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。

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

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。

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

1. GCC Compilers for AVR
2. buserror/simavr
3. GDB常用命令
4. GDB User Manual