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Lab2: GNU Toolchain, ARM, and Git

預期目標

  • 搭配第二周課程進度
  • 學習 GNU Toolchain 的使用
  • 藉由 coroutine 的實做,作為日後 RTOS 學習的準備
  • 以 Git 管理與追蹤開發過程
  • 引入自動評分機制

預先準備

  • 在本 wiki 註冊帳號
  • 加入/訂閱位於 Google Groups 的 embedded2012 郵件討論群組,以獲得討論資訊
  • GitCafe 註冊帳號
  • 確認在 Account Settings 加入 SSH Key
  • 可參考「產生 SSH key 給 Bitbucket/Github 使用」一文
  • 於 GitCafe 中的 SSH key 設定,可參閱「GitCafe SSH key設定官方說明

  • 注意:若使用公用電腦,可切換到 root 後,建立新的使用者帳號
  • sudo su
  • adduser 指定帳號名稱
  • sudoedit /etc/group
  • 在 /etc/group 確保該帳號已加入 admin 群組,如:
    • admin:x:115:ncku,帳戶名稱
  • 將註冊的帳號名稱,通知課程主持人或助教,於 Organization embedded2012 加入用於紀錄開發動態的 Git repository
  • 範例: P-jserv,最好與 wiki 帳號名稱一致,以利於識別
  • 點選 SSH (Read+Write) 可得到 git repository 的位址,如上例為

    git@gitcafe.com:embedded2012/P-jserv.git

  • 注意:到 2012 年年底前,repository 的存取權限應該設定為 private
  • 參閱 Git 簡易操作寫給大家的 Git 教學

自本次開始所採用的 Git repository

  • 線上瀏覽
  • https://gitcafe.com/embedded2012/Labs

  • 已取得 GitCafe Notification 告知 P-xxx 之 Git repository 後,即可著手進行開發。以 “jserv” 為例:(請替換成指定的帳號)

.. code-block:: prettyprint

git clone git@gitcafe.com:embedded2012/P-jserv.git
cd P-jserv
git remote add labs git://gitcafe.com/embedded2012/Labs.git
git fetch labs
git rebase labs/master
  • 往後只要重複執行前項的後兩個指令 (git fetchgit rebase),即可取得最新的作業及參考內容
  • 將過程所需要的檔案透過 git add 指令加入到工作區,接著透過 git push 來提交修改
  • 最好事先以 git pull 確認整合伺服器端的修改

  • 確認詳加閱讀「寫給大家的 Git 教學」投影片以得知 Git 基本操作
  • 或,僅想測試 Labs 的操作 (適合在課堂 / 電腦教室的環境)

    git clone git://gitcafe.com/embedded2012/Labs.git

QEMU_STM32 + QEMU 操作

  • 在 Lab-2 目錄下,預先建立 symbolic link,指向 Lab-1 所使用 QEMU 的目錄
  • 類似以下操作:
  • ln -s QEMU_STM32的路徑 qemu_stm32

  • 開啟一個終端機,作以下輸入

.. code-block:: prettyprint

cd Lab-2/demo
make qemudbg
  • 開啟另一個終端機,準備透過 gdb 來追蹤程式。下列 (gdb) 開頭的指令表示在 GDB 內部操作
  • PS. 使用 Ubuntu 64bit 版本時,需要另外安裝 lib32ncurses5
  • sudo apt-get install lib32ncurses5

.. code-block:: prettyprint

cd Lab-2/demo
arm-none-eabi-gdb
(gdb) file main.elf 
Reading symbols from Lab-2/demo/main.elf...done.
(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x2206: file main.c, line 8.
(gdb) target remote :3333
Remote debugging using :3333
Reset_Handler ()
    at libraries/CMSIS/CM3/DeviceSupport/ST/STM32F10x/startup/gcc_ride7/startup_stm32f10x_md.s:67
67	  movs	r1, #0
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 1, main () at main.c:8
8		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
(gdb) list
3	
4	int main(void)
5	{
6		int last_button_state, new_button_state;
7	
8		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
9		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
10						
11		/* Configure PC.12 as output push-pull (LED) */
12		GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_12,Bit_SET);
(gdb) b 23
Breakpoint 2 at 0x2264: file main.c, line 23.
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 2, main () at main.c:23
23			new_button_state = GPIOA->IDR & 0x00000001;
(gdb) n
24			if(new_button_state ^ last_button_state) {
(gdb) p new_button_state
$1 = 0
(gdb) info breakpoints 
Num     Type           Disp Enb Address    What
1       breakpoint     keep y   0x00002206 in main at main.c:8
breakpoint already hit 1 time
2       breakpoint     keep y   0x00002264 in main at main.c:23
breakpoint already hit 1 time
(gdb) del 2
(gdb) watch GPIOC->ODR
Hardware watchpoint 3: GPIOC->ODR
(gdb) c
Continuing.
  • 在 QEMU monitor 內作以下輸入,試圖模擬按鈕的動作

.. code-block:: prettyprint

sendkey b
  • 隨後可發現 GDB 畫面出現變化:

.. code-block:: prettyprint

Hardware watchpoint 3: GPIOC->ODR

Old value = 4096
New value = 0
main () at main.c:29
29			last_button_state = new_button_state;
  • 事實上 GPIOC 是個 macro,可透過 GDB 驗證

.. code-block:: prettyprint

(gdb) info macro GPIOC
Defined at libraries/CMSIS/CM3/DeviceSupport/ST/STM32F10x/stm32f10x.h:1410
  included at Lab-2/demo/main.c:2
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)

作業 (A)

  • 適度修改 Lab-2/demo 目錄底下的檔案,使其僅作基本的 UART 初始化動作
  • 撰寫特別的 GDB script,使得 QEMU 能自動在 UART 畫面印出 “Hello!” 字樣。main.c 檔案的行數應該越少越好 (作為評分依據),處理動作最好全權交給 GDB
  • 在 Makefile 新增 ‘gdbauto’ 的 target,自動進行 QEMU + GDB + UART 輸出
  • 也就是預期執行 make gdbauto 之後,能呼叫 QEMU
  • 提示: gdb -x 後面接檔名,可自動執行指定的 GDB script,如:

.. code-block:: prettyprint

file main.elf
target remote :3333
b main
c
  • 提示:
  • 可讓 QEMU 在背景執行,可參考或修改 emulate.sh 的內容
  • 不需要將 QEMU 關閉 (kill)

Coroutines

  • “Coroutines are computer program components that generalize subroutines to allow multiple entry points for suspending and resuming execution at certain locations. Coroutines are well-suited for implementing more familiar program components such as cooperative tasks, iterators, infinite lists and pipes.”
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Coroutine

  • 使用 coroutine 實做 user-level thread
  • http://blog.linux.org.tw/~jserv/archives/001848.html

  • Coroutine in FPPA
  • http://godspeedlee.myweb.hinet.net/coroutine.html

  • 淺談coroutine與gevent
  • http://blog.ez2learn.com/2010/07/17/talk-about-coroutine-and-gevent/

  • 開啟一個終端機,作以下輸入

.. code-block:: prettyprint

cd Lab-2/coroutine
make
./sample
  • 用 GDB 觀察執行
  • 可用 next 與 stepi 指令

  • 注意:本範例使用 setjmp/longjmp 來實做 coroutine

作業 (B)

  • 移植 coroutine 到 STM32 平台 (p103)
  • 必須修改 SAVE_STACK_POINTER_ASM 與 RESTORE_STACK_ASM 這兩個 macro
  • 系統最少要有兩個 routine,一者傾聽 UART 端來自使用者的輸入,另一者將輸入透過 ROT13 編碼演算法印列在 UART 上
  • 注意:ROT13 應以 inline assembly 實做

  • 倘若使用者按下 button 時,系統結束運作,不再畫面作輸出,同時也該清掉任何 buffer,直到使用者再次按下 button 時,才如同之前描述般繼續運作
  • 可參考 demo 的 Makefile,其已存在 ‘emu’ 的 target,可接受來自 stdio 的輸入,自動控制 QEMU 的執行。於是應該在 coroutine/Makefile 加入 ‘emu’ target
  • make emu
  • emulate.sh

.. code-block:: prettyprint

emulate () {
  $QEMU_STM32 \
    -M stm32-p103 \
    -kernel $1 \
    -serial stdio \
    -parallel none \
    -monitor tcp:localhost:4444,server,nowait <&0 & pid=$!
}
  • telnet localhost 4444

  • 提示:可修改 emulate.sh 與 test.script

參考資訊

  • debugger 和 software emulator
  • opencsl.openfoundry.org/Lab05_debugger.rst.html
  • http://www.cis.nctu.edu.tw/~is92004/article/gdb.htm

  • GDB 筆記
  • http://loda.hala01.com/2012/04/gdb%E7%AD%86%E8%A8%98/

  • 以 GDB 重新學習 C 語言程式設計
  • http://www.slideshare.net/jserv/clang-usinggdb

  • GDB Manual
  • http://sourceware.org/gdb/current/onlinedocs/gdb/
  • Commands, Remote Debugging, Extending GDB

  • ARM GCC Inline Assembler Cookbook
  • http://www.ethernut.de/en/documents/arm-inline-asm.html

  • CS360 Lecture notes – Setjmp
  • http://web.eecs.utk.edu/~plank/plank/classes/cs360/360/notes/Setjmp/lecture.html

  • 鳥哥的 Linux 私房菜: 程序管理
  • http://linux.vbird.org/linux_basic/0440processcontrol.php

  • QEMU Monitor 功能一覽
  • http://en.wikibooks.org/wiki/QEMU/Monitor

評分方法

  • 請留意所有的大小寫與用語,因為日後的 Lab 皆以程式來評分
  • 自我驗證方式:

.. code-block:: prettyprint

cd Lab-2
make -C demo gdbauto
make -C coroutine emu

小提示

  • Ubuntu Linux 預設的文字編輯器為 nano,對許多習慣於 vi/vim 的使用者來說,較為不便,可透過以下指令選擇:

    sudo update-alternatives --config editor