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NativeC.ino

このサンプルスケッチは以下について記述している；

  • 標準C言語ライブラリ及びスタートアップコードを含まない純粋C言語記述。

対象AVR

  • megaAVR世代
    • megaAVR-0系統
    • tinyAVR-0/1/2系統
  • modernAVR世代
    • AVR-Dx系統
    • AVR-Dx系統

前提

このスケッチは、以下のメニューオプションを選択した場合について説明している。

Build API -> Standard Library All Disable

これは通常のC/C++言語動作に必要な前提を取り除くので、 通常の記述に従ったスケッチコード等は全くコンパイルできなくなるだろう。 これを必要とするのはごく限られた状況だけだ。

  • 通常の割込ベクタテーブルを必要としない、あるいはその不要スペースをも削減したい最小コードの実現。
  • ブートローダーやそれに準じる特別なプログラム。

しかしながら Arduino IDE ではmakeコマンドによる自動化は支援されないため、大規模な記述は難しいだろう。

C++のうちクラス関係は規定のスタートアップ初期化がないため使用できない。ほぼC言語記述専用となる。

スケッチ.ino は使わない

Arduino IDE にプログラムを認識させるためには .ino ファイル（実体は.cpp）が必要だが、 これは使用しなくともよく中身は空としておけばよい。 代わりに任意の .c または .S ファイルの何処かに スタートアップコードを記述し、それを動作開始点として認識させなければならない。

スタートアップコード記述

動作開始点は一般にmain関数として書くが、 名称は必ずしもmainである必要はない。 単にプログラムコードの先頭にあるかどうかでその意味が決まる。 AVR-LIBC 環境でのこれはコードの配置位置が ".initN"セクションに属しているかどうかに依存する。

__attribute__((used,naked,section(".init9")))
int main (void) {

  /* STUB */

  for (;;);
}

セクション名には".init0"から".init9"があり、この順で配置される。 割込ベクタを配置する場合はそれを飛び越すように（アセンブラで）書かねばならない。 割込を全く使わないのであれば、このように直接プログラム関数から始めても良い。 そしてこの関数からreturnで抜け出すようなことがあってはならない。 故に記述の最後は必ず無限ループになるだろう。

普通は".init9"としてよい。割込ベクタも書く場合は併せて".init0"からアセンブラで記述する。
used修飾子がないとこのmain関数は 何処からも参照されていないが故に削除 されてしまうだろう。
またmainのみは特別にreturnがなくともint型としなければならない。他の名前の場合はvoid型とする。

ゼロレジスタ

スタートアップ記述の第一は、ゼロレジスタの初期化である。 これがなければ以後のCで書かれた演算記述の前提条件が崩れ、正常な動作が損なわれる。 この初期化コードはアセンブラで直接書かれなければならないため、この1行が必要だ。 ただしこれ以後に C言語に依存する記述がないのであれば、省略しても支障ない場合もある。

__asm__ __volatile__ ("CLR __zero_reg__");

__zero_reg__ マクロシンボルは普通 r1 レジスタに解釈される。

スタックポインタ

スタートアップ記述の第二は、スタックポインタの初期化である。 ただし（tinyAVR-0 系統以降の）modernAVR ではリセット時に自動でスタックポインタが SRAM領域の末尾を示すようにセットされるため、必ずしも必要な記述ではない。 あえて記述するなら次のようになる。当然アセンブラ記述である。

#include <avr/io.h>
__asm__ __volatile__ ( R"#ASM#(
  LDI     R16, lo8(%0)        ; SP初期化（下位）
  OUT     __SP_L__, R16       ;
  LDI     R16, hi8(%0)        ; SP初期化（上位）
  OUT     __SP_H__, R16       ;
)#ASM#" :: "n" (RAMEND));     // SP初期値定数 <avr/io.h>で定義

スタックポインタの初期化定数 RAMEND は <avr/io.h> を読むことで知ることができる。

RAMENDから敢えて減じて固定アドレスヒープ領域を確保することもできる。
このアイデアはmalloc代替の一種として使われる。 普通のC/C++でそれをする場合は".init3"に書くことが多い。

CPUクロック設定

CPUクロックの初期状態は F_CPU マクロ定数と一致しているとは限らない。 このマクロはdelayマクロなどが参照するため、それらを使うのであれば データシートを参照して正しい値に再定義するか、 あるいは初期化コードを書いて CPUクロックの方を合致させるようにする。 この初期化コードは、このSDKでは次のヘッダファイルと定義済関数を使えば簡単に書ける。

#include <variant.h>
_CLKCTRL_SETUP();

便利マクロ

SDKに付属の Macro API の一部は、この純粋C言語形態でも使用できる。

  • pinModeMacro digitalWriteMacro digitalReadMacro etc.
  • delay_millis delay_maicros etc.

delay系関数の使用は F_CPU の正しい事前定義、ひいてはCPUクロック設定作業が必須。

従って Lチカは次のように書き下せる。

#include <api/macro_digital.h> /* connotation <io/avr.h> <variant.h> */
#include <api/delay_busywait.h> /* using F_CPU */
__attribute__((used,naked,section(".init9")))
int main (void) {
  __asm__ __volatile__ ("CLR __zero_reg__");
  _CLKCTRL_SETUP();
  pinModeMacro(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  while (1) { /* true と false を使うには <stdbool.h> */
    digitalWriteMacro(LED_BUILTIN, TOGGLE);
    delay_millis(1000);
  }
}

AVR-LIBC付属ライブラリ中のいくつかは純粋C言語形態でも利用できる場合がある。

  • 機能する例：<avr/io.h> <util/atomic.h>（avrとutil以下の多くは使える可能性がある）
  • 機能しない例：<stdio.h> <stdlib.h> <avr/interrupt.h>（割込ベクタ配置は要アセンブラ補助）

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