AVR汇编（一）：搭建交叉编译环境

几年间，陆陆续续接触了很多热门的单片机，如STC、STM8S、STM32、ESP32等。但一直都是抱着急功近利的心态去学习他们，基本上都是基于库函数和第三方组件进行开发，很少静下心来去研究这些不同内核单片机的底层工作原理。因此我打算接下来一段时间好好研究一番，先从相对容易的AVR内核开始。

AVR是Atmel推出的一个8位的RISC微控制器内核，哈佛架构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力。本文将介绍在Linux系统下搭建AVR交叉编译环境，以及仿真AVR程序的方法，还会提到一些常用的GDB调试命令。

搭建AVR交叉编译环境

主要安装 avr-gcc 、 make 、 simavr 软件，前两者用于编译，后者用于仿真。

从Microchip官网下载GCC Compilers for AVR，选择“AVR 8-Bit Toolchain (Linux)”。

下载后得到 avr8-gnu-toolchain-3.7.0.1796-linux.any.x86_64.tar.gz 文件，将之解压到合适位置：

tar -zxvf avr8-gnu-toolchain-3.7.0.1796-linux.any.x86_64.tar.gz -C /path/to/avr-gcc

其中， -C 指定解压目录。

解压完成后，得到 avr8-gnu-toolchain-linux_x86_64 文件夹，avr-gcc 所有的编译工具、库、头文件等都存放在它下面，其中 bin 文件夹是 avr-gcc 等主要可执行文件的位置。

将 avg-gcc 所在的目录添加到 PATH 环境变量，然后重新加载终端：

echo -e "\nexport PATH=\$PATH:/path/to/avr-gcc/avr8-gnu-toolchain-linux_x86_64/bin" >> ~/.zshrc

source ~/.zshrc

检查 avr-gcc 是否安装成功，如果成功，则会正常输出版本信息：

avr-gcc --version

安装 make 和 simavr ：

sudo apt update

sudo apt install make simavr

编译及仿真

首先准备一个用于仿真的源代码 hello.c ，内容如下：

#include <avr/io.h>

#include <stdint.h>

static void delay(void) {

    for (volatile uint16_t i = 0; i < 0x8000; i++);

}

int main(void)

{

    uint8_t mask = 1 << 5;

    DDRB |= mask;       // set PB5 to output mode

    PORTB &= ~mask;     // PB5 = 0

    for (;;) {

        PINB = mask;    // toggle PB5

        delay();

    }

}

这段代码干的事情很简单，设置 PB5 为输出模式，然后不断翻转 PB5 的输出电平。

然后编写 Makefile 文件：

.PHONY: all clean

all: hello.elf

hello.o: hello.c

        avr-gcc -mmcu=atmega328p -c -g -Wall -Og -std=gnu99 -o $@ $^

hello.elf: hello.o

        avr-gcc -mmcu=atmega328p -o $@ $^

clean:

        rm -rf *.o *.elf

文件定义的最终编译目标是 hello.elf ，其中不要忘了指定 avr-gcc 的 -mmcu 选项，这里 -mmcu=atmega328p 表示编译ATmega328P单片机的代码。

之后执行 make 进行编译，生成 hello.elf 文件。

接下来对 hello.elf 进行仿真，这主要借助 simavr 和 avr-gdb 来实现。

simavr -f 16000000 -m atmega328p --gdb hello.elf

这条命令中 -f 设置仿真频率， -m 指定仿真的单片机型号，可以通过 simavr --list-cores 查看所有支持的单片机型号， --gdb 开启GDB服务，监听端口为 1234 。

再打开另一个终端窗口，用于执行 avr-gdb 。

avr-gdb -ex "target remote localhost:1234" -q --tui hello.elf

执行这条命令后，将进入 avr-gdb 调试界面。

常用GDB命令

命令	功能	示例
`help`	查看帮助	`help all` 查看所有命令 `help print` 查看 `print` 命令的帮助信息
`target remote`	连接到远程GDB服务器	`target remote localhost:1234` 连接到本地端口号为 `1234` 的GDB服务器
`layout`	设置窗口布局	`layout regs` 显示寄存器窗口 `layout src` 显示源码窗口 `layout split` 显示源码和反汇编窗口
`break`	设置断点	`break n` 在第 `n` 行设置断点 `break func` 在 `func` 函数入口处设置断点
`print`	打印表达式的值	`print/x var` 以十六进制形式打印变量 `var` 的值
`display`	在程序每次暂停时打印表达式的值	`display/x $r24` 以十六进制形式在每次程序暂停时打印 `r24` 寄存器的值
`info registers`	显示寄存器的内容	`info registers r24` 显示 `r24` 寄存器的内容
`continue`	继续运行
`next`	单步调试（不进入函数）	`next n` 执行 `n` 步
`step`	单步调试（进入函数）	`step n` 执行 `n` 步
`backtrace`	显示当前堆栈
`list`	查看源码	`list n` 显示第 `n` 行前后10行代码 `list func` 显示 `func` 函数的源代码
`quit`	退出GDB

参考资料