Lab32: QEMU + FreeRTOS

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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 14.04
• 安裝必要的套件

sudo apt-get install git zlib1g-dev libsdl1.2-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: toolchain-2014_05.tar.bz2 、保存到 /tmp 目錄，並且解開到系統中，操作如下

cd / sudo tar jxvf /tmp/toolchain-2014_05.tar.bz2

• 檢查 Toolchain 是否正確安裝：ls /usr/local/csl/arm-2014.05/

設定 Toolchain 執行檔路徑

export PATH=/usr/local/csl/arm-2014.05/bin:$PATH

• 提示: 可更新到 ~/.bashrc

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=-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 \ --disable-gtk make cd ../stm32_p103_demos make all make blink_flash_QEMURUN make button_QEMURUN make uart_echo_QEMURUN

FreeRTOS

• The Architecture of Open Source Applications: FreeRTOS
  • 簡體中文翻譯
• 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 [email protected]:embedded2014/freertos-plus.git
  • # 或者: git clone https://github.com/embedded2014/freertos-plus.git
  • cd freertos-plus
  • make
  • make qemu
  • 按下 Ctrl-Alt-1 切到 serial
  • 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:

小提醒

• 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

參考設計要求

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