TUTORIAL INCORPORANDO A BIBLIOTECA DO ARDUINO AO ECLIPSE

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1 TUTORIAL INCORPORANDO A BIBLIOTECA DO ARDUINO AO ECLIPSE Jefferson Z. Moro jefferson.moro@gmail.com Vinicius Franchini viniciusnf@gmail.com Campinas, maio de

2 Motivação O Arduino veio para simplificar a programação de microcontroladores. Além de não precisar de gravador devido ao bootloader, seu Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) permite o uso de C++, que amplia as possibilidades de projetos. Tal ambiente traz bibliotecas que facilitam o uso e encurtam o tempo gasto para iniciar um projeto. Contudo, esse ambiente é limitado em ferramentas. Quando o projeto toma grandes dimensões, o IDE do Arduino deixa de exercer seu propósito facilitador, apesar de suas bibliotecas ainda serem muito úteis. Dessa forma, busca-se o uso de IDEs mais completos, juntamente com essa poderosa biblioteca. A primeira opção que vem a cabeça é usar o IDE da Atmel, o AVR Studio. Todavia, esse ambiente de desenvolvimento não compila C++, pois as bibliotecas do Arduino não são suportadas. Outra ideia é fazer uso do Eclipse. O Eclipse é um IDE de código aberto (Open Source), feito em Java, que pode ser usado para o desenvolvimento de muitas linguagens. Ex.: PHP, Java, Python, HTML, C/C++, etc. Ele foi inicialmente desenvolvida pela IBM, e depois foi doado para uma comunidade software livre. Entre as vantagens ferramentais oferecidas pelo Eclipse está a de rodar em vários sistemas operacionais e a de facilitar a busca por funções e definições. Ele trata os arquivos adicionados ao projeto de forma integrada. Assim, basta mandar fazer uma procura e você encontrará o quer, independente de em qual arquivo o objeto esteja. Outra vantagem do programa é que seu desenvolvimento é todo baseado em plug-ins. Um deles é o AVR Eclipse plug-in. A ideia é essa: usar o IDE Eclipse como ambiente de desenvolvimento e criar uma biblioteca estática que armazene todas as funções incluídas no IDE do Arduino. Preparando o Software Primeiramente, façamos o download da última versão de cada programa necessário. Vide a Tabela 1. Programa Onde baixar? Observações Eclipse IDE C/C++ Escolha o sistema operacional Arduino IDE Escolha o sistema operacional WinAVR Somente para Windows AVR-GCC Vide sua distribuição Somente para Linux AVR Eclipse plug-in 2

3 Vamos por partes. Após baixar o Ecipse, você deve descompactá-lo. Não é necessário instalá-lo afinal ele é feito em Java, simplesmente execute a aplicação eclipse. Na caixa de diálogos, escolha o diretório onde o seu Workspace ficará, marque a opção de usar esse caminho como padrão e clique em OK. Veja a Figura 1. Figura 1 Na página de boas vindas que abrirá, escolha a opção Go to the workbench. Observe a Figura 2. Figura 2 3

4 Uma vez baixado o IDE do Arduino, apenas descompacte a pasta, pois só utilizaremos suas bibliotecas. O próximo passo será instalar o WinAVR (para Windows), ou AVR-GCC (para Linux). Em seguida, instale o AVR-Plugin. Para isso, como o Eclipse fechado, descompacte a pasta do AVR-Plugin, copie as pastas plugin e features para dentro da pasta do Eclipse (a mesma onde está o aplicativo). Aparecerá uma mensagem perguntando se você deseja mesclar as pastas. Marque que sim para todos os itens. Pronto, basta abrir o Eclipse e o plugin será carregado junto. Um botão do AVR plugin deve aparecer na barra de ferramentas. Veja a Figura 3. Figura 3 Pronto, o IDE Eclipse está pronto para trabalhar com o AVR. Gerando a Biblioteca 1. Abra o Eclipse e crie um novo projeto C++: New a. File New C++ Project b. Project Name: Arduino_Lib c. Project Type: AVR Cross Target Static Library d. Toolchains: AVR-GCC Toolchain e. Clique em Next f. Desmarque a opcão de debug. g. Clique em Next h. Selecione o MCU type e a frequência do seu Arduino. Ex.: MCU: Atmega328P, frequência: Hz. i. Clique em finish. 2. Clique em Project Properties. 3. Selecione C/C++ Build e expanda esta categoria. 4. Selecione Settings. 4

5 5. No painel da direita, clique em AVR Compiler: a. Debugging. Selecione No debugging info. b. Optimization. Selecione Size Optimizations. Figura 4 6. No painel da direita, clique em AVR C++ Compiler a. Debugging. Selecione No debugging info. b. Optimization. Selecione Size Optimizations. 7. Clique em Ok. 8. Clique com o botão direito do mouse no projeto Arduino_Lib Import General File System Next. 9. No diálogo File System, clique em Browse e selecione a pasta onde está a biblioteca do Arduino. No nosso caso estamos usando a versão 22:..Arduino hardware arduino cores arduino. 10. Selecione todos os arquivos exceto o main.cpp. Clique em Finish. 5

6 Figura Compile o projeto: Project Build Project. Pronto, você acaba de gerar uma biblioteca do Arduino para uso no Eclipse. Alguns warnings (cerca de 12) serão exibidos, mas não se preocupe, tratam-se de avisos de conversão de tipo e alteração de cabeçalho. O próximo passo é criar um projeto que utilize nossa biblioteca Arduino_Lib. Configurando um projeto 1. Abra o Eclipse e crie um novo projeto C++: a. File New C++ Project 6

7 b. Project Name: Exemplo c. Project Type: AVR Cross Target Application d. Toolchains: AVR-GCC Toolchain e. Clique em Next f. Marque as opções release e debug. g. Clique em Next h. Selecione o MCU type e a frequência do seu Arduino. Ex.: MCU: Atmega328P, frequência: Hz. i. Clique em finish. 2. Clique em Project Properties. 3. Selecione C/C++ Build e expanda a categoria 4. Selecione Settings. 5. Em Configurations, selecione All configurations. 6. Clique em Additional Tools in Toolchain a. Marque obrigatoriamente Generate HEX file for flash memory, para gerar o arquivo.hex b. Marque Print size, parar exibir no final da compilação, o tamanho do arquivo hex gerado c. Marque outros arquivos de saída desejados (opcional) Figura 6 7

8 7. Clique em AVR Compiler: a. Em Directories, adicione o caminho para a pasta do projeto Arduino_Lib, que será montado pelo Eclipse da seguinte forma: "${workspace_loc:/arduino_lib} 8. Clique em AVR C++ Compiler: a. Em Directories, adicione o caminho para a pasta do projeto Arduino_Lib, que será montado pelo Eclipse da seguinte forma: "${workspace_loc:/arduino_lib} 9. Clique AVR C/C++ Linker a. Usando C++, o arquivo.hex pode ficar grande. No menu linker, mude o command para avr-gcc b. Altere o command line pattern para: ${COMMAND} --cref -s -Os ${OUTPUT_FLAG}${OUTPUT_PREFIX}${OUTPUT} ${INPUTS} -lm ${FLAGS} 10. Ainda em AVR C/C++ Linker, clique em Libraries a. Selecione no painel da direita Libraries e adicione o nome de nossa biblioteca para Arduino (Arduino_Lib). b. Selecione agora Libraries Path e adicione o caminho para libarduino_lib.a, o qual está dentro da pasta Arduino_Lib/Release. Será montado pelo Eclipse da seguinte forma: "${workspace_loc:/arduino_lib/release}" c. Clique em Apply. Figura 7 8

9 11. No mesmo menu do passo 5 (Configurations), selecione Release. 12. Clique em AVR Compiler: a. Debugging. Selecione No debugging info b. Optimization. Selecione Size Optimizations (-Os). 13. No painel direito, clique em AVR C++ Compiler a. Debugging. Selecione No debugging info b. Optimization. Selecione Size Optimizations (-Os). 14. Clique em Ok. A parte de configurações termina aqui. Criando um arquivo main.c/cpp É hora de criar nosso arquivo principal (main.c ou main.cpp). O compilador Avr-gcc compila tanto arquivos.c, quanto.cpp. Como projetos em C++ podem incorporar arquivos em C, optamos por utilizar C Clique com o botão direito do mouse na pasta do projeto Exemplo New Source File. 2. Em source file, coloque o nome main.cpp. 3. Clique em Finish. 4. Abra o arquivo main.cpp e copie o código de exemplo abaixo: #include "WProgram.h" /* Escolhe pino do LED do Arduino */ const int PINO_LED = 13; /* Configura PINO_LED como sendo de saída */ void configpinagem () { pinmode(pino_led, OUTPUT); } int main(void) { init(); // inicializa a biblioteca do Arduino configpinagem(); // for (;;) { digitalwrite(pino_led, HIGH); delay(200); digitalwrite(pino_led, LOW); delay(1000); } } 5. Como estamos utilizando C++, é necessário colocar o seguinte trecho de código abaixo: extern "C" void cxa_pure_virtual() 9

10 { } cli(); for (;;); Isto é necessário apenas em C++ pois, quando uma função puramente virtual é criada, é necessário um manipulador para erros para quando tal função é chamada. Quando existem funções virtuais em uma aplicação, é necessário que o programador forneça seu próprio manipulador de erros cxa_pure_virtual(). É isso que feito! 6. Para compilar o código, basta clicar na setinha ao lado do martelo, na barra de ferramentas superior no Eclipse, e selecionar Release. O código deve compilar sem erros. Figura 8 Utilizando o modo de depuração Uma das diferenças mais significativas entre o modo de depuração (Debug) e o modo de lançamento (Release) é que, em debug a informação de depuração simbólica é emitida para ajudar na busca de erros na aplicação, enquanto a otimização do código não é levada em conta. 10

11 Por outro lado, em uma Release, a informação de depuração simbólica não é emitida, mas há uma otimização do código. Consequentemente, por esses dois motivos, o tamanho do arquivo gerado é menor que no modo Debug. Entretanto, erros curiosos podem aparecer quando se utiliza o modo Release, pois otimizações do compilador ou diferenças na inicialização de variáveis podem levar a execuções não esperadas do código. Como exemplo, basta citar que quando uma variável global é criada e seu valor é alterado somente na rotina de interrupção e a otimização está ativada, a variável pode ser compilada como constante pelo AVR-GCC. Sendo assim, sua declaração deve ser precedida de volatile para que ela não sofra otimização e isso não ocorra. Para configurar o modo de depuração, faça o seguinte: 1. Siga todos os passos da parte 3-Configurando um projeto, até (inclusive) o passo No mesmo menu do passo 5 (Configurations), selecione Debug. 3. Clique em AVR Compiler: a. Debugging. Selecione Standard debugging info (-g2) b. Optimization. Selecione No Optimizations (-O0). 4. Clique em AVR C++ Compiler a. Debugging. Selecione Standard debugging info (-g2) b. Optimization. Selecione No Optimizations (-O0). 5. Clique em Ok. A parte de configurações para depuração termina aqui. Agora você poderá escolher entre dois modos de compilação: Debug e Release. Para isso, basta selecionar o modo na seta ao lado do martelo na barra de ferramentas do Eclipse. Como demonstração que modo release pode gerar códigos mais otimizados, tomemos como exemplo o projeto que acabamos de criar nesse tutorial. Se o projeto for compilado no modo release, as informações exibidas no console serão: AVR Memory Usage Device: atmega328p Program: 1132 bytes (3.5% Full) (.text +.data +.bootloader) Data: 9 bytes (0.4% Full) (.data +.bss +.noinit) Por outro lado, no modo debug, ter-se-á: AVR Memory Usage

12 Device: atmega328p Program: 1160 bytes (3.5% Full) (.text +.data +.bootloader) Data: 9 bytes (0.4% Full) (.data +.bss +.noinit) Veja que até mesmo para um pequeno projeto, existe uma diferença de 28 bytes entre os arquivos gerados pelos dois modos! Otimizando o projeto É possível otimizar ainda mais nosso projeto. Para tanto algumas configurações extras devem ser adicionadas. Faça as configurações abaixo para Arduino_Lib : 1. Clique em Project Propriets C/C++ Build Settings 2. Em Configuration escolha Release 3. Clique em AVR Compiler: a. Optimization Other Optimization flags. Escreva a seguinte linha de comando: -ffunction-sections -fdata-sections 4. Clique em AVR C++ Compiler: a. Optimization Other Optimization flags. Escreva a seguinte linha de comando: -ffunction-sections -fdata-sections 5. Clique em Ok. Compile o projeto Arduino_Lib. Repita os 5 passos acima para o projeto Exemplo. Em seguida, faça também as seguintes alterações em Exemplo : 1. Clique em Project Propriets C/C++ Build Settings 2. Em Configuration escolha Release 3. Clique em AVR C++ Linker General: a. Other Arguments. Escreva a seguinte linha de comando: -Wl,--gc-sections 4. Clique em Ok e compile o projeto no modo Release. Uuuaaal!! Como pode-se observar abaixo, no modo release otimizado, um ganho de 176 bytes é conseguido em relação ao modo debug e um ganho de 148 bytes em relação ao modo release. AVR Memory Usage Device: atmega328p Program: 984 bytes (3.0% Full) (.text +.data +.bootloader) 12

13 Data: 9 bytes (0.4% Full) (.data +.bss +.noinit) Outra observação relevante é que, usando o IDE do Arduino e compilando o mesmo exemplo ( Exemplo ), obteve-se o seguinte resultado: Binary sketch size: 1024 bytes (of a byte maximum) Ou seja, o projeto no Eclipse teve um ganho de 40 bytes. Referências