Arduino在Windows的Cygwin命令列模式下進行編譯與上傳

我的電腦是Windows XP加上Cygwin。
我的Arduino板子是Uno（Rev 3），軟體開發環境為1.0版。

用了Arduino的軟體開發環境一陣子後，就會覺得好慢，每次執行Sketch-Verify/Compile（按鈕是個勾勾）或File-Upload（按鈕是個朝右的箭頭），都要花上一段時間。可以到File-Preferences，勾選Show verbose output during: compilation與upload，就可以清楚地看到它到底執行了哪些動作。

除了要編譯我們寫的程式碼外，它還需要編譯位於hardware\arduino\cores\arduino底下的Arduino核心程式，但是，讓我覺得納悶的是，為什麼每次都還要重新編譯那些核心呢，之前不是已經編譯過了嗎？我並沒有去更動那些東西啊？而且，如果我修改程式後先Sketch-Verify/Compile看看能不能通過編譯，通過後，再File-Upload，它居然又從頭開始執行那些已經執行過的編譯動作，真是夠了。


總之，Arduino的軟體開發環境，實在有點遜遜的，底下要介紹，怎麼在Cygwin命令列下，以make工具與Makefile檔進行編譯與上傳。

首先，還是要安裝Arduino的軟體開發環境，我們只是不用那套視覺化開發環境，改而使用命令列模式（終端機），但仍然需要裡頭各種工具與核心程式碼。

然後，要安裝Cygwin，到這裡下載Cygwin的setup.exe，安裝步驟如下：

執行setup.exe，我們將從網路下載、安裝，所以選第一個Install from Internet。


指定安裝目錄，預設為C:\cygwin，如果沒有特殊需求，就不要更動。


除了安裝，下載回來的東西也會另外存一份。請指定某路徑。


選取網路連線設定，請根據你上網的方式進行設定。


然後，選擇要從哪台伺服器下載，基本上都是國外的，速度慢，可以自行輸入"ftp://ftp.ntu.edu.tw/cygwin/"，使用台灣的。


然後選擇要安裝哪些軟體，預設並不會安裝make，所以我們要自己手動勾選。


在Search欄位輸入"make"，在Devel分類下，勾選make: The GNU version of the 'make' utility。應該要顯示3.82.90-1或類似的版本編號。


然後就是下載並安裝了，setup.exe可能會提示你，有些具有相依性的套件也要安裝，請選同意安裝。

我因為還灌了很多其他有的沒的，所以安裝後的C:\cygwin目錄共約700 MB。

不過，新版的make不知道為什麼，不能正確處理我底下要介紹的Makefile，所以，要把make改回3.80版。開啟cygwin終端機後，以底下步驟，改為3.80版。

cd /usr/bin

mv make.exe make_382.exe

wget http://geant4.cern.ch/support/extras/cygwin/make.exe

chmod +x make.exe

然後，因為make 3.80版需要某程式庫，所以請再執行一次setup.exe，加裝"libintl2"這個程式庫。


檢查一下，在cygwin終端機上執行make --version，應該要出現3.80字樣。

我已經提供一份範例，可到這裡下載，按下ZIP按鈕可打包下載。接下來我將使用這個範例作說明。


在BlinkMakefile目錄裡，總共有6支檔案BlinkMakefile.cpp、foo.c、foo.h、bar.cpp、bar.h、Makefile。（其他目錄是我的Arduino練習。）

BlinkMakefile.cpp，裡頭的程式就是讓腳位13的LED閃爍，不同的是，我們需要在檔案開頭加上#include <arduino.h>，這是因為，以前，arduino軟體開發環境會幫我們做這件事情，現在要自己來。

為了當示範，所以我還加了一支C程式檔foo.c與它的標頭檔foo.h，裡頭很簡單就是一個叫做delayDuration的函式，固定回傳1000，在BlinkMakefile.cpp裡，會把這個值當做點亮LED的時距。

還加了一支C++程式檔bar.cpp與它的標頭檔bar.h，裡頭就是個ClassBar類別定義，以成員函式getDelayDuration回傳一個值，但這個值每次呼叫會加100，第一次回傳100、第二次回傳200、等等，在BlinkMakefile.cpp裡，會把這個值當做熄滅LED的時距，所以熄滅時間會越來越長。

然後就是主角Makefile了，恕我無法詳細講解其語法了，底下說明你應該修改的地方：

原本Arduino軟體開發環境，程式檔使用.pde或.ino副檔名， 現在請全部改成.cpp。

PROJECT = BlinkMakefile
這是最後產出檔案（.elf、.hex、.eep）的檔名，可以改成任何你想要的名稱。

ifndef PROJ_SOURCE
PROJ_SOURCE := $(wildcard *.c) $(wildcard *.cpp)
endif
上面會找出你專案的原始程式碼（.c與.cpp），請把這些檔案放在跟Makefile同一個目錄裡即可。請不要使用子目錄。

MCU = atmega328p
板子上的微控制器是哪顆，填寫正確編譯器才知道要產出何種機械碼。我的板子是Arduino Uno Rev 3，所以填atmega328p。不僅編譯器需要這個參數，上傳時也需要。

F_CPU = 16000000L
微控制器的時脈。為了相容性，不管什麼板子，好像都是一樣的，所以應該不用改。

ARDUINO_VERSION = 100
Arduino軟體開發環境的版本編號，這會傳入編譯器，就可以在程式碼裡使用這個值。

FORMAT = ihex
輸出格式，應該不用改。

PORT = \\.\COM3
序列埠連接埠號，這就是軟體開發環境Tools-Serial Port的設定。你可能覺得奇怪\\.\是幹嘛的，這跟上傳工具的參數指定、Windows路徑、等等有的沒的有關係，總之這樣寫就不會遇到奇怪的問題。

UPLOAD_RATE = 115200
序列埠連接埠號的傳輸速率，一般都是設9600，但我的板子可以用115200。上傳時需要這個參數。

INSTALL_PATH = D:/Arduino/arduino-1.0
這個路徑要指向Arduino軟體開發環境的最上層目錄。也就是有arduino.exe執行檔、examples目錄、libraries目錄、等等的目錄。請依照你的安裝路徑修改。

CORE = $(INSTALL_PATH)/hardware/arduino/cores/arduino
這個路徑要指向Arduino的核心程式碼檔案的目錄，也就是有Arduino.h、wiring_analog.c、wiring_shift.c等等檔案的目錄。INSTALL_PATH設好後，這個應該就對了。

BUILTINLIB = $(INSTALL_PATH)/libraries
內建程式庫的路徑，裡頭應該含有EEPROM、Ethernet、LiquidCrystal、等目錄。INSTALL_PATH設好後，這個應該就對了。

SKETCHBOOK = D:/Arduino/sketchbook
自己寫的程式碼的路徑。

THIRDPARTYLIB = $(SKETCHBOOK)/libraries
第三方程式庫的路徑，也就是你自己額外安裝的程式庫。SKETCHBOOK設好後，這個應該就對了。

AVRDUDE_PROGRAMMER = arduino
設定要用什麼燒錄器上傳程式，arduino代表要使用微控制器裡的bootloader進行上傳。根據板子不同，可能要改成stk500、stk500v1、或stk500v2。可用參數請參考avrdude這隻工具程式的參數說明，avrdude是負責上傳（燒錄）程式的工具。

若要使用Arduino內建的程式庫，請修改Makefile裡的
BUILTINLIB_ENABLED =
在後面加入程式庫的名稱，例如
BUILTINLIB_ENABLED = EEPROM Ethernet Firmata LiquidCrystal
（需要設定BUILTINLIB指向內建程式庫的目錄）

若要使用額外安裝的程式庫，請修改Makefile裡的
THIRDPARTYLIB_ENABLED =
在後面加入程式庫的名稱，例如
THIRDPARTYLIB_ENABLED = BOUNCE
（當然，你要先下載程式庫、解壓縮、放進THIRDPARTYLIB指向的目錄。）

至於其他的，就屬於make的東西了，有興趣的話請自己看看囉。

接下來，開啟cygwin終端機，切換到BlinkMakefile目錄後，以底下指令進行編譯與上傳：

首先執行

make depend

根據上面設定的檔案與路徑，這會找出.c、.cpp、.h等檔案的相依關係，並附加在Makefile的後面。

make

這會開始編譯、連結，成功的話，最後會出現BlinkMakefile.elf、BlinkMakefile.eep.hex、BlinkMakefile.eep。（以及其他.o檔。）

若再執行一次make，會出現make: Nothing to be done for `all'.，太好啦。

make upload

這會開始上傳，將程式燒錄到板子裡。

make clean

這會把make產生的檔案通通刪除。我這支Makefile，會把中間目的檔.o、以及其他檔案，直接產生在原始程式檔的目錄裡。

這是我執行make的畫面。




這是我執行make upload的畫面。




 完成啦。

不過，有個小問題，原本的Tools-Serial Monitor序列埠監看視窗呢？沒關係，我們可以用Windows裡的超級終端機或是Tera Term取代。

先介紹超級終端機（開始-程式集-附屬應用程式-通訊-超級終端機），開啟後：

嗯，大家上ptt應該都用別的程式吧，這裡請勾選"請不要再詢問我這個問題"，然後按"否"。


填入一個名稱，隨便選個圖案。


若要求你輸入區碼，隨便輸入一個數字。
設定連接Arduino的序列埠號。


底下是序列埠的傳輸設定。
每秒傳輸位元，我使用115200，如果不行，請試試看一般的9600設定值。
資料位元，8。
同位檢查，無（N ）。
停止位元，1。
流量控制，無。


連線成功後，就可以看到BlinkMakefile傳過來的LED明滅時距，每次點亮固定為1秒，第一次滅掉為0.1秒，每次延長0.1秒，所以熄滅時間會越來越長。


以上步驟成功後，在「開始-程式集-附屬應用程式-通訊」裡會多出一個超級終端機目錄，裡面有將以上設定儲存起來後的捷徑。

成功啦。

不過Windows附的超級終端機HyperTerminal，年久失修，Windows Vista、Windows 7裡頭已經沒有它的身影了。還好，可以用Tera Term。

到Tera Term網站下載，我下載的是teraterm-4.72.zip，只要解壓縮後就可使用，不用安裝。

執行ttermpro.exe，選Serial，選你Arduino板的序列埠號。我的是COM3。


畫面看起來怪怪的，因為還沒設定好序列埠的傳輸參數。選Setup-Serial port...進行設定。請根據你的情況設定，跟我不一樣的地方應該會是Port與Baud rate，其他應該都一樣。


成功啦。


然後，選Setup-Save setup...把設定儲存起來，下次執行ttermpro.exe就會直接連接。

還有其他可用的軟體，譬如PuTTY、Roger Meier's CoolTerm。


後記：
我因為裝了免費版的avast!防毒軟體，每次執行make、avr-g++、avr-gcc時，都會進行防毒掃描，變得很慢，所以我到avast!的設定裡，將這些執行檔排除在掃描外。（關閉前超過一分鐘，關閉後5秒。）


參考資料：

• Arduino官方網站的文件，Arduino Build Process。
• Arduino Playground（維基），Arduino from the Command Line，Windows command line build。
• Johannes Hoff: Arduino on the command line。
• Martin's Atelier: Arduino from the command line。
• Wikiid: Command line Arduino。
• AVRDUDE - AVR Downloader/UploaDEr，avrdude的參數。
• avr-gcc、avr-g++、avr-ar、avr-objdump、avr-objcopy、avr-size。 
• Dependency Generation with Subdirectories using gcc。
• GNU make, how to determine a path is a file or a directory?。
• GNU Make Manual。