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Lab39: Cross-Development (2015q1 Week #3)

預期目標

  • 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

預先準備

  • 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
    sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi libnewlib-arm-none-eabi

STM32 Overview

  • Powerful but Cheap
    • Wireless Connectivity
    • Computing/Prototyping
    • One for most use cases
  • 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 on QEMU 環境建立與測試

    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

  • 如果用 git clone qemu_stm32 並且 make 完後，在 uart_echo 這個範例中 serial0 沒有回應的話，請用 qemu_stm32 release v0.13 來重新編譯一次。

  • 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
      $ 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 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

  • 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

  • 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:

參考作業要求

  • 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

  • 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 的 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

  • 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，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

參考資訊