MCU开发环境搭建与使用

基于开源工具，适用于Linux

Tier 1 : 8051，STM8，AVR，ARM，RISC-V

Tier 2 : PIC，DS390，HC08，Z80

1 方案一：二进制安装

AVR工具链：avr-gcc | 使用说明

SDCC工具链：sdcc | 使用说明

ARMv7-M工具链：arm-none-eabi-gcc Atmel Build: arm-none-eabi-gcc

1.1 AVR

1.2 SDCC

1.3 ARM

2 方案二：从源码编译

适用于当前平台没有提供二进制包的情况，尤其在一些ARM或RISC-V单板机上开发时

环境：

ArchLinux amd64 kernel 6.3.2

gcc 13.1.1

glibc 2.37

gnu make 4.4.1

采用不污染系统目录的部署方式

2.1 AVR

参考 https://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/install_tools.html

所有文件安装于/home/username/local/toolchain-avr

2.1.1 下载

文件	版本	说明
gcc	7.5.0
binutils	2.40	可以使用和gcc相近时间的版本
avr-libc	2.1.0	同时下载文档
avrdude	7.0.0	同时下载文档

可选文件	版本	说明
gdb	8.3.1	只能搭配模拟器使用，可以使用和gcc相近时间的版本
simulavr	1.1.0	AVR模拟器，使用`git`克隆到本地后回退版本，同时下载文档

2.1.2 编译与安装

创建AVR工具链家目录，以及源码目录，将下载的软件包全部放到src

mkdir ~/local/toolchain-avr
cd ~/local/toolchain-avr
mkdir src

配置变量：

PREFIX=/home/username/local/toolchain-avr
export PREFIX
PATH=$PATH:$PREFIX/bin
export PATH

编译安装binutils

cd binutils-2.40
mkdir _build
cd _build
../configure --prefix=$PREFIX --target=avr --disable-nls
make
make install

编译安装avr-gcc

cd gcc-7.5.0
mkdir _build
cd _build
../configure --prefix=$PREFIX --target=avr --enable-languages=c,c++ --disable-nls --disable-libssp --with-dwarf2
make
make install

编译安装avr-libc

cd avr-libc-2.1.0
./configure --prefix=$PREFIX --build=`./config.guess` --host=avr --with-debug-info=DEBUG_INFO
make
make install

编译安装avrdude

cd avrdude-7.0
mkdir _build
cd _build
../configure --prefix=$PREFIX
make
make install

编译安装gdb

可能先需要在包管理器安装boost

cd gdb-8.3.1
mkdir _build
cd _build
../configure --prefix=$PREFIX --target=avr
make
make install

编译安装simulavr

首先回退到release-1.1.0

cd simulavr
git reset release-1.1.0

make build
cmake --build build --target progdoc
cmake --build build --target install
cd build/install/usr/
cp -r * $PREFIX/

所有编译安装过程完成后，/home/username/local/toolchain-avr应当有如下目录

avr  bin  etc  include  lib  libexec  share  src

2.1.3 配置

2.1.4 添加MCU支持

atpack（选择MCU型号，下载后直接unzip解压）

2.2 SDCC

SDCC可以支持8051，STM8，PIC，Z80等架构

所有文件安装于/home/username/local/toolchain-sdcc

2.2.1 下载

文件	版本	说明
sdcc	4.2.0	同时下载文档

可选文件	版本	说明
gputils	1.5.2	提供PIC单片机支持，同时下载文档
gpsim	0.31.0	PIC模拟器，同时下载文档

2.2.2 编译与安装

创建SDCC工具链家目录，以及源码目录，将下载的软件包全部放到src

mkdir ~/local/toolchain-sdcc
cd ~/local/toolchain-sdcc
mkdir src

配置变量：

PREFIX=/home/username/local/toolchain-sdcc
export PREFIX
PATH=$PATH:$PREFIX/bin
export PATH

编译安装sdcc（无PIC14/PIC16支持，不安装gputils）

cd sdcc-4.2.0
mkdir _build
cd _build
../configure --prefix=$PREFIX --disable-pic14-port --disable-pic16-port
make
make install

如果想要PIC14/PIC16支持需要先安装gputils和gpsim，在编译sdcc前首先进行如下操作。之后配置sdcc时去除--disable-pic14-port --disable-pic16-port参数

cd gputils-1.5.2
mkdir _build
cd _build
../configure --prefix=$PREFIX
make
make install

cd gpsim-0.31.0
./configure --prefix=$PREFIX
make
make install

所有编译安装过程完成后，/home/username/local/toolchain-sdcc应当有如下目录

bin  include  lib  share  src

2.2.3 配置

2.3 ARM

较为繁琐，建议使用crosstool-NG

arm-none-eabi-gcc工具链

参考ArchLinux的PKGBUILD，需要依照依赖关系按序构建、安装各软件包

arm-none-eabi-gcc

arm-none-eabi-binutils

arm-none-eabi-newlib

arm-none-eabi-gdb

所有文件安装于/home/username/local/toolchain-arm

依赖关系

arm-none-eabi-gcc
    arm-none-eabi-binutils(run)
    libisl(run)（注意gdb安装完以后回来处理一下）
        gmp(run)
    libmpc(run)
        mpfr(run)
            gmp(run)
    arm-none-eabi-newlib(make optional)
    gmp(make)
    mpfr(make)
arm-none-eabi-gdb
    expat
    guile
    libelf
    mpfr
    ncurses
    python
    xz
    readline
    texinfo
    boost

2.3.1 下载

文件	版本	说明

openocd	0.12.0	调试下载工具，使用`git`克隆后回退版本

可选文件	版本	说明
libopencm3		开源的ARM单片机库，支持ST，TI，NXP，Atmel等厂家的单片机

2.3.2 编译与安装

创建ARM工具链家目录，以及源码目录，将下载的软件包全部放到src

mkdir ~/local/toolchain-arm
cd ~/local/toolchain-arm
mkdir src

配置变量：

PREFIX=/home/username/local/toolchain-arm
export PREFIX
PATH=$PATH:$PREFIX/bin
export PATH

复制git-new-workdir到/usr/local/bin

chmod +x git-new-workdir
sudo cp git-new-workdir /usr/local/bin/

在abe仓库上一级目录创建构建目录，并配置abe，编译安装arm-none-eabi-gcc。configure时根据报错在包管理器补全软件依赖

mkdir _build
cd _build
../abe/configure
../abe/abe.sh --manifest ../arm-gnu-toolchain-arm-none-eabi-abe-manifest.txt --build all

2 8051单片机

2.1 工具链：sdcc

2.1.1 sdcc的目录结构与组成

Windows下SDCC的目录如下

Windows目录	Linux安装路径	FreeBSD安装路径	内容
bin	/usr/bin	/usr/local/bin	二进制文件，SDCC的各种工具，包括编译器，汇编器，链接器，调试器，模拟器，库文件工具，hex文件转换工具等
include	/usr/share/sdcc/include	/usr/local/share/sdcc/include	头文件
lib	/usr/share/sdcc/lib	/usr/local/share/sdcc/lib	库文件
non-free/include	/usr/share/sdcc/non-free/include	/usr/local/share/sdcc/non-free/include	非自由许可证头文件
non-free/lib	/usr/share/sdcc/non-free/lib	/usr/local/share/sdcc/non-free/lib	非自由许可证库文件

命令：

命令	作用
`sdcc`	主要的编译器，将根据不同的指令集生成不同的汇编代码
`sdcpp`	预处理器
`sdas8051 sdas390 sdasz80 sdasgb sdas6808 sdasstm8`	不同系统的汇编器
`sdld sdldz80 sdldgb sdld6808`	链接器
`sdcdb`	调试器
`s51 sz80 shc08 sstm8`	各系统的ucSim模拟器
`sdar sdranlib sdnm sdobjcopy`	用于库文件的操作
`packihx`	将.ihx文件转换为.hex文件用于烧录（实际使用中可以不转换，.ihx文件可以直接用于烧录），输出到标准输出
`makebin`	将.hex转换为二进制.bin文件，输出到标准输出

2.1.2 SDCC的工作流程简介

在最为简单的情况下，sdcc调用sdcpp进行预处理，之后编译为汇编代码，然后调用对应sdas和sdld编译出目标代码

包含的头文件，如果使用了-I参数进行指定，那么会优先到指定的目录下查找头文件，之后再到安装的include以及non-free/include下面找。而类似的对于库文件来说，如果使用-L参数指定，那么同样会优先到指定的目录下查找

2.1.3 SDCC编译方法

sdcc参数

命令行参数	作用
`--std-sdcc99`	c99标准，带sdcc扩展
`--std-sdcc11`	c11标准（默认选项），带sdcc扩展
`-mmcs51`	指定为8051指令集，默认选项
`-E`	仅预处理，处理结果输出到标准输出
`-S`	仅预处理和编译，生成`.asm`
`-c`	预处理、编译和汇编，但不链接，生成`.rel`，`.lst`，`.sym`
`-o`	指定输出文件名或输出到目录，目录名必须带`/`
`--debug`	如果需要使用`sdcdb`和模拟器调试，那么编译时在最后添加该选项
`-V`或`-v`	显示过程
`--opt-code-size`	优化程序大小
`--opt-code-speed`	优化程序速度
`-Wp option1,option2`	向`sdcpp`传参
`-Wa option1,option2`	向汇编器传参
`-Wl option1,option2`	向链接器传参

sdcpp预处理参数

命令行参数	作用
`-I`	添加头文件路径
`-Dmy_macro=xxx`	添加宏定义
`-Umy_macro`	去除宏定义
`-M`或`-MM`	从标准输出显示每个目标文件的文件依赖，`-M`显示全部
`-dM`	显示最终有用的宏
`-dD`	显示所有宏
`-dN`	显示所有宏，但是不显示宏内容

链接器参数

命令行参数	作用
`-L`	添加库文件路径
`--xram-loc 0x8000`	指定外部RAM起始位置为`0x8000`
`--code-loc`	指定代码区起始位置
`--stack-loc`	指定堆栈起始位置
`--xstack-loc`	指定外部堆栈起始位置
`--data-loc`	指定内部RAM数据区起始位置
`--idata-loc`	指定间接寻址RAM起始位置
`--bit-loc`	bit寻址起始位置
`-i`	单独使用`sdld`时，指定输出`.ihx`文件
`-y`	单独使用`sdld`时，指定输出`.cdb`文件

mcs8051专有参数

命令行参数	作用
`--model-small` `--model-medium` `--model-large` `--model--huge`	指定内存模型
`--xstack`	使用pseudo stack
`--iram-size`	链接器检测内部RAM是否在限制以内
`--xram-size`	链接器检测外部RAM是否在限制以内
`--code-size`	链接器检测代码大小是否在限制以内
`--stack-size`	链接器检测堆栈大小

sdcc -c main.c编译后生成各文件作用

后缀名	作用
`.asm`	`sdcc`通过预处理和编译生成的汇编源文件，如果使用的是`sdcc -S`，那么就只会生成这个文件
`.rel`	汇编器的输出，作为链接器的输入
`.lst`	汇编器生成的汇编列表文件
`.sym`	汇编器生成的符号列表

如果是sdcc main.c，相比不链接多出以下文件

后缀名	作用
`.ihx`	加载模块，Intel的hex格式文件
`.lk`	链接器命令行参数
`.map`	链接器的输出，加载模块的memory map
`.mem`	内存使用统计
`.rst`	链接器输出，添加了linkedit信息的汇编列表文件

--debug模式，相比普通模式会多出以下文件

后缀名	作用
`.cdb`	调试信息文件，在
`.adb`	包含调试信息，用于生成.cdb文件的中间文件，在编译阶段生成
`.omf`	absolute object module format，包含调试信息（AOMF51格式），用于第三方工具

最后输出文件的处理

命令	作用
`packihx`	将`.ihx`转换为标准`.hex`文件，输出到标准输出（实测可以不用转换，直接烧录`.ihx`文件）
`makebin`	生成`.bin`二进制文件，输出到标准输出

简单的多文件编译方法

假设有main.c，lib1.c，lib2.c三个文件的工程可以有如下两种编译方法

sdcc -c lib1.c
sdcc -c lib2.c
sdcc main.c lib1.rel lib2.rel

sdcc -c lib1.c
sdcc -c lib2.c
sdcc -c main.c
sdcc main.rel lib1.rel lib2.rel

2.1.4 使用库

sdcc同样支持.lib库的使用，生成.lib库时最好将不同的功能模块写到不同源文件。.lib文件的作用和一般PC平台GCC中使用到的.a库文件类似，GCC中.a包含了多个.o文件，而SDCC的.lib包含了多个.rel文件

用于SDCC库操作的命令全部来自sdbinutils，功能和常用GNU工具链中的相应命令基本相同

sdcc main.c mylib.lib -L libdir

可以使用sdar创建.lib库文件

sdar -rc mylib.lib module1.rel module2.rel module3.rel

sdbinutils包括sdar sdnm sdobjcopy sdranlib

sdar用法

sdar用于创建库以及管理库成员

sdar -options mylib.lib file1.rel file2.rel

命令行参数	作用
`p`	显示库内容
`t`	显示文件成员
`r[a\|b][f][u]`	替换或添加文件成员，其中`a`或`b`为成员名，分别代表某个成员之后和之前，`f`截断输入文件名，`u`仅更新改变的成员
`d`	删除文件成员
`m[a\|b]`	移动文件成员
`x[o]`	提取文件成员，`o`保留原始日期
`s`	相当于`ranlib`
`q[f]`	快速添加文件成员
`c`	通用参数，需要创建库时不提示
`T`	通用参数，创建thin archive
`v`	通用参数，显示过程

sdnm用法

sdnm用于列出一个目标文件里的符号

命令行参数	作用
`a`	过滤参数，显示调试标记
`D`	过滤参数，显示动态标记而不是普通标记
`--defined-only`	过滤参数，仅显示已定义
`u`	过滤参数，仅显示未定义
`--special-syms`	过滤参数，显示特殊标记
`--synthetic`	过滤参数，显示synthetic标记
`g`	过滤参数，仅显示外部标记
`l`	显示每个标记的文件名与行号
`n`	按地址排序
`S`	显示已定义符号所占空间

sdobjcopy用法

sdobjcopy用于将一种目标文件中的内容复制到另一种目标文件中，也可以用于将一种目标文件格式转换成为另一种目标文件格式

sdobjcopy支持的文件格式有asxxxx symbolsrec verilog tekhex binary ihex

sdobjcopy -options infile outfile

命令行参数	作用
`-I bfdname`	指定输入文件格式，可以是以上支持的文件格式的一种
`-O bfdname`	指定输出文件格式
`-F bfdname`	指定输入输出文件格式
`-p`	保留时间戳
`-B arch`	指定输出指令集架构
`-D`	产生的文件不可逆转，`-U`可逆转
`-j name`	仅拷贝名为`name`的section
`-R name`	在输出中去除`name`
`-S` `--strip-all`	除去所有`symbol`和重定位信息
`-g` `--strip-debug`	除去所有调试信息
`--strip-dwo`	除去所有DWO
`--strip-symbol sym`	不复制指定标记
`-K sym`	保留指定标记
`-G sym`	指定某个为全局标记，其他为局部标记
`-L sym`	指定某个为局部标记
`-W sym`	弱化标记
`--globalize-symbol=sym`	指定某个为全局标记
`-x`	不拷贝非全局
`-X`	不拷贝局部
`-i interleave`	每隔interleave字节拷贝1byte
`-b byte`	和`-i`一起使用，拷贝每个interleave中的第byte字节（0到i-1），一般用于srec的输出

sdranlib用法

ranlib用于更新库文件的符号索引，一般在追加新的成员之后，本质是sdar的另一种形式

命令行参数	作用
`-t`	更新时间戳

2.1.5 基于sdcdb的调试

sdcdb目前基本无法使用，建议使用VM8051

如果想要调试，就必须在编译时加上--debug选项，生成.cdb文件

假设调试sample.c，已经编译完成，sdcdb会自动启动相应模拟器

sdcdb -cpu 8051 sample

sdcdb命令行参数

命令行参数	作用
`--directory=`	指定查找目录，调试器会查找`.c` `.ihx` `.cdb`
`-cd`	到指定目录
`-cpu`	指定cpu类型
`-X`	指定晶振频率
`-s` `-S` `-k`	模拟器参数

sdcdb交互命令

大部分命令和gdb类似

命令	作用	使用方法
`break`	设置断点	`break [file:]{line
`clear`	清除断点	`clear [file:]{line
`continue`	断点后继续
`finish`	执行到当前函数末尾
`delete`	删除断点n，不指定断点则删除所有	`delete [n]`
`info`	最重要的命令，显示各种信息，后加`break`显示当前所有断点，`stack`显示函数调用堆栈，`frame`显示当前执行frame，`registers`显示所有寄存器内容	`info [break
`step`	单步调试
`next`	单步调试，经过子程序调用
`run`	启动调试程序
`ptype`	显示变量类型	`ptype var`
`print`	显示变量值	`print var`
`file`	加载文件	`file filename`
`frame`	显示当前`frame`信息
`set srcmode`	切换C源码或汇编源码调试模式
`!`	模拟器命令	`! cmd`
`quit`	退出调试

2.1.6 基于VM8051的调试

直接启动即可

vm8051 out.ihx

使用说明见VM8051Guide

2.2 STC的89C51系列开发（STC89C52RC）

2.2.1 扩展关键字

SDCC扩展的关键字如下，分为变量声明和寄存器声明两种，和Keil C51类似，区别是在前面都要加上__双下划线

变量声明关键字	作用
__bit	单bit变量，置于内部可位寻址区，一般放在0x20~0x2F，对于位地址0x00~0x7F
__data	将变量置于内部RAM的低128Byte地址空间中，可以直接或间接寻址，一般是放在0x30~0x7F。是small内存模式下默认的变量地址空间
__idata	将变量置于内部RAM中，间接寻址，一般是放在0x80~0xFF
__pdata	将变量置于外部RAM的低256Byte地址空间中，使用Ri间接寻址，地址从0x00到0xFF。是medium内存模式下默认的变量地址空间
__xdata	将变量置于外部RAM中，使用DPTR间接寻址，地址从0x0000到0xFFFF。是large内存模式下默认的变量地址空间
__code	将数据置于ROM中，使用DPTR间接寻址，地址从0x0000到0xFFFF

示例

__data unsigned char a = 0;
__xdata int b = 0;
__bit c = 0;

寄存器声明关键字	作用
__sfr	8bit长度特殊寄存器
__sfr16	16bit长度特殊寄存器
__sfr32	32bit长度特殊寄存器
__sbit	可位寻址寄存器地址

寄存器常量通过__at关键字进行规定，这和Keil C51不同，其实就是给一个地址处的寄存器规定一个符号，比如P0。一般寄存器常量已经在对应头文件中有声明，用户无需操作。16bit寄存器需要分别指定高位和低位地址（如果寄存器访问有严格顺序规定最好不要使用__sfr16声明，因为编译器优化有可能会导致乱序访问），示例如下

__sfr __at (0x80) P0;
__sbit __at (0x81) P0_1;
__sfr16 __at (0x8C8A) TMR0;

2.2.2 指针

和普通变量相同，指针也可以通过声明指定存放的位置，本质是间接寻址。指针可以不规定指向的数据类型，也可以使用指向函数的指针

示例

__xdata unsigned char* __data p1;
__data unsigned char* __xdata p2;
__xdata unsigned char* __code p3;
unsigned char* __xdata p4;
char (*__data fp)(void);

2.2.3 中断声明

SDCC中断号与其对应中断如下

中断的声明如下

void time_isr (void) __interrupt 0 __using 1
{
    // Interrupt service code
}

其中__interrupt关键词使得编译器在中断向量表中插入到这个函数的跳转指令（这里是中断0），__using关键词可以用于指定这个中断使用的工作寄存器组（0~3），这样在保存现场时不用压栈所有通用寄存器，只要压栈ACC、B等关键寄存器即可（也可以不指定，但是会额外增加压栈时间导致中断响应延迟增加，这在高频率中断中可能会产生问题）。这和ARMv7 Cortex-A系列的FIQ快速中断原理类似

中断注意事项

如果中断使用到了其他函数内使用到的变量，这些变量声明需要添加volatile关键字

volatile __data char i;

8位单片机访问一些16位或更长的变量时往往需要使用多于一条指令，这就是操作的非原子性，此时发生中断将会发生异常，建议关中断

中断调用要注意栈溢出

尽量不要在中断中或有中断发生的main中使用不可重入函数，这包括一些需要外部浮点函数库的数学运算。如果要使用，最好将这些不可重入函数使用--stack-auto参数重新编译，并且源代码需要使用--int-long-reent重新编译

2.2.4 常用技巧

由于8051的体系结构限制，所有IO寄存器（所有SFR）只能使用直接寻址方式，所以不能使用IO引脚号作为函数的参数（因为所有访问IO的指令，比如设置P0MOV 80H, #01H在编译时就已经定死无法更改），也不存在IO变量，这极大限制了8051代码的灵活性以及代码复用。而像Arduino这样基于AVR的单片机可以使用IO号作为函数的参数

这里提供一些变通的方法

使用宏定义

#define PIN_D0 P0_0
#define PIN_D1 P0_1

void init() {
    PIN_D0 = 1;
    PIN_D1 = 0;
}

因为编译器处理流程是预处理-编译-汇编-链接，所以如果是自己设计的函数库，头文件分别放在./inc以及./src下，宏定义也必须放在相应头文件中而不是main.c中（独立的宏定义可以通过在用户区添加一个共用头文件实现，但是需要修改Makefile，目前的Makefile较为简单还无法实现qwq，计划改进工程模板以及Makefile支持更加复杂的文件依赖，或者引入Makefile的自动依赖推导）

从软件工程的角度看，使用宏定义不是一种完美的代码复用方案，因为需要更改原来的代码再次编译，这也不利于库文件以及可重定位文件的应用，因而8051开发中库文件一般只用在不涉及IO的场合。但是使用宏定义执行效率最高，并且一般的廉价8051单片机资源极其有限，所以宏定义还是最适合的方案

定义IO函数

可以定义专门的函数用于SFR操作，但是会用到switch或if判断，降低效率

void io_func(unsigned char io, unsigned char s) {
    switch(io) {
        case 0:
            P0_0 = s;
            break;
        case 1:
            P0_1 = s;
            break;
        // ...
    }
}

使用函数指针

如果使用函数指针，需要定义额外的函数（可以额外定义一套.c和.h）用以不同的IO读写，消耗程序空间，并且函数调用也会额外增加开销，如果增加判断语句会进一步降低效率，综合来看效率不如以上方案，并且代码繁琐。这种方案一般很少采用

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MCU开发环境搭建与使用

目录

1 方案一：二进制安装

1.1 AVR

1.2 SDCC

1.3 ARM

2 方案二：从源码编译

2.1 AVR

2.1.1 下载

2.1.2 编译与安装

2.1.3 配置

2.1.4 添加MCU支持

2.2 SDCC

2.2.1 下载

2.2.2 编译与安装

2.2.3 配置

2.3 ARM

2.3.1 下载

2.3.2 编译与安装

2 8051单片机

2.1 工具链：sdcc

2.1.1 sdcc的目录结构与组成

2.1.2 SDCC的工作流程简介

2.1.3 SDCC编译方法

2.1.4 使用库

2.1.5 基于sdcdb的调试

2.1.6 基于VM8051的调试

2.2 STC的89C51系列开发（STC89C52RC）

2.2.1 扩展关键字

2.2.2 指针

2.2.3 中断声明

2.2.4 常用技巧

3 ARM单片机

3.1 工具链：arm-none-eabi-gcc

3.2 工具链使用：llvm

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MCU开发环境搭建与使用

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1 方案一：二进制安装

1.1 AVR

1.2 SDCC

1.3 ARM

2 方案二：从源码编译

2.1 AVR

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2.1.2 编译与安装

2.1.3 配置

2.1.4 添加MCU支持

2.2 SDCC

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2.2.2 编译与安装

2.2.3 配置

2.3 ARM

2.3.1 下载

2.3.2 编译与安装

2 8051单片机

2.1 工具链：sdcc

2.1.1 sdcc的目录结构与组成

2.1.2 SDCC的工作流程简介

2.1.3 SDCC编译方法

2.1.4 使用库

2.1.5 基于sdcdb的调试

2.1.6 基于VM8051的调试

2.2 STC的89C51系列开发（STC89C52RC）

2.2.1 扩展关键字

2.2.2 指针

2.2.3 中断声明

2.2.4 常用技巧

3 ARM单片机

3.1 工具链：arm-none-eabi-gcc

3.2 工具链使用：llvm