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embedded/Lab39

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title: Lab39: Cross-Development (2015q1 Week #3)
toc: no
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預期目標
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- 體驗一個具體而微的 MCU 程式開發過程，使用 GNU Toolchain
- 藉由 QEMU 模擬環境，嘗試控制週邊 (STM32 USART) 並觀察其行為
- 接觸 [FreeRTOS](/embedded/freertos)

預先準備
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- 安裝 Ubuntu Linux，建議版本為 14.10
- 安裝必要的套件，如下：
```
    sudo apt-get install build-essential git zlib1g-dev libsdl1.2-dev libglib2.0-dev "automake*" "autoconf*" libtool libpixman-1-dev
```
- 若 Ubuntu 使用 **64bit 版本** ，請額外安裝 lib32gcc1 之套件
```
    sudo apt-get install lib32gcc1 lib32ncurses5
```
- 取得 GNU Toolchain: [GNU Tools for ARM Embedded Processors](https://launchpad.net/gcc-arm-embedded) ，或用 apt-get 取得，操作如下
```
    sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi libnewlib-arm-none-eabi
```

STM32 Overview
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- Powerful but Cheap
  - Wireless Connectivity
  - Computing/Prototyping
  - One for most use cases

- [STM32-P103](https://www.olimex.com/Products/ARM/ST/STM32-P103/)
  * MCU: STM32F103RBT6 ARM Cortex-M3, up to 72MHz operation
  * 128K Bytes Program Flash, 20K Bytes RAM
  * USB, CAN, x2 I2C, x2 ADC 12 bit, x3 UART, x2 SPI, x3 TIMERS
  
![](/STM32-P103-01.jpg)

STM32 on QEMU 環境建立與測試
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.. code-block:: prettyprint

```
    mkdir -p workspace
    cd workspace
    git clone git://github.com/beckus/stm32_p103_demos.git || git clone https://github.com/beckus/stm32_p103_demos.git 
    git clone git://github.com/beckus/qemu_stm32.git || git clone https://github.com/beckus/qemu_stm32.git

    cd qemu_stm32
    git submodule update --init dtc || sudo apt-get install libfdt-dev
    ./configure --disable-werror --enable-debug \
        --target-list="arm-softmmu" \
        --extra-cflags=-DSTM32_UART_NO_BAUD_DELAY \
        --extra-cflags=-DSTM32_UART_ENABLE_OVERRUN \
        --disable-gtk
    make
    cd ../stm32_p103_demos
    make all
    make blink_flash_QEMURUN
    make button_QEMURUN
    make uart_echo_QEMURUN
```

小提醒
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- 若 Linux 環境中預設的 python 版本是 python3，可能會無法configure，這時就可用python virtualenv 解決：
  * 先安裝 python-virtualenv, python2-virtualenv

.. code-block:: prettyprint

```
    $ virtualenv2.7 env
    $ source env/bin/activate
```

- QEMU monitor 中按下 Ctrl-Alt-2 可切換到 serial0，即可作 UART 輸出/輸入測試，而按下 Ctrl-Alt-1 可切回 QEMU monitor
- 詳情可參閱 [stm32_p103_demos](http://github.com/beckus/stm32_p103_demos) 目錄的 README 檔案
- Ubuntu Linux 的「下載」目錄名稱就叫做「下載」，建議可建立 symbolic link 到 "Downloads" 目錄，如下：
  - ``ln -s ~/下載 ~/Downloads``

FreeRTOS
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* 已整合檔案系統到 FreeRTOS 中，並可在 UART 顯示檔案系統 (romfs) 中的內容 (但是目前版本不能正確運作)
* 測試方式
  - ``cd ~/workspace``
  - ``git clone git@github.com:embedded2015/freertos-basic.git``
  - # 或者: ``git clone https://github.com/embedded2015/freertos-basic.git``
  - ``cd freertos-basic``
  - ``make``
  - ``make qemu``
  - 輸入 "help" 可見已實作的 shell command
    * ps
    * mmtest
    * host
      - 輸入 ``host ls`` 並觀察 host 端終端機的畫面

ARM Semihost
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* 使用 ARM 所開發的目標系統 (target system)，不一定會提供所有的輸入/輸出設備。因此 ARM 設計了 semihost 這種機制，讓運行 ARM debugger 的主機可以與目標系統進行 I/O 溝通，以利產品開發
  - http://albert-oma.blogspot.tw/2012/04/semihosting.html

* Semihost 的實作是透過使用定義好的軟體中斷 (SVCs)，使程式在執行過程中產生中斷。一旦目標系統上的程式呼叫到對應的指令 (semihosting call)，便產生軟體中斷，接著 Debug Agent 就會負責處理此中斷，進行與主機的溝通
  - http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0205g/Bgbjhiea.html

* FreeRTOS extensions: https://github.com/hugovincent/mbed-freertos
  - lib/semifs.c
  - mbed (mbed.org) target supports semihosted local filesystem, accessible via the mbed USB interface. Should also work with semihosting-compatible debuggers.

* QEMU ARM semihosting
  - http://balau82.wordpress.com/2010/11/04/qemu-arm-semihosting/

參考執行畫面:

![](/embedded/Lab32/freertos.png)

參考作業要求
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* 修正和擴充 ``test``，試著追加有用的功能，如計算質數或 Fibonacci 數，並且適度回報
* 建立新的 shell 指令，如 ``new``，讓系統建立新的 FreeRTOS task，並確保 ``ps`` 可正確顯示新建立的 task
  - 思考：系統可允許多少個這樣的 task 呢？

* 在 FreeRTOS 中建立新的 task，定期將系統資訊 (參考 shell.c 的 ps_command 函式) 透過 ARM semihosting 存放到 host 端檔案系統的 sysinfo 檔案

挑戰題
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* 修正原本檔案系統無法運作的狀況，使 ``ls`` 和 ``cat`` 一類的指令得以使用
* 撰寫 romfs 的 test suite，可參考 [zeke](https://github.com/OlliV/zeke) 的 [kern/test/fs](https://github.com/OlliV/zeke/tree/master/kern/test/fs)
* 模仿 ``mmtest`` 指令，開發可以驗證 FreeRTOS task 建立和摧毀的指令，並且指出無止盡建立新的 task，究竟有什麼限制

繳交作業
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- 截止日期：
   * Mar 21, 2015 (含) 之前

- 更新開發過程到共筆網站: [Lab 39 / 作業共筆](https://embedded2015.hackpad.com/2015q3-Week-3-Lab39-zsLdd12X18w)，需要標注自己的 ID
    * 將符合作業提案的程式碼，提交到自行 fork 的 repository: https://github.com/embedded2015/freertos-basic
    * 注意: 要記得 fork [freertos-basic](https://github.com/embedded2015/freertos-basic)

參考資訊
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* [Lab 21: RTOS - Hackpad](https://embedded2013.hackpad.com/Lab21-RTOS-shzzlckJ50f) (檔案系統原理)
* [Lab 29: FreeRTOS - Hackpad](https://embedded2014.hackpad.com/Lab29-FreeRTOS-yUCJMwo7ZNx)
* [Lab 32: FreeRTOS - Hackpad](https://embedded2014.hackpad.com/2014q3-Week-2-efkTFt0x7Ag)