tipps zu Build und Installation von avr-gcc, binutils und avr-libc unter Linux bei linuxfocus.org]
* [http://www.avrfreaks.net/AVRGCC/ avr-gcc bei avrfreaks.net (en)]
* [http://savannah.nongnu.org/projects/avr-libc/ Nützliche GCC Runtime-Libary]

=Autor=

--[[Benutzer:SprinterSB|SprinterSB]] 11:27, 7. Dez 2005 (CET)

[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Praxis]]
[[Kategorie:Quellcode C|!]]
[[Kategorie:Software]]

Mit welchem Controllerboard fang ich an

2006-02-15T10:31:02Z

SeveQ: /* ATMega32, ein schöner Einstiegscontroller mit Reserven */

'''Welchen Controller, welches Controllerboard nehme ich?'''

:'''Welches Controllerboard ist das beste?'''

::'''Sollte man alles selbst bauen?'''

Dies sind wohl die am häufigsten gestellten Fragen in der Community. Aus diesem Grund hier ein paar Ausführungen, die die Auswahl und Entscheidung erleichtern sollen.

===Was ist ein Controller?===
Ein Controller ist ein programmierbarer Schaltkreis. Gewöhnlich benötigt er sehr wenig externe Bauelemente um zu arbeiten, ein Quarz und 2 Kondensatoren reichen im Prinzip z.B. für die Controller der Firma [[Atmel]] (auch [[AVR]]-Controller genannt). Programmiert wird er in der Regel über ein Adapterkabel (z.B. [[AVR-ISP Programmierkabel|ISP-Kabel]]), das an die RS232- oder Druckerschnittstelle am PC angeschlossen wird. Inzwischen gibt es auch einige Adapterkabel, die per USB angeschlossen werden.
Programmiert werden die meisten Controller gewöhnlich in Assembler. Für viele Controller gibt es zum Teil jedoch Compiler und Entwicklungsumgebungen für Sprachen wie Basic, C und teils sogar Pascal.
Über die Programmierung können sogenannte I/O-Leitungen, das sind Ein- und Ausgänge direkt am IC, auf High- oder Low-Pegel geschaltet werden. Zudem gibt es je nach Controller zusätzliche Pins um analoge Spannungen zu messen, Signalwechsel zu zählen, analoge Spannungen (genauer [[PWM]]) auszugeben und ähnliche Dinge.

===Soll ich es selbst aufbauen?===
Bastler mit etwas mehr Erfahrung in diesem Bereich kaufen sich oft diese Controller-ICs einzeln und bauen sich über eine Experimentierplatine eine eigene Schaltung auf. Besonders einfach ist dies mit der schon genannten Controllerserie von Atmel. Zum einen, weil diese Firma sehr viele Controllertypen anbietet, die auch im anwenderfreundlichen DIP-Gehäuse (IC, das man in eine handelsübliche Fassung stecken kann) geliefert werden; zum anderen benötigt man nur wenig externe Bauelemente für eine Grundschaltung. Ein weiterer Vorteil der AVR-Serie ist, das die meisten Controllertypen fast identisch programmiert werden. Sie unterscheiden sich lediglich in Bauform, Anzahl der I/O-Pins und einigen bestimmten Features (Anzahl der [[Timer]], [[PWM]], Ein- und Ausgänge usw.).

Obwohl der Aufbau einer sogenannten "Grundschaltung" wegen der wenigen externen Teile sehr einfach ist und zum Teil sogar billige Bauteilesets für den Einstieg existieren, rate ich Einsteigern von diesem Einsteigsweg doch mehr ab. Vor allem, da oft nicht bedacht wird, das man ja mit der Grundschaltung alleine noch nichts machen kann. Man würde noch nicht mal feststellen, ob ein Programm überhaupt ausgeführt oder nicht ausgeführt wird. Man benötigt also mindestens eine LED (besser mehrere) an einem Port (I/O-Ausgang) und auch eine Spannungsstabilisierung, um durch ein Blinken zu sehen, ob die Befehle überhaupt wie gewünscht ausgeführt werden. Zudem braucht man ja auch Stecker und Buchsen, um Programmierkabel und/oder RS232-Kabel, Stromquelle etc. anzuschließen. Auch ein paar Taster sind fast immer notwendig.

Wenn man dann noch Motoren, Relais etc. schalten will, dann sind noch weitere Bauelemente notwendig. Wenn man das alles bedenkt, dann kommt doch schon einiges an Bauteilen zusammen. Mit der Anzahl der Bauteile erhöhen sich auch drastisch die Fehlerquellen. Funktioniert etwas nicht, weiß der Einsteiger oft noch nicht mal, ob er in der Programmierung einen Fehler gemacht hat, die Entwicklungsumgebung nicht richtig installiert hat oder aber beim Aufbau was falsch gemacht hat. Die Motivation wird durch einen solchen Fehlschlag schnell genommen.
Aus diesem Grund rate ich Einsteigern lieber mit einem Bausatz, oder noch besser mit einem fertigen Controllerboard und fertigen Programmieradaptern, zu beginnen. Ein sogenanntes Controllerboard beinhaltet bereits die wichtigsten Grundelemente (mal mehr, mal weniger, je nach Preis) und kann oft sehr schnell in Betrieb genommen werden. Klappt etwas nicht, so kann man sich zumindest bei sehr gängigen Controllerboards in Communities, wie in unserem [http://www.roboternetz.de Roboternetz], sehr schnell Hilfe holen. Je weiter ein Board verbreitet ist, desto besser klappt es gewöhnlich mit Hilfe und auch mit Anregungen, was man alles basteln könnte.

===Welche Controllerboards sind für den Einstieg empfehlenswert?===
Es gibt eine Unzahl von verschiedenen Controllerboards, Bauteilesätzen, Einsteigerkits und dergleichen. Viele sind jedoch kaum verbreitet und bei Problemen ist man auf den Support des Anbieters angewiesen. Zudem kommt hinzu, dass Anbieter in der Branche schon oft nach einiger Zeit wieder vom Markt verschwinden.
Es ist daher wirklich empfehlenswert, ein recht beliebtes und weit verbreitetes Controllerboard zu nehmen, um nicht irgendwann mit Problemen allein dazustehen.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/ccontrol.gif
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/cc2.jpeg
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/rncontrolmini.jpg
[[Bild:stk500.jpg|100px]]

Recht beliebt und fast jedem ein Begriff sind daher vor allem folgende Boards:

* C-Control / C-Control Pro-System
* C-Control II
* [[RN-Control]]
* STK500 (Entwicklungsboard von Atmel)

Zu den oberen drei Boards findet man im Roboternetz reichlich Unterstützung, insbesondere auch zu dem Board [[RN-Control]], da dieses auf einem Atmel-Controller beruht und sogar im Roboternetz entstanden ist.
[[Bild:rncontrol1.4diagramm.jpg|thumb|Funktionen des Boards]]

Die abgebildete C-Control wurde lange Zeit oftmals in Robotern eingesetzt; heute ist sie jedoch bereits einige Jahre alt. Inzwischen wird sie für neue Roboter offenbar nur noch selten eingesetzt, vermutlich, weil die Rechenleistung doch sehr begrenzt ist. Bestimmte Dinge, wie Schrittmotoransteuerung, lassen sich mit der Rechenleistung nur schwer umsetzen. Die C-Control II ist zwar leistungsfähiger, aber fand bei den Roboter-Bastlern in den letzten Jahren auch nur wenig Zuspruch. Vor allem dürfte das daran liegen, dass man mit diesen beiden Controllerboards noch keinen Bot steuern kann - es sind immer noch zusätzliche Bauteile notwendig. Zwar gibt es diese in Form von sogenannten Applikations- und Starterboards, auf die das Controllermodul gesteckt wird, jedoch wird das Ganze dadurch natürlich vom Platzbedarf größer und natürlich auch teurer. Das gleiche gilt auch für neuere Nachfolgeserien wie dem C-Control Pro-System. Eigentlich hat die C-Control Pro mit der ursprünglichen C-Control nichts mehr zu tun, zumal hier jetzt auch ein ganz anderer Controller, nämlich ein [[Atmel|Atmel Mega-Controller]], eingesetzt wird. Da die Module gegenüber den reinen Atmel-Controllern deutlich teurer sind, können sie dem Bastler, der alle Resourcen frei nutzen möchte und nicht durch eine eingebaute Firmware eingeschränkt werden möchte, eigentlich weniger empfohlen werden.

====Günstig für viele Projekte: Atmel Boards====
Günstiger sind für viele Projekte daher reine Atmel Boards in Verbindung mit einem guten Basic oder C-Compiler. Zum Beispiel das Board [[RN-Control]] oder das STK500 von Atmel. Da das STK500 jedoch vornehmlich zum Experimentieren mit verschiedenen Controllern entwickelt wurde, eignet es sich als Roboterboard oder als Board in einem späteren Projekt weniger gut. Das STK500 hat seine Stärke beim ausprobieren verschiedener Controller. Auch die englische Dokumentation des STK500 wendet sich daher nicht unbedingt an den Hobbybastler sondern vornehmlich an Entwickler mit etwas Erfahrung in diesem Bereich.
Dagegen ist [[RN-Control]] speziel für Hobbybastler im Roboternetz konzipiert worden. Bei der Entwicklung sind viele Anregungen der Roboternetz-User berücksichtigt worden, das Board ist quasi im Roboternetz geboren worden – daher auch da Kürzel "RN". Es ist nicht das erste "RN" Board welches die Wünsche eines Roboterbastlers erfüllen sollte. Zuvor gab es das [[RNBFRA-Board]], das neben Controller auch noch CoController, Porterweiterungen, Schrittmotortreiber und vieles mehr beinhaltete. Obwohl auch die Features des [[RNBFRA-Board]] von den Usern zusammengestellt wurden, wird dieses Board vorwiegend von den erfahreneren Usern genutzt. Dies liegt wohl vornehmlich am Preis. Das Preis- Leistungsverhältnis ist zwar sicherlich sehr gut, aber für den ersten Einstieg ist ein Preis über 100 Euro doch auf den ersten Blick etwas abschreckend.

Da [[RN-Control]] mit unter 50 Euro wesentlich preiswerter ist, hat sich dieses Board zu einer echten Beliebtheit entwickelt. Obwohl es das Board noch nicht lange gibt findet man bei den meisten neuen Projekten, die im Roboternetz vorgestellt werden, ein RN-Control - Board irgendwo drauf.
Die Beliebtheit liegt vornehmlich daran, das [[RN-Control]] bereits alle wichtigen Elemente auf direkt dem Board besitzt. Auch ohne zusätzliches Applikationsboard können bereits Sensoren, Schalter und sogar Motoren angeschlossen werden. Auch eine Spannungsstabilisierung, Piepser, Steckklemmen, fünf Taster, LED´s sind bereits auf dem Board zu finden. Bei anderen Boards ist das oft erst auf einem Zusatzboard vorhanden.

Dies alles macht das Board zu einem kompakten Controllerboard
das ohne Zusatzkomponenten (außer Sensoren) einen kleinen
Roboter steuern kann. Aber ebenso eignet sich das Board auch
als optimales Experimentierboard.

====ATMega32, ein schöner Einstiegscontroller mit Reserven====

Dabei setzt [[RN-Control]] einen schon erwähnten Atmel Controller ein, den [[ATMega32]] von Atmel. Dieser Mikrocontroller besitzt bereits 32K Speicher, 2K Ram, 1K EEPROM sowie 32 programmierbare I/O Pins, 8 AnalogDigital Ports, 3 Timer u.v.m.
Im Gegensatz zu vielen anderen kleinen Experimentierboard die oft nur einen [[ATMega8]] einsetzen, hat man also bei RN-Control viel mehr Ports- und Speicher für größere Anwendungen. Ein Vorteil der von Anfängern oft unterschätzt werden, denn gerade Einsteiger schreiben nicht unbedingt besonders kompakten Code. Ein kleiner Speicher wie der des Mega8 wäre da schneller am Ende, als man denkt. Auch die Portanzahl ist bei ATMega8 Boards recht mager, so das man oft bei Verwendung von LCD und wenigen Sensoren schon keine weiteren Anschlussmöglichkeiten besitzt. Daher empfehle ich mit einem [[ATMega32]] zu beginnen, das ist vielleicht ein paar Euro teurer, aber dafür erspart man sich oft den Kauf eines weiteren Boards weil man doch viels mehr anschließen kann.

====Auch an die Zukunft denken====

Ein weiterer Vorteil von [[RN-Control]] besteht darin das alle Stecker und Anschlüsse ja sogar die Platinenmaße einheitlich nach den [[RN-Definitionen]] vorhanden sind. Somit lassen sich Ergänzungen und Zusatzboards, wenn man es will, relativ einfach ohne zusätzliche Adapter kombinieren. Inzwischen gibt es zahlreiche RN-Board´s.
Machen Bastler mal einen Fehler und [[RN-Control]] wird beschädigt, so können defekte Teile einfach aus der Fassung gezogen und durch ein neues ersetzt werden.
Und da man rn-Control wahlweise in C, Assembler oder Basic ([[Bascom]]) programmieren kann, kann man je nach Wissensstand seine Lieblingssprache wählen. Je nach Wissensstand kann man RN-Control auch fertig aufgebaut, als Bausatz oder nur als Platine erwerben.
Durch die weite Verbreitung von [[RN-Control]] findet man im Roboternetz auch schnell erhebliche Unterstützung, ein Umstand der für Einsteiger sehr wichtig sein sollte.

==Wenn man sich für ein Board entscheiden will, sollte man also folgende Fragen stellen==

RN-Control ist sicherlich ein empfehlenswertes Board für viele Aufgaben sonst würde es nicht so oft eingesetzt. Aber natürlich gibt es auf dem Markt noch zahlreiche andere gute Boards. Entscheident ist letzlich auch wie gut paßt das Board zu meiner Aufgabenstellung. Dazu habe ich mal einige wichtige Kriterien als Fragen aufgeworfen. Wenn man sich diese Fragen zu jedem Board stellt, das man im Auge hat, wird man sicherlich das optmale finden. Je nach Situation können die Fragen durchaus zu ganz verschiedenen Lösungen führen. Hilfreich kann dazu auch das Linkverzeichis im Roboternetz sein, dort findet man zahlreiche Bezugsquellen.

{| {{Blauetabelle}}
|
# Reicht die Rechenleistung dieses Board´s?
# Hat das Board genügend Speicher?
# Hat das Board genügend Ports (I/O) Leitungen?
# Welche Zusatzbauelemente brauche ich für mein Vorhaben und was kostet es insgesamt?
# Lassen sich einzelne Teile des Boards selbst reparieren (bei Board`s mit [[SMD]] oder ungesockelten IC´s ist das kaum machbar)?
# Sind Klemmen für Sensoren und Aktoren vorhanden oder brauche ich weitere Adapter?
# In welchen Sprachen kann und will ich das Board programmieren?
# Sind die Entwicklungsumgebungen / Compiler kostenlos?
# Kann/Will ich das Board nur zum experimentieren oder auch für Anwendungen nutzen?
# Sind die Anschlüsse kompatibel zu Erweiterungen?
# Sind Schaltpläne und Bestückungspläne erhältlich?
# Gibt es für mein Projekt Akkus in der richtigen Größe welche zur Betriebsspannung passen?
# Findet man in gängigen Foren genügend Unterstützung?
# Gibt es Literatur die sich mit Board oder den Entwicklungssystemen befassen?
# Eignen sich die Maße des Boards für mein Projekt?
|}

Autor Frank

[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Robotikeinstieg]]

==Siehe auch==
*[[Atmel]]
*[[AVR-ISP Programmierkabel]]
*[[RN-Control]]
*[[AVR-Einstieg leicht gemacht]]