【项目移植】国民技术N32G4FR开发板：RT-Thread Nano移植FinSH

电子发烧友论坛 2023-02-14 1362

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描述

开发环境：

  • MDK：Keil 5.30

  • 开发板：N32G4FRML-STB 开发板

  • MCU：N32G4FRMEL7

  • RT-Thread版本：3.1.5


FinSH简介

FinSH是RT-Thread的命令行外壳（shell），提供一套供用户在命令行的操作接口，主要用于调试、查看系统信息。在大部分嵌入式系统中，一般开发调试都使用硬件调试器和printf日志打印，在有些情况下，这两种方式并不是那么好用。比如对于RT-Thread这个多线程系统，我们想知道某个时刻系统中的线程运行状态、手动控制系统状态。如果有一个shell，就可以输入命令，直接相应的函数执行获得需要的信息，或者控制程序的行为。这无疑会十分方便。硬件拓扑结构如下图所示：


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用户在控制终端输入命令，控制终端通过串口、USB、网络等方式将命令传给设备里的 FinSH，FinSH 会读取设备输入命令，解析并自动扫描内部函数表，寻找对应函数名，执行函数后输出回应，回应通过原路返回，将结果显示在控制终端上。


当使用串口连接设备与控制终端时，FinSH 命令的执行流程，如下图所示：


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FinSH 支持权限验证功能，系统在启动后会进行权限验证，只有权限验证通过，才会开启 FinSH 功能，提升系统输入的安全性。


FinSH 支持自动补全、查看历史命令等功能，通过键盘上的按键可以很方便的使用这些功能，FinSH 支持的按键如下表所示：


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FinSH支持两种模式，分别是传统命令行模式和 C 语言解释器模式：


  1. C语言解释器模式, 为行文方便称之为c-style；C 语言解释器模式下，FinSH 能够解析执行大部分 C 语言的表达式，并使用类似 C 语言的函数调用方式访问系统中的函数及全局变量，此外它也能够通过命令行方式创建变量。在该模式下，输入的命令必须类似 C 语言中的函数调用方式，即必须携带 () 符号，例如，要输出系统当前所有线程及其状态，在 FinSH 中输入 list_thread() 即可打印出需要的信息。FinSH 命令的输出为此函数的返回值。对于一些不存在返回值的函数（void 返回值），这个打印输出没有意义。

  2. 传统命令行模式，此模式又称为msh(module shell)。C语言表达式解释模式下, finsh能够解析执行大部分C语言的表达式，并使用类似C语言的函数调用方式访问系统中的函数及全局变量，此外它也能够通过命令行方式创建变量。在msh模式下，finsh运行方式类似于dos/bash等传统shell。例如，可以通过 cd / 命令将目录切换至根目录。msh 通过解析，将输入字符分解成以空格区分开的命令和参数。其命令执行格式如下所示：

command [arg1] [arg2] [...]


其中 command 既可以是 RT-Thread 内置的命令，也可以是可执行的文件。


最初 FinSH 仅支持 C-Style 模式，后来随着 RT-Thread 的不断发展，C-Style 模式在运行脚本或者程序时不太方便，而使用传统的 shell 方式则比较方便。另外，C-Style 模式下，FinSH 占用体积比较大。出于这些考虑，在 RT-Thread 中增加了 msh 模式，msh 模式体积小，使用方便，推荐大家使用 msh 模式。


如果在 RT-Thread 中同时使能了这两种模式，那它们可以动态切换，在 msh 模式下输入 exit 后回车，即可切换到 C-Style 模式。在 C-Style 模式输入 msh() 后回车，即可进入 msh 模式。两种模式的命令不通用，msh 命令无法在 C-Style 模式下使用，反之同理。


FinSH的移植分为两个部分：第一部分是实现 UART 控制台，该部分只需要实现两个函数即可完成 UART 控制台打印功能。第二部分是实现移植 FinSH 组件，实现在控制台输入命令调试系统，该部分实现基于第一部分，只需要添加 FinSH 组件源码并再对接一个系统函数即可实现。下面将对这两部分进行说明。


在Nano上添加UART控制台

在 RT-Thread Nano 上添加 UART 控制台打印功能后，就可以在代码中使用 RT-Thread 提供的打印函数 rt_kprintf() 进行信息打印，从而获取自定义的打印信息，方便定位代码 bug 或者获取系统当前运行状态等。实现控制台打印，需要完成基本的硬件初始化，以及对接一个系统输出字符的函数。


2.1 串口初始化

使用串口对接控制台的打印，首先需要初始化串口，如引脚、波特率等。需要在 board.c 中的 rt_hw_board_init() 函数中调用串口初始化。


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2.2 实现 rt_hw_console_output

实现 finsh 组件输出一个字符，即在该函数中实现 uart 输出字符：

/*输出一个字符，系统函数，函数名不可更改 */
void rt_hw_console_output(const char *str);

（左右移动查看全部内容）


示例代码：如下是基于N32G4FRMEL7的串口驱动对接的 rt_hw_console_output() 函数，实现控制台字符输出，示例仅做参考。


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以上代码很简单，就是将裸机的字符输出的内容使用rt_hw_console_output()函数实现，笔者使用的是串口1作为调试串口。


注意：RT-Thread 系统中已有的打印均以 结尾，而并非 ，所以在字符输出时，需要在输出 之前输出 ，完成回车与换行，否则系统打印出来的信息将只有换行。


上面实现了rt_hw_console_output()函数，也就实现了rt_kprintf()函数，在kservice.c中调用了rt_hw_console_output()函数。


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以下代码就是在调用rt_hw_console_output()。


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RT_CONSOLEBUF_SIZE定义缓冲区的最大长度为，默认配置的大小为128。


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2.3 结果验证

在应用代码中编写含有 rt_kprintf() 打印的代码，编译下载，打开串口助手进行验证。如下图是一个在 main() 函数中每隔 1 秒进行循环打印 Hello RT-Thread 的示例效果：


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在Nano上添加FinSH组件

RT-Thread FinSH 是 RT-Thread 的命令行组件（shell），提供一套供用户在命令行调用的操作接口，主要用于调试或查看系统信息。它可以使用串口 / 以太网 / USB 等与 PC 机进行通信，使用 FinSH 组件基本命令的效果图如下所示。


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本文以串口 UART 作为 FinSH 的输入输出端口与 PC 进行通信，描述如何在 Nano 上实现 FinSH shell 功能。


在 RT-Thread Nano 上添加 FinSH 组件，实现 FinSH 功能的步骤主要如下：

  1. 添加 FinSH 源码到工程。

  2. 实现函数对接。

  3. 1 Keil添加 FinSH 源码工程


把 FinSH 组件的源码到工程。


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另外还需要配置Finsh的头文件路径。


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3.2 实现 rt_hw_console_getchar

要实现 FinSH 组件功能：既可以打印也能输入命令进行调试，控制台已经实现了打印功能，现在还需要在 board.c 中对接控制台输入函数，实现字符输入：

/* finsh 获取一个字符，系统函数，函数名不可更改 */
char rt_hw_console_getchar(void)；

（左右移动查看全部内容）


rt_hw_console_getchar()：控制台获取一个字符，即在该函数中实现 uart 获取字符，可以使用查询方式获取（注意不要死等，在未获取到字符时，需要让出 CPU），也可以使用中断方式获取。


3.2.1查询方式

如下是基于N32G4FRMEL7的串口驱动对接的 rt_hw_console_getchar()，完成对接 FinSH 组件，其中获取字符采用查询方式，示例仅做参考。

/* 移植 FinSH，实现命令行交互, 需要添加 FinSH 源码，然后再对接 rt_hw_console_getchar */
char rt_hw_console_getchar(void)
{
    int ch = -1;
    if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXDNE) != RESET)
    {
        ch = (int)USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else
    {
        if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_OREF) != RESET)
        {
            USART_ClrFlag(USART1,USART_FLAG_TXC);
        }
        rt_thread_mdelay(10);
    }
    return ch;  
}

（左右移动查看全部内容）


3.2.2 中断方式

如下是基于 N32G4FRMEL7串口驱动，实现控制台输出与 FinSH Shell，其中获取字符采用中断方式。原理是，在 uart 接收到数据时产生中断，在中断中把数据存入 ringbuffer 缓冲区，然后释放信号量，tshell 线程接收信号量，然后读取存在 ringbuffer 中的数据。

/* 第一部分：ringbuffer 实现部分 */
#include 
#include 


#define rt_ringbuffer_space_len(rb) ((rb)->buffer_size - rt_ringbuffer_data_len(rb))


struct rt_ringbuffer
{
    rt_uint8_t *buffer_ptr;


    rt_uint16_t read_mirror : 1;
    rt_uint16_t read_index : 15;
    rt_uint16_t write_mirror : 1;
    rt_uint16_t write_index : 15;


    rt_int16_t buffer_size;
};


enum rt_ringbuffer_state
{
    RT_RINGBUFFER_EMPTY,
    RT_RINGBUFFER_FULL,
    /* half full is neither full nor empty */
    RT_RINGBUFFER_HALFFULL,
};


rt_inline enum rt_ringbuffer_state rt_ringbuffer_status(struct rt_ringbuffer *rb)
{
    if (rb->read_index == rb->write_index)
    {
        if (rb->read_mirror == rb->write_mirror)
            return RT_RINGBUFFER_EMPTY;
        else
            return RT_RINGBUFFER_FULL;
    }
    return RT_RINGBUFFER_HALFFULL;
}


/** 
 * get the size of data in rb 
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_data_len(struct rt_ringbuffer *rb)
{
    switch (rt_ringbuffer_status(rb))
    {
    case RT_RINGBUFFER_EMPTY:
        return 0;
    case RT_RINGBUFFER_FULL:
        return rb->buffer_size;
    case RT_RINGBUFFER_HALFFULL:
    default:
        if (rb->write_index > rb->read_index)
            return rb->write_index - rb->read_index;
        else
            return rb->buffer_size - (rb->read_index - rb->write_index);
    };
}


void rt_ringbuffer_init(struct rt_ringbuffer *rb,
                        rt_uint8_t           *pool,
                        rt_int16_t            size)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);
    RT_ASSERT(size > 0);


    /* initialize read and write index */
    rb->read_mirror = rb->read_index = 0;
    rb->write_mirror = rb->write_index = 0;


    /* set buffer pool and size */
    rb->buffer_ptr = pool;
    rb->buffer_size = RT_ALIGN_DOWN(size, RT_ALIGN_SIZE);
}


/**
 * put a character into ring buffer
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_putchar(struct rt_ringbuffer *rb, const rt_uint8_t ch)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);


    /* whether has enough space */
    if (!rt_ringbuffer_space_len(rb))
        return 0;


    rb->buffer_ptr[rb->write_index] = ch;


    /* flip mirror */
    if (rb->write_index == rb->buffer_size-1)
    {
        rb->write_mirror = ~rb->write_mirror;
        rb->write_index = 0;
    }
    else
    {
        rb->write_index++;
    }


    return 1;
}
/**
 * get a character from a ringbuffer
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_getchar(struct rt_ringbuffer *rb, rt_uint8_t *ch)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);


    /* ringbuffer is empty */
    if (!rt_ringbuffer_data_len(rb))
        return 0;


    /* put character */
    *ch = rb->buffer_ptr[rb->read_index];


    if (rb->read_index == rb->buffer_size-1)
    {
        rb->read_mirror = ~rb->read_mirror;
        rb->read_index = 0;
    }
    else
    {
        rb->read_index++;
    }


    return 1;
}


/* 第二部分：finsh 移植对接部分 */
#define UART_RX_BUF_LEN 16
rt_uint8_t uart_rx_buf[UART_RX_BUF_LEN] = {0};
struct rt_ringbuffer  uart_rxcb;         /* 定义一个 ringbuffer cb */
static struct rt_semaphore shell_rx_sem; /* 定义一个静态信号量 */


/**
  * [url=home.php?mod=space&uid=2666770]@Brief[/url]  配置USART接收中断
  * [url=home.php?mod=space&uid=3142012]@param[/url]  uint8_t IRQChannel, uint8_t PreemptionPriority, uint8_t SubPriority
  * @retval None
  */
static void BSP_USART_NVIC_Configuration(uint8_t IRQChannel, uint8_t PreemptionPriority, uint8_t SubPriority)
{
    NVIC_InitType NVIC_InitStructure; 


    /* Enable the USARTy Interrupt */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = IRQChannel;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = PreemptionPriority;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = SubPriority;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}


/**
  * @brief  USART GPIO 配置
  * @param  ST_BSP_USART_Dev *BSP_USART_Dev, uint32_t BaudRate, uint8_t PreemptionPriority, uint8_t SubPriority
  * @retval None
  */
void BSP_USART_Init(ST_BSP_USART_Dev *BSP_USART_Dev, uint32_t BaudRate, uint8_t PreemptionPriority, uint8_t SubPriority)
{
    GPIO_InitType GPIO_InitStructure;
    USART_InitType USART_InitStructure;


    /* config USART GPIO clock */
    RCC_EnableAPB2PeriphClk(BSP_USART_Dev->usart_rx_gpio_clk | BSP_USART_Dev->usart_tx_gpio_clk, ENABLE);


    /* config USART clock */
    RCC_EnableAPB2PeriphClk(BSP_USART_Dev->usart_clk, ENABLE);


    /* 初始化串口接收 ringbuffer  */
    rt_ringbuffer_init(&uart_rxcb, uart_rx_buf, UART_RX_BUF_LEN);


    /* 初始化串口接收数据的信号量 */
    rt_sem_init(&(shell_rx_sem), "shell_rx", 0, 0);


    /* USART GPIO config */
    /* Configure USART Tx as alternate function push-pull */
    GPIO_InitStructure.Pin = BSP_USART_Dev->usart_tx_pin;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitPeripheral(BSP_USART_Dev->usart_tx_port, &GPIO_InitStructure);    
    /* Configure USART Rx as input floating */
    GPIO_InitStructure.Pin = BSP_USART_Dev->usart_rx_pin;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_InitPeripheral(BSP_USART_Dev->usart_rx_port, &GPIO_InitStructure);


    USART_DeInit(BSP_USART_Dev->usart);
    /* USART mode config */
    USART_InitStructure.BaudRate = BaudRate;
    USART_InitStructure.WordLength = USART_WL_8B;
    USART_InitStructure.StopBits = USART_STPB_1;
    USART_InitStructure.Parity = USART_PE_NO ;
    USART_InitStructure.HardwareFlowControl = USART_HFCTRL_NONE;
    USART_InitStructure.Mode = USART_MODE_RX | USART_MODE_TX;
    USART_Init(BSP_USART_Dev->usart, &USART_InitStructure);


    // 配置中断
    BSP_USART_NVIC_Configuration(BSP_USART_Dev->usart_irqn, PreemptionPriority, SubPriority);
    /* 使能串口接收中断 */
    USART_ConfigInt(BSP_USART_Dev->usart, USART_INT_RXDNE, ENABLE);
    //USART_ConfigInt(BSP_USART_Dev->usart, USART_INT_IDLEF, ENABLE); // 空闲中断


    USART_Enable(BSP_USART_Dev->usart, ENABLE);
}




/*输出一个字符，系统函数，函数名不可更改 */
void rt_hw_console_output(const char *str)
{
    rt_size_t  i = 0, size = 0;
    char a = '
';
    
    /*清楚标志位*/
    USART_ClrFlag(USART1,USART_FLAG_TXC);
    
    size = rt_strlen(str);
    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        if (*(str + i) == '
')
        {
            /* 发送一个字节数据到USART1 */
            USART_SendData(USART1, (uint8_t) a);
            /* 等待发送完毕 */
            while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXC) == RESET);            
        }
        /* 发送一个字节数据到USART1 */
        USART_SendData(USART1, (uint8_t) *(str+i));
        /* 等待发送完毕 */        
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXC) == RESET);    
    }
}


/* 移植 FinSH，实现命令行交互, 需要添加 FinSH 源码，然后再对接 rt_hw_console_getchar */
/* 中断方式 */
char rt_hw_console_getchar(void)
{
    char ch = 0;


    /* 从 ringbuffer 中拿出数据 */
    while (rt_ringbuffer_getchar(&uart_rxcb, (rt_uint8_t *)&ch) != 1)
    {
        rt_sem_take(&shell_rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
    } 
    return ch;   
}


/* 第三部分：中断部分*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
    int ch = -1;   
 
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter();          //在中断中一定要调用这对函数，进入中断
    
    if( (USART_GetIntStatus(USART1, USART_INT_RXDNE) != RESET) && (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXDNE) != RESET) )
    {     
            while (1)      
            {
                ch = -1;
                if(USART_GetIntStatus(USART1, USART_INT_RXDNE) != RESET)
                {
                    ch = USART_ReceiveData(USART1);
                }
                if(ch ==-1)
                {
                    break;
                }
                /* 读取到数据，将数据存入 ringbuffer */
                rt_ringbuffer_putchar(&uart_rxcb, ch);
            }
            rt_sem_release(&shell_rx_sem);
    } 
    /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();    //在中断中一定要调用这对函数，离开中断
}

（左右移动查看全部内容）


【注】需要确认 rtconfig.h 中已使能 RT_USING_CONSOLE 宏定义


移植完成后，将程序下载到板子中，打开串口助手，在发送去输入字符，点击发送即可进行交互。注意一定要有换行符。


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这里推荐使用xshell等工具，用起来就有种Linux终端的感觉。


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FinSH实例

前文移植了FinSH，接下来我门通过一个实例来讲解如果使用自定义 msh 命令。本节我们来读取芯片闪存容量寄存器和芯片ID，寄存器地址描述如下：


  • 存储器容量寄存器


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  • 产品唯一身份标识寄存器(96位)


产品唯一的身份标识应用如下：

  • 用来作为序列号(例如USB字符序列号或者其他的终端应用)

  • 用来作为密码，在编写闪存时，将此唯一标识与软件加解密算法结合使用，提高代码在闪存存储器内的安全性。

  • 用来激活带安全机制的自举过程


96位的产品唯一身份标识所提供的参考号码对任意一个STM32微控制器，在任何情况下都是唯一的。用户在何种情况下，都不能修改这个身份标识。


这个96位的产品唯一身份标识，按照用户不同的用法，可以以字节(8位)为单位读取，也可以以半字(16位)或者全字(32位)。


实现读取芯片闪存容量寄存器和芯片ID很简单，代码如下：

uint32_t ChipUniqueID[3];


void GetChipID(void)
{
    ChipUniqueID[0] = *(volatile uint32_t *)(0x1FFFF7F0);//ID最高位
    ChipUniqueID[1] = *(volatile uint32_t *)(0x1FFFF7EC);//ID最高位
    ChipUniqueID[2] = *(volatile uint32_t *)(0x1FFFF7E8);//ID最高位


    rt_kprintf("
Chip ID id:0x%08X-0x%08X-0x%08X

",ChipUniqueID[0],ChipUniqueID[1],ChipUniqueID[2]);
}


MSH_CMD_EXPORT(GetChipID, Get 96 bit unique chip ID);


void GetFlashCapactity(void)
{
    rt_kprintf("
Chip  flash capacity is:%dK

",*(volatile uint16_t *)(0x1FFFF7E0));
}


MSH_CMD_EXPORT(GetFlashCapactity, Get Chip flash capacity);

（左右移动查看全部内容）


这里需要关注宏定义MSH_CMD_EXPORT，我们在Finsh命令行中就可调用我们自定义的命令，如下所示：


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从结果可以看出闪存存储器容量是512K，芯片唯一序列号是：39FFDF054E42323210611451，以上结果是完全符合预期的。



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原文标题：【项目移植】国民技术N32G4FR开发板：RT-Thread Nano移植FinSH

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