程序传入单片机的过程，以Avrdude为例分析

news2024/11/29 3:55:54

在市场上有各式各样的单片机，例如Arduino，51单片机，STM等。通常，我们都用其对应的IDE软件进行单片机的编程。这些软件既负责将程序代码转写成二进制代码，即机器语言，也负责将该二进制代码导入单片机。与此同时，有一个开源软件，叫做Avrdude，可以将二进制代码程序写入各个品牌的单片机中。该项目在Github上，支持Windows、MacOS、以及以Linux为内核的系统[1]。这是由于许多单片机的公司的产品是开源的，也就是说将二进制程序代码写入单片机的报文是公开的，所以有这样的电子工程师将这些写入的报文做成程序供大家使用。

本文通过分析Avrdude的源代码，大致了解一下二进制程序代码写入单片机的过程，即报文格式，帮助读者进一步了解单片机的工作原理。通过了解这些内容，有助于开发第三方软件进行单片机的编程。开发第三方软件的意义有，例如，有的人认为现有的单片机IDE程序太复杂，想设计一个简单的，易用的版本，只包含基本功能即可；另外，也可以将单片机的IDE程序移植到其它的平台，如鸿蒙，安卓，甚至一些小众的操作系统和平台上。

一、Avrdude的基本操作

Avrdude可以作为Linux的控制台程序，其运行的命令形式大致为[1]：

avrdude -c <programmer> -p <part> -U flash:w:<file>:i

如：

avrdude -c arduino -P COM1 -b 115200 -p atmega328p -D -U flash:w:objs/blink.hex:i

详细说明见[2]。简单地说，-c 后面跟单片机的类型，-P后面跟传输的串口号，-b后面跟波特率，-p后面跟具体的型号，-U后面跟需要写入的单片机内存、是写还是读、二进制代码文件、格式。

从该句的大意可以看出，把程序写入单片机的过程，本质上说是把二进制程序代码写入单片机的某个内存中。这个内存通常是flash或eeprom。关于flash和eeprom的区别，见[3]。

二、源程序的分析

注：该源代码包里包含多个文件，经常出现一个函数或常量的定义在另一个文件中的现象。所以为了分析方便，强烈建议用支持在文件夹里从多个文件中搜索关键词的功能，且支持多视图的软件。例如NotePad++[5] [6]。若要用iPad阅读代码，推荐Code App[7]。注意要在设置里打开以下选项，启用多视图功能。

一个用C语言写的程序，运行时，通常从main函数开始。而通过命令行运行程序时，输入的程序名以及参数，会被传递到main函数的参数中。具体的说明，见[4]。

所以，在这里，main函数在src目录下的main.c中

当通过命令行运行avrdude时，"avrdude"，"-c"，"arduino"等字符串都会传递到argv中。

这里观察一下main函数中处理这些参数的方式。

这里，重点研究-U后面的参数，即写入的单片机内存和二进制代码文件。从程序中可看出，这些参数都被赋给了upd指向的对象的属性中。

通过阅读代码，可知写入芯片的过程是由do_op函数进行的。经搜索，这个函数的定义在update.c中。

这里，upd->op应该是DEVICE_WRITE，即把文件里的内容写入单片机的内存。

这里涉及到两个重要步骤：第一个，是把文件的二进制代码提取到程序中，由函数update_all_from_file进行；第二个，是把二进制代码写入单片机的内存中，由函数update_avr_write进行。

下面分析这两个函数：

1. update_all_from_file

最终，在fileio_rbin中，mem被更新了。

这里，mem->buf被填充了文件里读出的二进制代码。因此，mem就携带了要上传给单片机的程序。

2. update_avr_write

avr_write_mem用于将报文传入单片机。

观察avr_write_byte函数

该函数用于将字节写入单片机的指定内存，即地址。其具体实现方式，不同的单片机会有不同，这里以其中一款为例。

这里，cmd[0]代表地址，cmd[1]代表输入的字节。

serial_send函数，即通过串口把内容从电脑上传至单片机的函数，实现方式和操作系统有关。目前，windows系统和POSIX即Unix内核的系统的串口实现方式在该代码包中已实现。HarmonyOS NEXT系统将使用鸿蒙自己的内核[7]，可能和windows及Unix均不同，所以如要把该程序移植到鸿蒙星河版上，这一部分的实现可能需要重新编写。