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Lab3: GNU Toolchain and RTOS

預期目標

  • 搭配第三周與第四周課程進度
  • 更進一步學習 GNU Toolchain 的使用，特別用在自動化分析環境
  • 在 QEMU 模擬的 STM32 環境中，嘗試執行 FreeRTOS 並且學習相關的操作
  • 熟悉 FreeRTOS 的內部運作機制
  • 對 RTOS 內部運作進行視覺化，以銜接未來的硬體操作
  • 實地練習 Multi-tasking 程式設計

GTKWave

  • GTKWave: 強大的 wave viewer
  • 在 Ubuntu Linux 的安裝與操作

.. code-block:: prettyprint

sudo apt-get install gtkwave
cp -af /usr/share/doc/gtkwave/examples . && cd examples
vzt2vcd des.vzt > des.vcd
gtkwave des.vcd
  • 參考輸出畫面。記得要先選取左下方 Type / Signals 並以 Append 加入到分析的清單中

  • 建立 sample.vcd 檔案，觀察 GTKWave 輸出。內容如下：

.. code-block:: prettyprint

$version
$end
$timescale 1
$end
$var wire 8 0x01 0x01 $end
$var wire 8 0x02 0x02 $end
$var wire 8 0x03 0x03 $end
$var wire 8 0x04 0x04 $end
$var wire 8 0x05 0x05 $end
$var wire 8 0x06 0x06 $end
$dumpvars
#0
b00000110 0x01
#174542
b00000101 0x01
#174548
b00000110 0x01
#3512733
b00000000 0x01
$end

FreeRTOS for STM32

  • 仿造 Lab-2 操作，取得最新的 Lab3 程式碼
  • 狀況一：只是在課堂練習

.. code-block:: prettyprint

git clone git://gitcafe.com/embedded2012/Labs.git
cd Labs/Lab-3
  • 狀況二：整合到 P-，準備可提交作業的環境。以 jserv 為例：

.. code-block:: prettyprint

cd P-jserv
git fetch labs
git rebase labs/master
cd Lab-3

  • 上個階段可能會面臨 GIT merge 失敗的狀況，可以先 git commit -a 然後 git rebase --skip 繼續

  • 取得最新的 QEMU-STM32： git clone git://gitcafe.com/embedded2012/qemu_stm32.git

  • 配置 QEMU-STM32 組態並編譯

.. code-block:: prettyprint

cd qemu_stm32
./configure --disable-werror --enable-debug --target-list="arm-softmmu" \
    --extra-cflags=-DDEBUG_CLKTREE \
    --extra-cflags=-DDEBUG_STM32_RCC \
    --extra-cflags=-DDEBUG_STM32_UART \
    --extra-cflags=-DSTM32_UART_NO_BAUD_DELAY \
    --extra-cflags=-DSTM32_UART_ENABLE_OVERRUN
make && cd ..
  • 仿造 Lab-2 的操作，編譯並執行 FreeRTOS 程式

.. code-block:: prettyprint

cd freertos
make
make qemu
  • 按下 Ctrl-Alt-2 切換到 serial0 畫面時，可發現 FreeRTOS 示範程式中的 thread 已主動作了輸出，並且可在該畫面中，進行輸入操作。請觀察其行為並比對程式碼

作業 (A)

  • 研讀 FreeRTOS 程式碼關於 scheduling 的實做
  • 在這過程，可進一步學習 GDB 工具的使用。有很多視覺化工具可輔助，如：

  • 適度修改 FreeRTOS 程式碼，引入 mini tracer 的機制，並準備特製的 GDB script，使其得以紀錄 task switch 的狀況 (需要包含 timing 資訊)，最終可輸出 VCD 檔案，透過 GTKWave 視覺化
    • 提示：可準備 gdb2vcd.py 一類的工具程式，協助將 GDB 操作過程作分析與轉換
  • 最終預期在 freertos 目錄下，當 make qemuauto 執行後，會自動啟動 QEMU + GDB + FreeRTOS，並在 5 秒後 kill 必要的 process 且能夠輸出 VCD 檔案，檔名為 sched.vcd。以下是參考的 GTKWave 瀏覽畫面：

  • 提示：
    • 舉凡 FreeRTOS, main.c, GDB scripts, emulate.sh 等檔案都能修改，重點是建立 mini tracer 的機制，以利後續 RTOS 追蹤分析使用

作業 (B)

  • 以 FreeRTOS 的 multi-tasking 重寫 Lab2 的作業 (B)，基本條件照舊，只是改為兩個以上的 Task

.. code-block:: prettyprint

cd Lab3/mtask
make
  • 不得在 C 程式引入 <string.h> 檔頭，而是用 mtask 目錄下的 string-util.c 與 string-util.h
  • 其中負責接收 UART 輸入的 Task 必須呼叫 my_strtok 來進行輸入字串的分析，而負責進行 ROT13 編碼與在 UART 輸出的 Task 也應該呼叫 my_strtok 來作字串統計
  • 當輸入字串為 “” (不包含括號) 時，系統應該停止運作，並輸出統計結果，如下：(範例)

.. code-block:: prettyprint

Most frequent input: the
Length of the longest word: 9
  • 提示：
    • 呼叫 my_strtok 的過程，會遇到 Reentrancy 的問題，請作必要的修改

參考資訊

  • Efficient Debugging and Tracing of System Level Designs
    • http://www.cecs.uci.edu/technical_report/TR06-08.pdf
  • Reentrancy
    • http://en.wikipedia.org/wiki/Reentrancy_%28computing%29
  • RTOS Design Tutorial
    • http://www.freertos.org/tutorial/
  • FreeRTOS Training