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
在 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❌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 簡易操作與寫給大家的 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 fetch 與 git 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