Mikrocontroller: Programmier-Umgebung PlatformIO installieren

Inhaltsverzeichnis

Die beliebte Arduino-IDE (Integrated Development Environment) gelangt nicht nur bei den neuesten Arduino- und ESP-Boards an ihre Grenzen: Zahlreiche andere moderne Controller-Boards, wie sie beispielsweise in 3D-Druckern sitzen, überfordern inzwischen die stets etwas stiefmütterlich gepflegte und so unkomfortabel gewordene Programmierumgebung (da kann auch die inzwischen endlich veröffentlichte Version 2.0 das Ruder nicht komplett herumreißen). Grund genug, zum moderneren PlatformIO zu wechseln.

Im folgenden erfahren Sie, wie Sie die neue Entwicklungsumgebung inklusive wichtiger Erweiterungen installieren und bedienen.

Was macht eine Programmier-Umgebung aus?

Programme in C++, Python oder anderen Programmiersprachen kann man selbst mit einfachen Texteditoren wie Notepad schreiben. Doch das genügt nicht, um daraus eine fehlerfreie Firmware für einen Mikrocontroller zu machen. So sollten beispielsweise Befehlsworte der jeweiligen Programmiersprache (meist farblich) hervorgehoben werden, damit man etwa Tippfehler leichter erkennt. Automatische Einrückungen einzlner Zeilen oder ganzer Absätze, die in Python beispielsweise sehr wichtig sind, findet man in einfachen Editoren ebenfalls nicht.

Grundlage der hier besprochenen IDE ist Visual Studio Code (VS Code), eine kostenlose Opensource-Software von Microsoft. (Bitte nicht verwechseln mit Visual Studio, ebenfalls von Microsoft, aber nicht Open Source und vor allem als Entwicklungsumgebung für Windows- und Smartphone-Apps gedacht.)

Allein ist VS Code aber im Grunde nur ein Programmtext-Editor und ansonsten erst mal nutzlos. Schließlich muss aus dem Programmtext (dem Sourcecode) ja auch noch eine auf dem jeweiligen Board lauffähige Firmware produziert werden. Dazu müssen etwa Software-Bibliotheken mit eingebunden werden, die auf spezifische Bestandteile des jeweiligen Boards zugeschnitten sind. Erst damit ist dann die Ansteuerung von einzelnen Anschlusspins, Peripherie-Bausteinen oder Netzwerk-Chips möglich. Die Programmierumgebung sollte diese Bibliotheken bereitstellen, idealerweise automatisch zum jeweiligen Board passend. Die Arduino-IDE liefert bereits einige mit, die aber auf Arduinos zugeschnitten sind, denn nur diese Boards kennt die IDE von Haus aus. Selbst die Unterstützung für ESP-Boards muss von Hand eingerichtet werden. Und zahlreiche Bibliotheken für diese Boards muss man dann auch noch händisch installieren oder gar erst im Internet suchen.

Schließlich muss dann der Programmtext inklusive der aus den Bibliotheken übernommenen Bestandteile in eine funktionsfähige Firmware für den Mikrocontroller übersetzt werden. Dies übernimmt ein Compiler. Programmier-Umgebungen enthalten immer mindestens einen davon, oft aber auch für jede benutzbare Programmiersprache je einen eigenen.

Den Compiler könnte man ohne weiteres händisch per Befehlszeile steuern. Das ist aber angesichts einer nahezu unüberblickbaren Anzahl von Einstellungsparametern recht mühsam und fehlerträchtig. Das sollte daher von der IDE übernommen werden. In dieser Anleitung übernimmt PlatformIO die Steuerung all dieser Aufgaben. Mit dieser Erweiterung wird VS Code erst zur PlatformIO-IDE.

Und noch eine Erweiterung werden wir in dieser Anleitung installieren: git. Das ist eine Software zur Versionsverwaltung von Dateien. Sie wird sich später nicht nur um die Versionen Ihres Software-Projekts kümmern, sondern vor allem um die Versionen der benutzten Software-Bibliotheken.

Falls Sie Erfahrungen mit der Arduino-IDE haben, kennen Sie sicher den Effekt, dass trotz Installation aller benötigten Bibliotheken der Kompiliervorgang mit etlichen Fehlermeldungen über fehlende Funktionen oder falsche Parameter abbricht. In den allermeisten Fällen liegt dies nicht an Ihrem Programmtext, sondern an Bibliotheks-Versionen, die im Funktionsumfang voneinander abweichen. Ihr Programm lässt sich dann nur mit einer bestimmten Versionsnummer der Bibliothek übersetzen.

In PlatformIO kann git sich um die Beschaffung der richtigen Bestandteile kümmern. Dies funktioniert in der Regel tadellos. Probleme gibt es dabei höchstens, wenn man ein Programm-Projekt von einem anderen Autor importiert, der zum Beispiel als Pfad zu einer Bibliothek einen Ordner seiner Festplatte benannt hat. Die kann dann natürlich auf einem anderen PC nicht gefunden werden.

Bei der folgenden Anleitung kann es übrigens zu Abweichungen gegenüber Ihrem Computer kommen. Grund dafür ist insbesondere, dass ein eventuell schon einmal auf dem Computer installiertes, aber wieder deinstalliertes VS Code Spuren hinterlässt, die das Verhalten und insbesondere das Aussehen der Programm-Oberfläche bei einer erneuten VS-Code-Installation beeinflussen. Diese Spuren sind meist in versteckten Ordnern gespeichert. Im Notfall hilft da eine Internet-Suche mit dem Stichwort VSCode vollständig beseitigen.

Installation von VisualStudio Code

Wie gesagt, ist VS Code die Grundlage der PlatformIO-IDE. Daher wird es auch als erstes installiert. Auf der Download-Seite stehen neben der Windows- auch Linux- und macOS-Versionen bereit. Im Folgenden verwenden wir die Windows-Ausgabe. Die Installation ist bei den anderen Betriebssystemen recht ähnlich.

Nach dem Start des Installationsprogramms müssen Sie zunächst der Lizenzvereinbarung zustimmen.

Drei Klicks auf Weiter später (dabei zeigt Ihnen eines der Fenster den Pfad zum künftigen Projekt.Verzeichnis an, bitte merken!) sollten Sie Code als Editor für unterstützte Dateitypen registrieren und zum PATH hinzufügen.

Nochmals auf Weiter und dann auf Installieren klicken, und der Installationsvorgang beginnt. Kurze Zeit später erscheint die Abschlussmeldung, die mit einem Klick auf Fertigstellen wieder verschwindet.

Daraufhin startet Visual Studio Code zum ersten Mal.

Installation des deutschen Sprachpakets

Falls auf dem Computer eine rein deutsche Version des Betriebssystems installiert ist, steht im VS-Code-Fenster nun die Frage, ob das deutsche Sprachpaket installiert werden soll.

Dann genügt ein Klick auf Installieren und neu starten.

Bei mehrsprachigen Betriebssystemversionen funktioniert die Spracherkennung nicht immer. In diesem Fall müssen Sie nach einem Klick auf das Extension-Symbol (das ist das unterste in der Symbolleiste) ins Suchfeld german eingeben.

Ein Klick auf Install beim deutschen Sprachpaket startet den Download und die Installation. In der abschließenden Meldung genügt ein Klick auf Change Language and Restart, um VS Code neu in deutscher Sprache zu starten.

Versionsverwaltung git installieren

Größere Programmprojekte werden Sie in der Regel immer wieder weiterentwickeln. So entstehen schnell unterschiedliche Versionen. Damit Sie nicht durcheinanderkommen, gibt es ein praktisches Hilfsmittel in Visual Studio Code: git. Diese Erweiterung ermöglicht es, Übersicht zu behalten. Auch wenn Sie es vielleicht am Anfang bei kleinen Programmen nicht gleich einsetzen, sollten Sie es hier bereits installieren. In einer späteren Online-Anleitung zeigen wir Ihnen dann an einem konkreten Beispiel, wie Sie git einsetzen. Wer nicht so lange warten möchte, findet hier eine deutschsprachige Anleitung.

Die git-Installation ist rasch erledigt: In der Menüzeile klicken Sie auf Anzeigen und Quellcode verwaltung! (das ist dort in der aktuellen Version wirklich so geschrieben).

Dann folgt eine Sicherheitsabfrage, da der Download von einer externen Internet-Seite aus erfolgt.

Nach dem Öffnen-Klick landen Sie auf der Internet-Seite von git. Laden Sie die für Ihr Betriebssystem geeignete git-Version herunter und installieren Sie die Software wie üblich. Sie müssen also in den recht zahlreichen folgenden Fenster immer nur auf Next und schließlich auf Finish klicken. Das war es auch schon.

Erweiterung mit PlatformIO

Jetzt kommen wir endlich zur eigentlichen Programmierumgebung PlatformIO. Auch die wird als Erweiterung in VS Code angeboten. Also klicken Sie wieder auf das Erweiterungssymbol und geben platformio ins Suchfeld ein. Sobald die PlatformIO IDE gefunden wird, klicken Sie dort auf Installieren.

Der Download kann ein paar Minuten dauern, je nach Geschwindigkeit der Internetverbindung.

Schließlich erscheinen zwei kleine Meldungsfenster, die Sie zum Neustart von VS Code auffordern.

Nach dem Neustart wird Ihnen ein neues Symbol unter dem Erweiterungssymbol auffallen. Dieses an eine extraterrestrische Ameise erinnernde Zeichen ist der Zugang zu PlatformIO.

Viel wichtiger ist aber ein anderes neues Symbol, das ganz unscheinbar am unteren linken Fensterrand dazugekommen ist: das Häuschen.

Damit erreichen Sie die Startseite der Programmierumgebung. Wie Sie Ihr erstes kleines Projekt damit anlegen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Erstes Projekt in PlatformIO

Für ein neues Projekt klicken Sie im Startbereich von PlatformIO auf New Project. Danach geben Sie Ihrem Projekt einen Namen und wählen das verwendete Board aus. PlatformIO kennt aktuell (Januar 2023) etwa 1500 Boards. Wählen Sie das passende einfach aus der Liste aus. Beim Framework belassen Sie es zunächst bei Arduino. Einige Boards benötigen andere Frameworks. Falls das mal bei einem Make-Projekt der Fall sein wird, werden Sie dort darauf hingewiesen.

Mit Finish geht es weiter. Dann brauchen Sie beim ersten Projekt mit diesem Board etwas Geduld: PlatformIO lädt nämlich aus dem Internet alles nach, was es braucht. Solange erscheint ein blaues Feld Please wait.

Falls zwischendurch Sicherheitsfragen auftauchen, beantworten Sie die mit Ja, ich vertraue den Autoren. Möchten Sie nicht ständig wieder damit genervt werden, setzen Sie zuvor noch ein Häkchen vor Den Autoren aller Dateien ...

Wenn alles zusammengesammelt ist, erscheint ein Fenster mit dem Inhalt der Datei platformio.ini und links daneben eine Liste mit Ordnernamen.

Diese Datei ist im Grunde der Clou des ganzen: Hier wird alles vermerkt, was Ihr Projekt benötigt. Wenn Sie ein solches Projekt (das ist der komplette Projektordner inklusive aller darin enthalten Dateien und Unterordnern) später an andere weitergeben oder selbst auf einen anderen Computer übertragen, um es dort mit PlatformIO weiterzubearbeiten, wird die Programmierumgebung auf diesem Computer automatisch alles nachladen, was es für dieses Projekt braucht.

Aber wo landet nun der eigentliche Programmtext? Dazu gibt es den Ordner src (für sourcecode). Klicken Sie in der Ordnerliste auf src und Sie sehen, dass dort bereits eine Datei namens main.cpp enthalten ist. Diese Datei enthält den Anfang des Programms, das heißt, der Mikrocontroller beginnt die Programmausführung nach dem Kompilieren mit dem ersten Befehl in dieser Datei. Klicken Sie auf den Dateinamen und Sie sehen deren Inhalt.

Falls Ihnen das bekannt vorkommt: Das entspricht genau dem Inhalt der von der Arduino-IDE bekannten INO-Dateien. Und genauso können Sie dort Ihr Programm schreiben. Als einfaches Beispiel lassen wir nur über den seriellen Port eine Begrüßung ausgeben.

Nun wird es Zeit, dass Ihr Board etwas zu tun bekommt: Schließen Sie es per USB-Kabel an den Computer an. Klicken Sie dann in der blauen Leiste am unteren Fensterrand auf den nach rechts zeigenden Pfeil.

Jetzt beginnt die Programmier-Umgebung zu arbeiten: Zunächst werden eventuell noch benötigte Bestandteile (etwa der Compiler) nachgeladen. Anschließend erfolgt der Kompiliervorgang. Danach wird die fertige Firmware zunächst in die Datei firmware.bin geschrieben, die sich im Ordner .pio\build\d1_mini befindet. Diese Datei ist wichtig für Boards, auf die man neue Firmware nicht über USB übertragen kann, sondern die ihr Update als Datei auf einer Speicherkarte verlangen.

Während der ganzen Zeit erscheinen zahlreiche Meldungen, hoffentlich ohne Fehler. Falls etwas bemängelt wird, dann bricht der Vorgang ab und Sie müssen den Sourcecode auf Tippfehler und ähnliches überprüfen.

Weiter geht es dann mit dem Upload aufs Board. Im Gegensatz zur Arduino-IDE muss man sich hier nicht mit der Einstellung der richtigen Portnummer beschäftigen. PlatformIO erledigt das automatisch. Sollte das einmal nicht funktionieren, fehlt der für das jeweilige Board erforderliche USB-Treiber. Ist alles erfolgreich erledigt, kommt die Erfolgsmeldung.

Falls Sie das überprüfen möchten: Starten Sie den seriellen Monitor durch einen Klick auf das Steckersymbol in der blauen Fußleiste des Fensters. Dann sehen Sie die Begrüßungsmeldung des Mikrocontrollers.

Herzlichen Glückwunsch! Sie haben Ihr erstes Mikrocontroller-Programm mithilfe von PlatformIO geschrieben, kompiliert und aufs Board übertragen.

Vorhandene Projekte öffnen

Im Internet, insbesondere auf Github, finden Sie zahlreiche PlatformIO-Software-Projekte. Die können Sie nun problemlos auch auf Ihrem PC benutzen. Nach dem Download und dem Entpacken der ZIP-Datei sollten Sie den so erhaltenen Ordner ins Projects-Verzeichnis von PlatformIO kopieren. Den Namen haben Sie sich doch bei der Installation gemerkt? Falls nicht, zeigt PlatformIO Ihnen den Pfad nach Klicks auf Datei und Ordner öffnen an.

Mit Datei und Ordner öffnen können Sie dann das Projekt auch in PlatformIO laden, bearbeiten und kompilieren.

Und nun viel Spaß bei Ihren ersten eigenen Versuchen auf der neuen Plattform. Vermutlich werden Sie sie bald nicht mehr missen wollen! (hgb)