Как изменить скетч для ардуино

На этом уроке Вы научитесь программировать свою плату Arduino на примере мигания встроенным светодиодом.

Необходимые элементы

Для данного примера Вам понадобится плата Arduino (в данном случае – Arduino Uno R3, но Вы сможете проработать данный пример, имея в наличии и другую плату) и кабель USB (типа A (4х12 мм) – B (7х8 мм) – более подробно можно почитать на Вики).

Что такое ” L” светодиод

На Arduino Uno присутствуют ряды коннекторов типа мама по бокам платы, которые используются для подключения периферийных электронных устройств или “шилдов”.

Кроме того, на плате присутствует встроенный светодиод (англ. – LED), которым Вы можете управлять с помощью скетчей. Этот встроенный светодиод условно назовем “L” светодиод, как это принято на многих англоязычных ресурсах.

Расположение данного светодиода на плате отмечено на фото снизу.

Загрузка примера “Blink” (мигание) в Arduino IDE

При подключении новой платы к персональному компьютеру, обратите внимание, что светодиод начинает мигать, так как все платы от производителей поступают с уже “залитым” скетчем “Blink”.

На этом уроке мы перепрограммируем нашу плату, изменив частоту мигания светодиода. Не забудьте настроить оболочку Arduino IDE и выбрать нужный серийный порт, по которому Вы подключили Вашу плату.

Пришло время проверить Ваше подключение и запрограммировать плату.

В оболочке Arduino IDE существует большая коллекция скетчей, которые уже готовы к использованию. Среди них находится и пример, который заставляет мигать “L” светодиод.

Откройте пример “Blink”, который находится в пункте меню File – Examples – 01.Basics

После открытия, расширьте окно оболочки Arduino IDE, чтобы Вы могли весь скетч в одно окне.

Скетчи из примеров, включенные в Arduino IDE предусматривают режим “только чтение” (“read only”). То есть, загрузить их на плату Вы сможете, но после изменения кода, Вы не сможете их сохранить в том же файле.

Мы будем изменять скетч, так что в первую очередь Вам необходимо сохранить собственную копию, которую Вы сможете изменять.

Из меню “File” выберите опцию “Сохранить как” (“Save As..”) и сохраните скетч под подходящим Вам названием, например, “MyBlink”.

Вы сохранили копию скетча “Blink” в Вашей библиотеке. Теперь открыть этот файл Вы можете в любой момент, перейдя по вкладке File – Scetchbook.

Загрузка примера “Blink” (мигание) на плату

Подключите свою плату Arduino к компьютеру с помощью USB и проверьте тип платы (“Board type”) и серийный порт (“Serial Port”), по которому она подключена.

Текущие настройки отображаются внизу окна оболочки Arduino IDE

Кликните на кнопку “Загрузить” (“Upload”)

Во время загрузки в нижней части окна IDE появятся ползунок загрузки и сообщения. Вначале появляется фраза “Компилирование” (“Compiling scetch..”), что означает процесс конвертирования Вашего скетча в формат, подходящий для загрузки на плату Arduino.

Дальше статус сменится на “Загрузка” (“Uploading”). В этот момент светодиоды на плате начнут мигать, так как начнется перенос скетча в микропроцессор.

В конце статус сменится на ”Загрузка завершена” (“Done uploading”). В сообщении, которое появится в текстовой строке отобразится информация о том, что загруженный скетч занимает 1,084 байта из 32,256 доступных.

Иногда при компиляции у Вас может возникнуть подобная ошибка:

Причин может быть несколько: Вы не подключили плату к компьютеру; Вы не установили необходимые драйвера; Вы выбрали некорректный серийный порт.

Если же загрузка прошла корректно, плата Arduino перезагрузится и “L” светодиод начнет мигать.

Пояснения к скетчу “Blink”

Ниже представлен код скетча “Blink”.

Первое, на что стоит обратить внимание: в данном скетче множество “комментариев”. Обратите внимание, что комментарии не являются инструкцией по работе программы. Это исключительно пояснения отдельных функций и задач, которые выполняются на определенном этапе кода. Это не обязательная часть кода.
Все между символами /* и */ в верхней части скетча – это комментарии, в которых описаны задачи программы.
Так же есть комментарии, которые ограничиваются одной строкой. Они начинаются с символов // и заканчиваются по умолчанию в конце строки.
Первая важная, по сути, часть данного кода это строка:

int led = 13;

В комментариях над строкой указано, что мы присваиваем имя пину, к которому подключен светодиод. На большинстве плат Arduino это будет 13 пин.
Дальше используется функция “Setup”. Опять-таки, в комментариях указано, что функция срабатывает после нажатия кнопки “reset”. Также эта функция срабатывает, когда плата перезагрузится по каким-либо другим причинам. Например, подача питания или после загрузки скетча.

Каждый скетч Arduino обязан включать в себя функцию “setup” и часть, в которую вы можете добавлять собственные инструкции, заключенные между { }.
В нашем примере в функции присутствует только одна команда, в которой указано, что пин, который мы используем, настраивается на “вывод” (“Output”).
Также обязательным для любого скетча является функция цикла “Loop”. В отличие от функции “Setup ”, которая отрабатывает один раз после перезагрузки, функция “Loop” после окончания работы команд, вновь запустится.

В теле функции “Loop” светодиод включается (HIGH), данное значение задерживается на 1000 миллисекунд (1 секунда), светодиод отключается (LOW) и остается выключенным на 1 секунду, после чего цикл повторится.

Изменение частоты мигания светодиода

Для того, чтобы обеспечить более частое мигание светодиода, необходимо изменить параметр, указываемый в скобках ( ) в команде “delay”.

Как уже было указано, период задержки указывается в миллисекундах. То есть, для того, чтобы заставить светодиод мигать в два раза чаще, необходимо изменить значение с 1000 на 500. В результате, пауза между включением/выключением светодиода составит половину секунды и светодиод будет мигать быстрее.

Для проверки, не забудьте загрузить измененный скетч на плату Arduino.

Время прочтения
13 мин

Просмотры 8.7K

Давным-давно случилось мне поработать над проектом с Arduino, где были довольно специфические требования к предсказуемости генерации кода, а работать с чёрным ящиком местами раздражало. Так родилась идея несколько поднастроить процесс сборки и внедрить некоторые дополнительные шаги при сборке.

Как известно, язык Wiring на самом деле является полноценным C++, из которого убрана поддержка исключений ввиду их тяжеловесности для среды выполнения и спрятаны некоторые тонкости, связанные со структурой программы, такие как реализация функции main, а разработчику отданы функции setup и loop, которые вызываются из main.

А это означает, что можно пользоваться плюшками C++, даже если о них никто не рассказал.

Всё описанное в статье относится к версиям среды Arduino как минимум от 1.6. Я делал всё под Windows, но для для Linux/MacOS подходы остаются теми же, просто меняются технические детали.

Итак, приступаем.

В среде версии 1.6 по умолчанию используется компилятор GCC версии 4.8, в котором по умолчанию не включена поддержка С++11, но нам же хочется auto, varadic templates и прочие плюшки, не правда ли? А в среде версии 1.8 компилятор уже версии 4.9, поддерживающий С++11 по умолчанию, но и его можно заставить использовать С++14 с его rvalue reference, константными выражениями, разделителями разрядов, двоичными литералами и прочими радостями.

Чтобы добавить поддержку более новых стандартов, чем включены по умолчанию, надо в каталоге установки Arduino открыть файл hardwarearduinoavrplatform.txt, содержащий настройки компиляции, найти там параметр compiler.cpp.flags и указать желаемый стандарт языка: -std=gnu++11 заменить на -std=gnu++14. Если параметра нету — добавить, например в конце строки.

После сохранения файла можно попробовать пересобрать скетч — среда подхватит новые настройки сразу же.

Здесь же можно изменить настройки оптимизации, например вместо более компактного кода изменением опции -Os на -Ofast включить генерацию более быстрого кода.

Эти настройки глобальные, поэтому применимы в рамках всех проектов.

Дальше я решил получить более детальный контроль над результатом работы компилятора и добавил некоторый аналог postbuild-событий. Для этого в тот же файл надо добавить параметр recipe.hooks.postbuild.0.pattern, значение которого должно содержать имя файла, который будет запущен после сборки, и аргументы командной строки. Я присвоил ему значение "{compiler.path}stat.bat" "{build.path}/{build.project_name}". Поскольку такого файла пока нет, его надо создать в каталоге hardwaretoolsavrbin (с именем, очевидно, stat.bat).

Напишем туда следующие строки:

"%~dp0avr-objdump.exe" -d -C %1.elf > %1.SX
"%~dp0avr-nm.exe" %1.elf -nCS > %1.names

Первая строка запускает декомпиляцию уже собранной и оптимизированной программы с помощью objdump, создавая выходной файл с именем проекта и дополнительным расширением .SX (выбор произвольный, но будем считать, что S — традиционно ассемблер, а X указывает на факт некоторого преобразования).

Вторая строка извлекает символьные имена областей памяти запуском команды nm и формирует отчёта в файле с дополнительным расширением .names, при этом сортировка выполняется по адресам.

Здесь надо ещё добавить, что сборка ведётся во временном каталоге, и чтобы его посмотреть, нужно зайти в настройки Arduino и включить чекбокс «Показать подробный вывод» -> «Компиляция», после чего запустить эту самую компиляцию и посмотреть, где идёт сборка. В моём случае (IDE версии 1.8.5) это был каталог вида %TEMP%arduino_build_[random].

Читать дизассемблированный код в обычной жизни — удовольствие сомнительное, но может кому-то понадобится (мне доводилось).

Файл имён же в целом более полезен. В спойлере — тестовый скетч, с которым выполнялись опыты:

int counter = 1;

void test(auto&& x) {
  static unsigned long time;
  
  long t = millis();
  Serial.print(F("Counter: "));
  Serial.println(counter);
  Serial.print(F(" At "));
  Serial.print(t);
  Serial.print(F(" value is "));
  Serial.println(x);
  Serial.print(F("Time between iterations: "));
  Serial.println(t - time);
  Serial.println();
  time = t;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {  
  delay(100);
  test(digitalRead(A0));
}

Получившийся файл имён целиком тоже под спойлером:

Как это читать? Давайте разбираться.

В контроллерах AVR две независимые области памяти: память программы и память данных. Соотвественно, указатель на код и указатель на данные — это не одно и то же. Про EEPROM пока молчу, там отдельный разговор про адресацию. В дампе память программы расположена по смещению 0 и с него начинается выполнение, и там же располагается таблица векторов прерываний, по 4 байта на элемент. В отличие от x86, каждый вектор прерываний содержит не адрес обработчика, а инструкцию, которую надо выполнить. Обычно (я не видел других вариантов) — jmp, то есть переход в нужный адрес. К векторам прерываний мы ещё потом ненадолго вернёмся, а пока смотрим дальше.

Память данных состоит из двух частей: регистровый файл со смещения 0 и данные в оперативной памяти (SRAM) со смещения 0x100. Когда выводится дамп памяти, то к адресам SRAM добавляется смещение 0x00800000, которое ничего не значит по сути, но просто удобно. Отмечу также, что смещение EEPROM имеет значение 0x00810000, но нам это не нужно.

Давайте начнём с данных, тут всё немного проще и привычнее, а потом вернёмся к коду. Первый столбец — смещение, второй — размер, дальше тип (пока не обращаем внимание), дальше до конца строки — имя.

Идём на смещение 0x00800100 и видим там записи:

00800100 D __data_start
00800100 00000002 D counter
00800102 00000010 V vtable for HardwareSerial
0080011c D __data_end

Это аналог секции .data и содержит инициализированные глобальные и статические переменные, а также таблицы виртуальных методов. Эти переменные будут проинициализированы bootstrap-кодом, что займёт некоторое время.

Дальше идём (пускай вас не смущает, что __bss_start и __data_end идут в произвольном порядке — они имеют общий адрес).

0080011c B __bss_start
0080011c 00000004 b test(int)::time
00800120 00000001 b timer0_fract
00800121 00000004 B timer0_millis
00800125 00000004 B timer0_overflow_count
00800129 0000009d B Serial
008001c6 B __bss_end

Это секция неинициализированных данных (аналог .bss). Она даётся даром, поскольку заполнена нулевыми байтами. Здесь несколько вспомогательных переменных, имена который начинаются с timer0_, глобальный объект Serial и наша статическая локальная переменная.

Маленькое лирическое отступление: обратите внимание, что объект Serial изначально пуст, и он будет проинициализирован, когда на нём будет вызван метод begin. Для этого есть несколько причин. Во-первых, он может вообще не использоваться (тогда он вообще не будет создан и место под него выделяться не будет), а во-вторых, мы же знаем, что порядок инициализации глобальных объектов не определён, и до входа в main строго говоря контроллер не инициализирован корректно.

По более высоким адресам располагается стек. Если объём памяти контроллера 2 килобайта (платы на базе процессора atmega328), то последний адрес будет 0x008008FF. С этого адреса начинается стек и растёт он в сторону уменьшения адресов. Нет никаких барьеров, и в принципе стек может наползти на переменные, испортив их. Или данные могут испортить стек — как повезёт. В этом случае ничего хорошего не произойдёт. Можно это назвать неопределённым поведением, но лучше всегда в памяти оставлять достаточно места для стека. Сколько — сложно сказать. Чтобы хватило на локальные переменные и кадры стека всех вызовов плюс для самого тяжёлого обработчика прерывания со всеми вложенными вызовами. Я, честно говоря, более-менее честного решения относительно того, как диагностировать использование стека, не нашёл.

Давайте вернёмся к коду. Когда я говорил, что там хранится код, я немного лукавил. На самом деле там могут храниться и данные, доступные только для чтения, но извлекаются они оттуда специальной инструкцией процессора LPM. Так вот, константные данные можно размещать там и размещать даром, потому как на их инициализацию не тратится время. Обратите внимание на макросы F(…) в коде. Они как раз объявляют строки размещёнными в программной памяти и дальше делает немножко магии. Не будем вдаваться в подробности магии, а поищем их в памяти. Такие макросы идут в функции test, и в дампе мы их увидим как

00000068 0000001a t test(int)::__c
00000082 0000000b t test(int)::__c
0000008d 00000005 t test(int)::__c
00000092 0000000a t test(int)::__c

Несмотря на то, что они имеют одинаковые имена, они находятся по разным адресам. Потому что макрос F(…) создаёт область видимости в фигурных скобках, и переменные (точнее константы) друг другу не мешают. Если посмотреть дизассемблерный дамп, то это и будут адреса строк в программной памяти.

И напоследок обещанное о прерываниях. Библиотеки используют некоторые ресурсы контроллера для поддержки работы периферии: таймеры, коммуникационные интерфейсы и т.п. Они регистрируют свои обработчики прерывания, хранят в памяти свои переменные, а в программной памяти — константы. Если скомпилировать пустой скетч, то дамп памяти будет такой:

Немало, неправда ли?

А вот код:

/empty.cpp.elf:     file format elf32-avr

Disassembly of section .text:

00000000 <__vectors>:
   0:	0c 94 34 00 	jmp	0x68	; 0x68 <__ctors_end>
   4:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
   8:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
   c:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  10:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  14:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  18:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  1c:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  20:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  24:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  28:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  2c:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  30:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  34:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  38:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  3c:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  40:	0c 94 5f 00 	jmp	0xbe	; 0xbe <__vector_16>
  44:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  48:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  4c:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  50:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  54:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  58:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  5c:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  60:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__bad_interrupt>
  64:	0c 94 46 00 	jmp	0x8c	; 0x8c <__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:	d8 e0       	ldi	r29, 0x08	; 8
  70:	de bf       	out	0x3e, r29	; 62
  72:	cd bf       	out	0x3d, r28	; 61

00000074 <__do_clear_bss>:
  74:	21 e0       	ldi	r18, 0x01	; 1
  76:	a0 e0       	ldi	r26, 0x00	; 0
  78:	b1 e0       	ldi	r27, 0x01	; 1
  7a:	01 c0       	rjmp	.+2      	; 0x7e <.do_clear_bss_start>

0000007c <.do_clear_bss_loop>:
  7c:	1d 92       	st	X+, r1

0000007e <.do_clear_bss_start>:
  7e:	a9 30       	cpi	r26, 0x09	; 9
  80:	b2 07       	cpc	r27, r18
  82:	e1 f7       	brne	.-8      	; 0x7c <.do_clear_bss_loop>
  84:	0e 94 4b 00 	call	0x96	; 0x96 <main>
  88:	0c 94 e4 00 	jmp	0x1c8	; 0x1c8 <_exit>

0000008c <__bad_interrupt>:
  8c:	0c 94 00 00 	jmp	0	; 0x0 <__vectors>

00000090 <setup>:
  90:	08 95       	ret

00000092 <loop>:
  92:	08 95       	ret

00000094 <initVariant>:
  94:	08 95       	ret

00000096 <main>:
  96:	0e 94 a9 00 	call	0x152	; 0x152 <init>
  9a:	0e 94 4a 00 	call	0x94	; 0x94 <initVariant>
  9e:	0e 94 48 00 	call	0x90	; 0x90 <setup>
  a2:	80 e0       	ldi	r24, 0x00	; 0
  a4:	90 e0       	ldi	r25, 0x00	; 0
  a6:	89 2b       	or	r24, r25
  a8:	29 f0       	breq	.+10     	; 0xb4 <main+0x1e>
  aa:	0e 94 49 00 	call	0x92	; 0x92 <loop>
  ae:	0e 94 00 00 	call	0	; 0x0 <__vectors>
  b2:	fb cf       	rjmp	.-10     	; 0xaa <main+0x14>
  b4:	0e 94 49 00 	call	0x92	; 0x92 <loop>
  b8:	0e 94 49 00 	call	0x92	; 0x92 <loop>
  bc:	fb cf       	rjmp	.-10     	; 0xb4 <main+0x1e>

000000be <__vector_16>:
  be:	1f 92       	push	r1
  c0:	0f 92       	push	r0
  c2:	0f b6       	in	r0, 0x3f	; 63
  c4:	0f 92       	push	r0
  c6:	11 24       	eor	r1, r1
  c8:	2f 93       	push	r18
  ca:	3f 93       	push	r19
  cc:	8f 93       	push	r24
  ce:	9f 93       	push	r25
  d0:	af 93       	push	r26
  d2:	bf 93       	push	r27
  d4:	80 91 01 01 	lds	r24, 0x0101
  d8:	90 91 02 01 	lds	r25, 0x0102
  dc:	a0 91 03 01 	lds	r26, 0x0103
  e0:	b0 91 04 01 	lds	r27, 0x0104
  e4:	30 91 00 01 	lds	r19, 0x0100
  e8:	23 e0       	ldi	r18, 0x03	; 3
  ea:	23 0f       	add	r18, r19
  ec:	2d 37       	cpi	r18, 0x7D	; 125
  ee:	20 f4       	brcc	.+8      	; 0xf8 <__vector_16+0x3a>
  f0:	01 96       	adiw	r24, 0x01	; 1
  f2:	a1 1d       	adc	r26, r1
  f4:	b1 1d       	adc	r27, r1
  f6:	05 c0       	rjmp	.+10     	; 0x102 <__vector_16+0x44>
  f8:	26 e8       	ldi	r18, 0x86	; 134
  fa:	23 0f       	add	r18, r19
  fc:	02 96       	adiw	r24, 0x02	; 2
  fe:	a1 1d       	adc	r26, r1
 100:	b1 1d       	adc	r27, r1
 102:	20 93 00 01 	sts	0x0100, r18
 106:	80 93 01 01 	sts	0x0101, r24
 10a:	90 93 02 01 	sts	0x0102, r25
 10e:	a0 93 03 01 	sts	0x0103, r26
 112:	b0 93 04 01 	sts	0x0104, r27
 116:	80 91 05 01 	lds	r24, 0x0105
 11a:	90 91 06 01 	lds	r25, 0x0106
 11e:	a0 91 07 01 	lds	r26, 0x0107
 122:	b0 91 08 01 	lds	r27, 0x0108
 126:	01 96       	adiw	r24, 0x01	; 1
 128:	a1 1d       	adc	r26, r1
 12a:	b1 1d       	adc	r27, r1
 12c:	80 93 05 01 	sts	0x0105, r24
 130:	90 93 06 01 	sts	0x0106, r25
 134:	a0 93 07 01 	sts	0x0107, r26
 138:	b0 93 08 01 	sts	0x0108, r27
 13c:	bf 91       	pop	r27
 13e:	af 91       	pop	r26
 140:	9f 91       	pop	r25
 142:	8f 91       	pop	r24
 144:	3f 91       	pop	r19
 146:	2f 91       	pop	r18
 148:	0f 90       	pop	r0
 14a:	0f be       	out	0x3f, r0	; 63
 14c:	0f 90       	pop	r0
 14e:	1f 90       	pop	r1
 150:	18 95       	reti

00000152 <init>:
 152:	78 94       	sei
 154:	84 b5       	in	r24, 0x24	; 36
 156:	82 60       	ori	r24, 0x02	; 2
 158:	84 bd       	out	0x24, r24	; 36
 15a:	84 b5       	in	r24, 0x24	; 36
 15c:	81 60       	ori	r24, 0x01	; 1
 15e:	84 bd       	out	0x24, r24	; 36
 160:	85 b5       	in	r24, 0x25	; 37
 162:	82 60       	ori	r24, 0x02	; 2
 164:	85 bd       	out	0x25, r24	; 37
 166:	85 b5       	in	r24, 0x25	; 37
 168:	81 60       	ori	r24, 0x01	; 1
 16a:	85 bd       	out	0x25, r24	; 37
 16c:	ee e6       	ldi	r30, 0x6E	; 110
 16e:	f0 e0       	ldi	r31, 0x00	; 0
 170:	80 81       	ld	r24, Z
 172:	81 60       	ori	r24, 0x01	; 1
 174:	80 83       	st	Z, r24
 176:	e1 e8       	ldi	r30, 0x81	; 129
 178:	f0 e0       	ldi	r31, 0x00	; 0
 17a:	10 82       	st	Z, r1
 17c:	80 81       	ld	r24, Z
 17e:	82 60       	ori	r24, 0x02	; 2
 180:	80 83       	st	Z, r24
 182:	80 81       	ld	r24, Z
 184:	81 60       	ori	r24, 0x01	; 1
 186:	80 83       	st	Z, r24
 188:	e0 e8       	ldi	r30, 0x80	; 128
 18a:	f0 e0       	ldi	r31, 0x00	; 0
 18c:	80 81       	ld	r24, Z
 18e:	81 60       	ori	r24, 0x01	; 1
 190:	80 83       	st	Z, r24
 192:	e1 eb       	ldi	r30, 0xB1	; 177
 194:	f0 e0       	ldi	r31, 0x00	; 0
 196:	80 81       	ld	r24, Z
 198:	84 60       	ori	r24, 0x04	; 4
 19a:	80 83       	st	Z, r24
 19c:	e0 eb       	ldi	r30, 0xB0	; 176
 19e:	f0 e0       	ldi	r31, 0x00	; 0
 1a0:	80 81       	ld	r24, Z
 1a2:	81 60       	ori	r24, 0x01	; 1
 1a4:	80 83       	st	Z, r24
 1a6:	ea e7       	ldi	r30, 0x7A	; 122
 1a8:	f0 e0       	ldi	r31, 0x00	; 0
 1aa:	80 81       	ld	r24, Z
 1ac:	84 60       	ori	r24, 0x04	; 4
 1ae:	80 83       	st	Z, r24
 1b0:	80 81       	ld	r24, Z
 1b2:	82 60       	ori	r24, 0x02	; 2
 1b4:	80 83       	st	Z, r24
 1b6:	80 81       	ld	r24, Z
 1b8:	81 60       	ori	r24, 0x01	; 1
 1ba:	80 83       	st	Z, r24
 1bc:	80 81       	ld	r24, Z
 1be:	80 68       	ori	r24, 0x80	; 128
 1c0:	80 83       	st	Z, r24
 1c2:	10 92 c1 00 	sts	0x00C1, r1
 1c6:	08 95       	ret

000001c8 <_exit>:
 1c8:	f8 94       	cli

000001ca <__stop_program>:
 1ca:	ff cf       	rjmp	.-2      	; 0x1ca <__stop_program>

Задействовано прерывание таймера, 9 байт на обслуживание этого таймера, и некоторое количество инфраструктурного кода.

На сегодня, пожалуй, хватит. Надеюсь, кому-нибудь это пригодится.

Итальянцы молодцы. Запустили в мир DIY настоящего монстра. С появлением экосистемы Arduino весь рынок цифрового DIY получил мощнейший толчок. Тысячи, сотни тысяч, миллионы пользователей принялись покупать оригинальные и совместимые платы для их последующего программирования и использования в своих поделках. Причина такой популярности в первую очередь связывают с низким порогом для входа в эту среду. Вам не нужно тратить много денег на приобретение плат: открытый стандарт дал дорогу на рынок множеству последователей и копировщиков. Вам так же не стоит сильно заморачиваться над программированием: поставляемая «в комплекте» Arduino IDE упрощена настолько, насколько это возможно. Пользователь просто пишет код и не задумывается о настройках компилятора, о том, что программировать при помощи Arduino IDE можно разными программаторами, а иногда и вообще голые микросхемы.

И вот, наступает момент, когда стандартная Arduino IDE становится тесновата, а ее неудобство начинает просто выбешивать, особенно, если пользователь знаком с более продвинутыми средами разработки по другим платформам и языкам программирования. Кто-то начинает мигрировать на что-то более интересное, например, на Atom или VS.Code в смеси с PlatformIO, а кто-то старается выжать из Arduino IDE все, что только можно.

Сегодня я выступлю как раз в роли подобного «особо интересующегося персонажа» и попробую вместе с читателем разобраться чуть-чуть побольше в тонкостях Arduino IDE. Все ниженаписанное более-менее соответствует версии 1.8.9 Arduino IDE.

Очень многих раздражает простенькое оформление Arduino IDE в корпоративных цветах Arduino. Все такое белое и «слепое». Долго работать в таком цветовом решении не всегда комфортно, особенно если это ночь, вокруг темно и все спят.

Для такого случая сторонний разработчик разработал так называемую темную тему, тему которая позволяет вернуть знакомый с детства вариант черного фона и светлого текста на нем. Тема не идеальна, так как не позволяет полностью настроить все нюансы, но ограничение это связано не с самой темой, а с ограничениями Arduino IDE. Тему, при желании, можно подредактировать самостоятельно.

Меню Sketch

Я, как и большинство других пользователей Arduino IDE, загружаю свои скетчи в платы при помощи панели инструментов. Щелкнул на кнопку загрузки и скетч начал заливать в плату. Удобно. Но, как оказывается, меню Sketch (здесь и далее я буду использовать английский вариант интерфейса Arduino) содержит не мало интересных и полезных новшеств. Итак, кратенько пробежимся по ним.

Пункты меню Very/Compile и Upload стандартны и знакомы всем. Именно они используются для проверки правильности кода и последующей нормальной загрузки. А вот пункт Upload using programmer для меня до недавнего времени оставался Terra incognita. Как оказалась, данный пункт необходимо применять при загрузки скетча без использования загрузчика (bootloader), но с использованием полноценного программатора. О загрузчиках и программаторах поговорим немного позже, пока же просто запомним этот пункт.

В этом же меню присутствует весьма полезный пункт Export compiled Binary. Применяется он в том же направлении, что и Upload using programmer. По умолчанию Arduino IDE компилирует исходный код в файл, который сохраняется во временную директорию и после завершения загрузки она должна очищаться. Временная директория находится в каких-то дебрях файловой системы, а искать там скомпилированный файл с непонятным наименованием — то еще удовольствие. Так вот функция Export compiled Binary как раз и применяется для того, чтобы сохранить уже откомпилированный скетч в виде бинарных-файлов в папке самого скетча. В дальнейшем скомпилированные скетчи могут быть прошиты при помощи внешнего программатора или же USB-TTL преобразователя.

Кстати, просмотреть папку скетча можно все через тоже самое меню Sketch при помощи пункта Show Sketch Folder. Кстати, при вызове Export compiled Binary компилируется сразу два файла: с и без загрузчика. Для чего это нужно, опять же немного ниже. При компилировании при помощи Export compiled Binary следует учитывать, что примеры из поставки Arduino так откомпилировать не выйдет. Папки, в которых хранятся эти скетчи имеют режим только для чтения, а IDE необходимо куда-то записать скомпилированные файлы (обычно в таком случае возникает ошибка «Export canceled, changes must first be saved.»). Поэтому тренируемся на своих собственных скетчах или же пересохраняем скетч в новую папку.

Меню Tools

Меню Tools в Arduino IDE дает куда больше интересного и полезного, нежели Sketch. Более того, сам вид меню зависит от того, какую платформу вы выбрали в качестве целевой.

Начнем с общего и тех пунктов, которые есть в оригинальных платах, построенных на микроконтроллерах Atmel (ее все же купила Microchip).

Пункт Auto Format позволяет отформатировать ваш исходный текст по общепринятому в Arduino IDE стандарту. Отформатированный текст позволяет легче находить ошибки, да и сама программа выглядит опрятно. Так же, зачастую, при форматировании при помощи автоформата получается найти такие ошибки, как отсутствующие скобки, что при большом количестве вложений несколько затруднительно. Оная же функция вызывается и в самом редакторе в контекстном меню доступном по правой кнопке мышки.

Archive Sketch позволяет упростить навигацию по папке в которой хранятся все ваши скетчи. Напомню, что каждый скетч хранится в отдельной папке, куда складывается все, что к нему относится. Если скетчей у вас много, особенно если плодить версии в новых папках, то разобраться во всем этом нагромождении становится очень сложно. Для этого и можно применить функцию архивирования. Папка со скетчем будет сжата в архив ZIP, а затем стерта из каталога. Останется только архив.

Serial Plotter противовес Serial Monitor предназначен для вывода графика из данных выдаваемых в последовательный порт. Все, что от вас требуется для построения графика — выплевывать в порт цифры при помощи Serial.println(). Неплохой пример использования плоттера приведен на страницах проекта wikihandbk.

Приведенные выше пункты стандартны. Их использование, вкупе с Library Manager должны быть известны даже неопытным пользователям. А дальше попробуем погрузиться в чащобы Arduino IDE и мир программирования микроконтроллеров.

WiFi101 / WiFiNINA Firmware Updater

Сетевое взаимодействие для оригинальных плат Arduino всегда было ахиллесовой пятой. Их просто нет в стандартной поставке, а все решения в виде внешних плат настолько ди́ки, что просто пропадает всякое желание их использовать. По этой причине многие используют платы на основе ESP8266, которые дешевле, мощнее и сразу с WiFi на борту. Но итальянцы, да и ардуинщики вообще, ребята упорные, поэтому вместо того, чтобы переходить на нормальные платы, продолжают изобретать очередные ужасы, к которым и относятся WiFi101 и WiFiNINA.

Собственно этот пункт меню предназначен для обновления прошивки и сертификатов соответствующих плат.

Дичь полнейшая и подобные платы лучше не использовать, так как они до жути непопулярны, стоят дорого, потребляют уйму энергии. В общем, гораздо проще и элегантнее все решается на базе плат семейства ESP. В целом на Arduino присутствует подробный туториал, где разжевано как и что обновляется при помощи данной функции.

ESP Exception Decoder

Плагин для Arduino IDE под непонятным названием ESP Exception Decoder предназначен для более легкой отладки программ под платформу ESP8266. Exception или «исключение» обозначает возникновение ошибочной ситуации которая не была корректно обработана кодом. Например, деление на 0 однозначно вызовет исключение, и работа программы будет прервана. В языке, на котором программируют в Arduino IDE нет возможности использовать блоки try {} catch {}, соответственно работа с исключениями невозможна (точнее по синтаксису он есть, но компилятор его отвергнет, по крайней мере для плат на основе AVR). Программист обязан предусматривать и проверять данные и предупреждать возникновение подобных ситуаций. Иначе результат может быть непредсказуемым.

На первоначальной экосистеме Arduino, построенной на Atmel AVR (об этом опять же дальше) нет места исключениям. И даже несмотря на то, что язык, применяемый для программирования в Arduino IDE есть ни что иное как диалект C++, в нем так же нет исключений и они не поддерживаются компилятором, ибо в AVR нет исключений, слишком там мало места для еще и исключений. Сильно жизнь это не осложняет, просто программы пишутся куда более аккуратно. А вот в экосистеме ESP, в том числе и под Arduino, исключения присутствуют.

И в этом возникает проблема. При возникновении исключительной ситуации, того же деления на 0, микроконтроллер, например, esp8266 выдаст в последовательный порт информацию о возникновении исключения, стек вызовов функций, где оно возникло, сохранит некоторые сведения во внутренней памяти (к ним можно будет обратиться после перезагрузки).

Система в чипах ESP более замороченная, чем в AVR и при возникновении нештатной ситуации выплевывает в последовательный порт некий стек адресов, по которым можно добраться до истинной причины возникновения ошибки. Но выдаются адреса в совсем нечитаемом человеком виде. Чтобы сопоставить строчку в исходном коде с конкретным адресом, выданным в стеке, и был придумал ESP Exception Decoder.

После возникновения ошибки необходимо перенести стек в декодировщик и он выдаст «путь» по которому можно дойти до строки в годе где и возникла исключительная ситуация. В некоторых случаях функция исключительно удобная. Ознакомиться с подробной инструкцией по применению декодировщика можно на страничке проекта ESP Arduino Core.

Get Board Info

Пожалуй, самая бесполезная функция, которое позволяет, в некоторых случаях, понять, какая плата подключена к компьютеру для прошивки. В большинстве случаев вы это и так знаете. А если не знаете, то функция отобразит, опять же, в большинстве случаев информацию только об оригинальных платах.

Burn Bootloader

Наконец-то мы начинаем подбираться к действительно интересным пунктам меню. Начнем с пункта загрузки загрузчика (Burn Bootloader). Но для начала попытаемся понять, что такое bootloader и для чего он нужен. В старые далекие ламповые времена тоже существовали программируемые микросхемы. Но программировались они весьма жестким способом. Использовался специальный программатор, в который вставлялась микросхема, происходило таинство, и микросхему можно было использовать в оборудовании.

Сей способ с одной стороны достаточно прост, но с другой он очень неудобен. Ведь чтобы сменить прошивку на уже прошитой микросхеме, если это вообще возможно, ее необходимо вытащить из устройства, установить в программатор и повторить процедуру. Что далеко не всегда возможно, так как микросхема может быть впаянной в плату и без специализированного оборудования достать ее оттуда нельзя или же само устройство летает на спутнике. Именно для этих целей была придумана методика ISP (In-System Programming), что в переводе означает ни что иное как «внутрисхемное программирование». ISP не стоит путать с SPI (Serial Peripheral Interface). ISP это именно внутрисхемная прошивка, а SPI это стандарт взаимодействия между устройствами. И пусть даже вас не вводят в заблуждения сильно похожие разъемы и наименования контактов. ISP и SPI это разные вещи.

В общем случае ISP позволяет программировать микроконтроллер через любой его интерфейс и даже программироваться самостоятельно с изменением своего кода посредством своего собственного же кода. Но для осуществления подобных фокусов требуется некая программа, которая будет сидеть в микроконтроллере и управлять этим программированием. Именно она и называется загрузчиком (bootloader). И именно благодаря ей есть возможность прошивать микроконтроллеры просто подключив их к USB-порту, или же применив простейший программатор на параллельном порту компьютера (у кого они еще остались), а в некоторых случаях обновление прошивки можно загружать вообще по воздуху применяя прием OTA (Over The Air).

Вообще микроконтроллер можно прошить и без загрузчика. Именно для этих целей и предназначен соответствующий пункт в меню Sketch. В этом случае места под ваш скетч в памяти микроконтроллера будет больше. Однако, в последствии уже нельзя будет загрузить обновление прошивки обыкновенным путем. Придется при помощи программатора либо прошить загрузчик, либо далее прошивать прошивку без загрузчиков.

Для Arduino существует несколько вариантов загрузчиков. Стандартный, который прошивается еще при изготовлении платы Arduino, многие не любят. Дескать он притормаживает при загрузке устройства в ожидании передачи данных для прошивки и только спустя десять секунд запускает ваш прошитый скетч. Дело в том, что некоторые платы Arduino, в которых не реализован механизм DTR (Data Terminal Ready) / RTS (Ready To Send) действительно нужно прошивать очень быстро иначе bootloader просто передаст управление той микропрограмме, что уже находится в микропроцессоре. Вот и начали все, кому не лень, модифицировать штатный загрузчик или же писать свой собственный.

Где брать загрузчики? Вообще стандартный загрузчик можно загрузить прямо из Arduino. Для этих целей и предназначен пункт меню Burn Bootloader. А сами загрузчики из стандартной поставки можно найти в папке с установленным Arduino в поддиректории hardware. Если же вы используете платы отличные от Arduino AVR, например, ESP3288, то все дополнительные загрузчики и прочие инструменты можно найти в личном профиле пользователя (AppDataLocal).

Но если вы скачиваете дополнительные загрузчики и хотите установить их в Arduino IDE, то можно использовать папку hardware в вашем каталоге для скетчей. После перезагрузки IDE загрузчики из этой папки так же будут доступны, однако не следует забывать про файл boards.txt который должен присутствовать в подпапках папки hardware. Если у вас вдруг нет текстового редактора или же вы испытываете трудности с редактированием boards.txt то есть решение. Один энтузиаст создал специальную программу Arduino BOARDS.TXT Editor, которая позволяет с легкостью вносить изменения в указанный файл.

Так, где же брать эти самые альтернативные загрузчики? Искать в сети. Поисковики выдают просто немыслимое количество разнообразных вариантов. Для начала можно остановиться на OptiBoot, попробовать калькулятор «формирующий» загрузчик под конкретную плату или начать просматривать ссылки с официальной страницы загрузчиков Arduino.

И подводя промежуточный итог, если нам нужно загрузить прошивку без загрузчика (так для нее останется больше места) в микроконтроллер, то подключаем его к программатору и загружаем прошивку через Sketch – Upload Using Programmer. Если же хотим вернуться к обычной и удобной загрузке скетчей через среду Arduino по USB и без прочих танцев африканских народов, то прошиваем загрузчик обратно (или же мы купили микроконтроллер без загрузчика) уже посредством Tools – Burn Bootloader. В обоих случаях незабываем про корректный выбор платы, программатора и прочих настроек.

И еще раз, если в плате установлен загрузчик, то после перезагрузки платы он первым получит управление, послушает немного выделенные порты в надежде если вдруг там кто-то хочет залить прошивку. Если признаков заливания прошивки нет, то он со спокойной душой передает управление основной программе. А если в плате нет загрузчика, то тогда управление после перезагрузки сразу передается основной программе. Все просто, по крайней мере на пальцах.

AVR и прочие

Для лучшего понимания дальнейшей информации я хочу привести некоторые сведения о самих микроконтроллерах с которых пошло-поехало Arduino. Мы уже знаем, что оригинальные Arduino построены на микроконтроллерах (больших интегральных схемах, которые можно программировать и которые могут работать и сами по себе без внешней обвязки, подавай только напряжение) от компании Atmel (нынче Microchip).

У компании Atmel наработано несколько линеек микроконтроллеров, но нас в первую очередь интересует линейка AVR (кстати, аббревиатура AVR официально никак не расшифровывается), так как именно на ней и построены оригинальные Arduino. Линейка появилась аж в 1996 году и, пожалуй, была одна из первых на рынке предложившей решение, где микроконтроллер и память (ОЗУ и ПЗУ) расположены в рамках одного единственного кристалла. Повторюсь, чтобы система работала достаточно только одной микросхемы AVR на которую подается питание. Все остальное у нее уже есть внутри.

AVR линейка делится на несколько основных групп:

• tinyAVR – с уменьшенным количеством линий ввода-вывода, уменьшенным количеством памяти всех типов, обозначается как ATtinyxxx.
• megaAVR – увеличенное количество памяти всех типов, увеличенное количество линий ввода-вывода, расширенный набор для периферии и тому подобное. Обозначается как ATmegaxxx.
• XMEGA – ко всему увеличенному у megaAVR тут еще увеличили памяти и добавили встроенный контроллер для быстрой работы с памятью. Обозначается как ATxmegaxxx.

Именно микросхемы AVR обеспечивают поддержку таких функций как АЦП, ШИМ, SPI, I2C и прочих. Arduino же просто их использует (хотя с появлением более мощных микроконтроллеров, тех же esp8266, появилась возможность эмуляции вышеназванных функций программным способом).

И вопреки возможности прошивки AVR методом ISP посредством стандарта SPI через установленный загрузчик, для программирования микроконтроллеров применяется великое множество программаторов. Как простых и собираемых на коленке, так и сложных с внешним питанием и обилием всевозможных функций. Но прежде, чем мы перейдем к рассмотрению программаторов следует пояснить еще один момент. При программировании микроконтроллера с использованием внешнего программатора (без использования загрузчика) необходимо четко понимать, что такое fuses или не трогать настройки, связанные с ними, если такого понимания нет. Fuse/фьюзы/предохранительные биты — это настройки внутри микроконтроллера, в частности AVR. Они прошиваются точно так же, при помощи внешнего программатора (без применения ISP). И обычно применяются для настройки самого микроконтроллера, например, можно включить или отключить возможность самопрошивки контроллера, включение или отключение внешнего сброса устройства (и соответственно возможности его прошивки через bootloader), включение и отключение очистки памяти при перепрограммировании чипа и тому подобное. Подробнее ознакомиться с фьюзами можно (и нужно) в документации к конкретному контроллеру. К чипу ATmega328, одному из самых популярных чипов на Arduino, документация доступна на официальном сайте производителя.

Programmer:

Пожалуй, что пункт меню Tools под кодовым названием Programmer является самым таинственным местом всего Arduino IDE. Информации по данному пункту очень мало, и она настолько скудна что может привести к разочарованию даже самого стойкого прагматика. Очевидно, что данный пункт содержит выбор программаторов для программирования плат. И кажется, что одну и ту же плату можно запрограммировать кучей разных способов и программаторов. Но, а что же нам на этот счет говорит документация к Arduino IDE? А она нам вещает о том, что данный пункт меню Tools имеет смысл только при прошивке загрузчика. Во всех остальных случаях используемый «прошивальщик» зашит в тот самый boards.txt, что обсуждался немного ранее. Причем для микроконтроллеров AVR это всегда avrdude, а для ESP это всегда esptool. Кроме того, для плат AVR может применяться, в штатной поставке, целых два различных протокола «закачки» прошивки в микроконтроллер: avr109 и arduino. Разные протоколы, как не сложно догадаться, применяются для разных загрузчиков, установленных в конкретные микроконтроллеры.

В штатной поставке Arduino IDE с подключенной инфраструктурой ESP для прошивки загрузчика можно применить несколько типов программаторов. Кратко пройдемся по ним всем. По факту все AVR в Arduino IDE прошиваются посредством приблуды AVRDUDE (бывший AVRProg) и различия между «программаторами» только в используемом протоколе и настройках AVRDUDE. На текущий момент AVRDUDE поддерживает 39 программаторов, но в Arduino IDE используется только 14. Ознакомиться с настройками каждого из них можно в файле programmers.txt в той самой директории hardware, где складируется файлик boards.txt. Информация по настройкам для каждого из программатора доступна в файле avrdude.conf (располагается обычно в Arduinohardwaretoolsavretc) и в куцей документации к самому AVRDUDE.

AVR ISP

AVRISP есть ни что иное как фирменный программатор от Atmel. Он позволят программировать AVR. И похоже, что на этом все. Мне ну далось найти хоть сколько-нибудь достоверной информации про данный программатор, кажется, что он сошел со сцены и осел где-то в дебрях плат у аксакалов еще до появления Интернет.

Единственное, что хоть как-то проливает свет на данный программатор, так это то, что он по факту является частью STK500 (такая отладочная плата для AVR от Atmel) версии 1, которая подкачается к компьютеру посредством последовательно порта.

AVRISP mkII

А вот AVRISP mkii является актуальным программатором, подключаемым к USB. По крайней мере о нем есть информация на сайте производителя и большинство безродных программаторов, которые продаются бесчисленными компаниями как раз и являются клонами именно этого программатора.

Тем не менее, он так же является частью отладочной платы STK500, но уже версии 2, которая подключается к компьютеру уже по интерфейсу USB. Хотя, по отзывам очевидцев и версия 1 может использовать с USB посредством конвертера COM-USB.

USBtinyISP

Это один из программаторов, который можно собрать своими руками, он прост и дешев, а в качестве «сердца» у него используется чип tinyAVR. Вот только возникает вопрос – как же его прошивать, если он сам и предназначен для прошивки AVR?

Тем не менее, программатор поддерживается Arduino IDE и весьма популярен. Программатор был разработан в Нидерландах, но в настоящее время поддерживается AdaFruit.

ArduinoISP и ArduinoISP.org

Что подразумевали под этими двумя программаторами разработчики Arduino IDE остается только гадать, да угадывать. Сайт ArudinoISP.org дает перенаправление на туториал на сайте Arduino.cc по использованию Arduino as ISP. Единственное отличие этих двух от Arduino as ISP только лишь используемый протокол. Вероятно, что они были когда-то собраны в качестве поддержки особого загрузчика, а с течением времени исчезли с лица истории. По крайней мере в документации AVRDUDE никакого упоминания ни про arduinoisp ни про arduinoisporg просто нет.

USBasp

Еще один простой программатор, который можно собрать дома на коленке. И он тоже построен на чипе от Atmel. Проект был развернут немецкий программистом, а затем подхвачен всем миром. Как и с USBtinyISP чип от Atmel для программатора необходимо запрограммировать.

Parallel Programmer

Данный тип программатора считается одним из самый простых, если не самым простым. По сути «параллельный программатор» — распиновка параллельного порта компьютера и соответствующее программное обеспечение.

Для сборки данного программатора требуется компьютер с параллельным интерфейсом (раньше по нему было модно подключать принтеры) и всего три резистора двух номиналов. Подробная схема (от руки) и описание по сборке (с фотографиями) доступна на официальном сайте Arduino.

Arduino as ISP

Поскольку платы Arduino сами по себе являются микроконтроллерами, да еще и с навороченными входами/выходами, то их вполне можно использовать в качестве программаторов.

Для этого в плату Arduino закачивается скетч из примеров под именем ArduinoISP, соединяются проводки (между платой, в которую залит скетч и платой, которую нужно прошить), и прошивается загрузчик (не забываем выбрать программатор Arduino as ISP). Подробная инструкция доступна опять же на странице официального сайта Arduino.

Arduino Gemma

Если подходить формально, то Gemma это не программатор. Это микроскопическая плата от AdaFruit предназначенная для вшивания/встраивания в одежду/обувь. Она лишь частично совместима с Arduino, так как содержит очень мало вводов/выводов. Чтобы подключить ее к USB разработчику пришлось выдумать отдельный загрузчик, и отдельный PID для USB устройства. По этой причине прошивается Gemma как отдельный программатор (в реальности там встроенный USBtiny), имеет отдельный конфиг для AVRDUDE с жестко прописанным bootloader. Другими словами, прошить этой платой ничего нельзя, но зато ее можно прошить саму загрузчиком.

BusPirate as ISP

BusPirate это не только программатор, скорее это не совсем и вовсе не программатор, а одноплатный компьютер специализированный для изучения и программирования новых и неизвестных микропроцессоров. Его конструкция такова, что на одной плате собраны все мыслимые и не очень интерфейсы для исследования того, что же попало к вам в руки. Штука интересная и если вы уж работаете с таким, то должны знать, что с AVRDUDE у компьютера могут быть определенные проблемы, связанные с прошивкой самого BusPirate. Обходятся они, естественно, настройками AVRDUDE и некоторым шаманством с железом.

Atmel STK500 development board

Та самая отладочная плата, что упоминается в AVR ISP и AVR ISP mkII. В Arduino IDE не делается различия между версиями и предполагается, что AVRDUDE самостоятельно определит версию протокола обмена и осуществит самонастройку. Если же этого не происходит, то в programmers.txt нужно четко прописать stk500v1 или stk500v2 в качестве применяемого протокола.

Atmel JTAGICE3 (ISP mode) и Atmel JTAGICE3 (JTAG mode)

JTAGICE3 — современное решение для отладки чипов семейств AVR, SAM и Cortex. Разумеется, только тех чипов, что поддерживают внутричиповую отладку. Попутно эта коробочка еще и программирует их всех.

Продукт актуальный, у производителя имеется документация. Разница между программаторами только в применяемых протоколах. В ISP режиме применяется протокол JTAG3ISP, а в JTAG просто JTAG3.

Atmel-ICE (AVR)

Так же активный продукт Atmel и его можно купить. Как и JTAGICE3 он позволяет не только производить отладку у чипов, поддерживающих такую функцию, так и программировать их. Для прошивки используется протокол atmelice_isp. В общем использовать программаторы на подобие JTAGICE3 или Atmel-ICE только для прошивки 8-битных микроконтроллеров это как стрелять из пушки по клопам. Слишком уж мощные и дорогие решения для задачи, которая решается куда проще.

Обширное семейство ESP

Выше мы рассмотрели специфику прошивки контроллеров семейства AVR. Но при этом обойти не менее многочисленное и популярное семейство контроллеров ESP было бы просто некрасиво. Тем более, что при выборе одного из семейства, меню Tools значительно увеличивается в объеме. Пройдемся по меню и попробуем понять, что каждый из пунктов увеличенного меню означает. Здесь и далее я рассматриваю SDK ESP версии 2.5.0.

Часть меню все же остается тем же самым, что и прежде, поэтому излишне повторяться не будем.

Upload speed

Позволяет выбрать скорость, с которой будет происходить загрузка прошивки и других частей в микроконтроллер. Платы семейства ESP могут комплектоваться мегабайтами памяти (в то время как AVR речь идет в лучшем случае о сотнях килобайт) и загрузка на скорости 9600 может занять непростительно долгий отрезок времени.

Поддерживаемые скорости прописываются для каждой из плат индивидуально.

CPU Frequency

Многие платы семейства ESP могут из коробки работать сразу на нескольких частотах. В Arduino регулировать частоту процессора можно при прошивке микроконтроллера. Опять же, доступные варианты указываются для каждой из плат отдельно.

Flash Size

Здесь указывается каким образом разделять всю доступную ПЗУ для хранения кода программы и для файлов. Микроконтроллеры ESP поддерживают память SPIFFS (Serial Peripheral Interface Flash File System). По сути, SPIFFS это файловая система для последовательного доступа. И у программиста есть возможность определить, сколько памяти отводить для файловой системы (туда можно записать, например, HTML-файлы или картинки) и сколько для своего скетча. Но тут есть некоторая тонкость. На текущий момент, насколько мне известно, как минимум платы EPS8266 не могут закачать скетч размерностью более 1 мегабайта. Есть обходные пути, но ведь еще нужно умудриться написать скетч, который в компилированном виде будет занимать более 1 мегабайта. Поэтому рекомендуется использовать как можно больший SPIFF, дабы уменьшить время загрузки скетча.

В тоже самое время есть сведения от потерпевших, что платы ESP32 могут испытывать проблемы связанные с «не хватает места для скетча». Но проблемы эти всего лишь из-за еще сырой поддержки плат EPS32 в инфраструктуре ESP для Arduino.

Debug port

Пункт может принимать значения Disabled, Serial и Serial1. Данная настройка предназначена для вывода отладочной информации в последовательный порт (хотя включить ее можно и программно, например, через Serial.setDebugOutput(true)). Если в скетче инициализируется соответствующий порт (Serial или Serial1), то в него могут выводиться отладочные сообщения, которые не мешают выводу в этот же порт другой информации.

При инициализации и включении вывода отладочной информации рекомендуется устанавливать максимальную скорость работы порта. В противном случае, при большом объеме вывода могут наблюдаться фризы исполнения программы или же сброс буфера вывода. Подробнее о выдаче отладочных сообщений можно прочитать в статье на сайте проекта ESP8266 Core.

У ESP обычно присутствует два последовательных порта. Первый, Serial использует UART0 и GPIO1 (TX) с GPIO3(RX). Второй, Serial1 использует UART1 и только GPIO2 (TX). Соответственно Serial1 не может быть использован на прием. Тем не менее, в обоих случаях есть возможность программного переназначения пинов, как и скорости, четности и прочих характеристик.

Debug Level

Настройка позволяет выделить те отладочные сообщения, которые важны пользователю. Выбор комбинаций оставляют огромное пространство для маневра, но при этом обязательно должна быть включена предыдущая функция.

lwIP Variant

Настройка предназначена для выбора варианта реализации сетевого стека IP. Прошу обратить внимание, тут именно lwIP (lightweight IP), первая буква L, а не i.

По умолчанию используется самый верхний вариант, уменьшающий использование памяти. Но если ваш микроконтроллер активно работает с сетью, то можно пожертвовать памятью и получить наивысшую скорость. Аналогично можно включить поддержку IPv6 или вернуться на стек версии 1.4, где такой поддержки не было вообще. Под features тут понимается всякого рода ICMP, IGMP и прочие навороты, без которых можно обойтись. Основная документация по версии ветки 2.х доступна на сайте разработчика. Постоянно растущий Wiki по теме lwIP доступен на страницах проекта FanDom.

VTables

Под VTables в IDE подразумевается механизм виртуальной таблицы для позднего связывания объектов. Не буду вдаваться в подробности, о них можно задумчиво почитать в Википедии. Остановлюсь лишь на самих доступных опциях, а их всего три:

• Flash – постоянное запоминающее устройство, таблицы хранятся в файловой системе. Метод по умолчанию в репозитарии GitHub.
• Heap – куча, оперативная память предназначенная для динамического выделения памяти.
• IRAM – внутренняя память микроконтроллера.

Понятно, что самый быстрый способ хранения и обработки виртуальных таблиц это IRAM, а самый медленный Flash. Но тут следует так же смотреть на то, как активно работает программа с объектами, есть ли множественное наследование и как часто объекты создаются и уничтожаются. В обычных применениях такая таблица и вовсе может быть статической и отлично проживать на Flash, с другой стороны, она может быть весьма крупной и просто не влезать в IRAM (область ОЗУ для хранения кода программы).

Exceptions

Пункт меню позволяет включить или отключить использование исключительных ситуаций. О них мы уже рассуждали выше, в том числе и в разделе об ESP Exception Decoder. При включении исключений программист в коде уже может использовать структуры try {} catch {}, что увеличивает потребление памяти, но позволяет легче программировать сложные алгоритмы. Напомню, что try-catch будет работать только для плат семейства ESP. Отрадно замечать, что программисты работающие над библиотеками для семейства ESP для Arduino уже начали использовать механизм try {} catch {} в своем коде на GitHub.

Erase Flash

Пункт предлагает стирать внутреннюю память микроконтроллера в следующих пропорциях:

• Only Sketch – стирает только пространство отведенное под скетч. Остальное остается нетронутым.
• Sketch + WiFi Settings – пространство для скетча и настройки WiFi. Дело в том, что при подключении к точке доступа микроконтроллер запоминает параметры подключения и в следующий раз подключается к той же точке быстрее.
• All Flash Contents – стирается все, включая файловую систему.

Прочее по ESP

В заключение статьи хотелось бы добавить, что при прошивке загрузчика в ESP всегда используется прошивальщик esptool. И всегда применяется один и тот же загрузчик eboot. Чтобы пользователь там не выставил в Programmer.

Итог

Статья получилась весьма увесистая, но я полагаю, что она даст ответы на некоторые животрепещущие вопросы. Подавляющее большинство информации приходилось искать по крупицам в Сети. Похоже, что с течением времени возрастает сложность даже такого простого инструмента как Arduino IDE и в скором времени может случиться так, что начинающий быстрее плюнет, чем начнет разбираться с мегатоннами документации, техник, приемов и способов, тем более что большинство из них поддерживается энтузиастами, что ведет к повышенному почкованию указанных техник, методик, документаций.

Однако, хочу надеться, что авторы Arduino IDE все же смогут удержать свое творение в приличных рамках и оставить его все таким же легким в освоении инструментом. Заодно хочу им напомнить, что документировать свое творение стоит постоянно иначе получается «не только лишь все, сегодня могут в завтра».

Update: разбираясь глубже с тем как настраивать свои собственные платы или же добавлять новые платы к Arduino IDE, наткнулся на исчерпывающую документацию по этому поводу.