带有RT-Thread的Arduino应用程序

描述

介绍

本文中的“app”是指预编译的二进制文件，无需使用 Arduino IDE，即可直接在 Arduino 板卡上运行。

并且因为它是一个文件，“应用程序”可以通过 SD 卡、以太网、WiFi 或任何合适的方法分发。

标题图显示了执行 Arduino 应用程序RTT-QRCode的 MKR ZERO 板。

你有兴趣吗？

（本文基于Arduino RT-Thread库v0.6.0。）

动态模块

在 RT-Thread 架构中，“app”被称为动态模块，构建为动态共享库，扩展名为“ .mo”或“ .so”。（什么是 RT-Thread？=> Arduino 上的多任务处理）

RT-Thread 提供 API 来访问动态模块。更有趣的是，MSH（一个微型外壳）能够.mo直接执行“”文件（详细信息在以下部分中）。

RT-Thread 的原始动态链接器似乎不适用于 ARM Cortex-M。所以我修改了 Arduino RT-Thread 库的代码。

多发性硬化症

Module SHell (MSH) 是默认启用的一项新功能（从 v0.5.1 开始），它构建在 FinSH 之上。（什么是 FinSH？=> Arduino 上的多任务处理）

由于 Arduino 应用程序是由 MSH 执行的，让我们简单介绍一下。

相比 FinSH，MSH 更符合 Unix shell 的使用习惯：

• 在 FinSH 中发出命令

led(0, 1)
copy("datalog.txt", "copy.txt")

• 在 MSH 中发出命令

led 0 1
cp datalog.txt copy.txt

但是，MSH 不支持像 FinSH 提供的那样的 shell 变量。

另一个限制是用户定义的 MSH 命令的原型是固定的：

int my_msh_cmd(int argc, char **argv)

MSH 执行用户命令时，参数argc为参数个数加一，参数列表argv为参数列表（firstentryiscommandname）。您可能已经猜到了，所有参数只能是char数组类型。

以下是 MSH 命令格式的“led”示例。

int led(int argc, char **argv) {
  // argc - the number of arguments
  // argv[0] - command name, e.g. "led"
  // argv[n] - nth argument in the type of char array
  
  rt_uint32_t id;
  rt_uint32_t state;
  
  if (argc != 3) {
    rt_kprintf("Usage: led \n");
    return 1;
  }
  rt_kprintf("led%s=%s\n", argv[1], argv[2]);
  
  // convert arguments to their specific types
  sscanf(argv[1], "%u", &id);
  sscanf(argv[2], "%u", &state);
  if (id != 0) {
    rt_kprintf("Error: Invalid led ID\n");
    return 1;
  }
  
  if (state) {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  }
  
  return 0;
}

制作 Arduino 应用程序

首先，CONFIG_USING_MODULE在“rtconfig.h”中启用，因为默认情况下它是禁用的。

构建可执行文件

让我们在 Arduino IDE 中打开“HelloMo”示例，然后按“验证”。（该示例也可以在下面的“代码”部分中找到。）代码现在被构建到一个包含草图和库的单个可执行文件中。我们可以使用 GCC 工具readelf（Arduino IDE 提供）来验证。

{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-readelf -h {path_to_output}\HelloMo.ino.elf
ELF Header:
 Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
 Class:                             ELF32
 Data:                              2's complement, little endian
 Version:                           1 (current)
 OS/ABI:                            UNIX - System V
 ABI Version:                       0
 Type:                              EXEC (Executable file)
 Machine:                           ARM
 Version:                           0x1
 Entry point address:               0xf7fd
 Start of program headers:          52 (bytes into file)
 Start of section headers:          798052 (bytes into file)
 Flags:                             0x5000002, has entry point, Version5 EABI
 Size of this header:               52 (bytes)
 Size of program headers:           32 (bytes)
 Number of program headers:         2
 Size of section headers:           40 (bytes)
 Number of section headers:         18
 Section header string table index: 15

如果您不确定 GCC 工具和编译输出的位置，请在 File-> Preferences 中启用以下选项。

再次单击“验证”，您将在输出窗口中观察到信息：

...
Compiling sketch...
"C:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Arduino15\\packages\\arduino\\tools\\arm-none-eabi-gcc\\4.8.3-2014q1/bin/arm-none-eabi-gcc" -mcpu=cortex-m0plus -mthumb -c -g -Os -Wall -Wextra -std=gnu11 -ffunction-sections -fdata-sections -nostdlib --param max-inline-insns-single=500 -MMD -DF_CPU=48000000L -DARDUINO=10809 -DARDUINO_SAMD_MKRZERO -DARDUINO_ARCH_SAMD -DUSE_ARDUINO_MKR_PIN_LAYOUT -D__SAMD21G18A__ -DUSB_VID=0x2341 -DUSB_PID=0x804f -DUSBCON "-DUSB_MANUFACTURER=\"Arduino LLC\"" "-DUSB_PRODUCT=\"Arduino MKRZero\"" "-IC:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Arduino15\\packages\\arduino\\tools\\CMSIS\\4.5.0/CMSIS/Include/" "-IC:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Arduino15\\packages\\arduino\\tools\\CMSIS-Atmel\\1.1.0/CMSIS/Device/ATMEL/" "-IC:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Arduino15\\packages\\arduino\\hardware\\samd\\1.6.21\\cores\\arduino" "-IC:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Arduino15\\packages\\arduino\\hardware\\samd\\1.6.21\\variants\\mkrzero" "-IC:\\Users\\onelife\\Documents\\Arduino\\libraries\\RT-Thread\\src" "-IC:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Arduino15\\packages\\arduino\\hardware\\samd\\1.6.21\\libraries\\SPI" "C:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Temp\\arduino_build_508434\\sketch\\hello_mo.c" -o "C:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Temp\\arduino_build_508434\\sketch\\hello_mo.c.o"
...

就我而言，GCC 工具位于“ C:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Arduino15\\packages\\arduino\\tools\\arm-none-eabi-gcc\\4.8.3-2014q1/bin/”，编译输出位于“ C:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Temp\\arduino_build_508434\\”。

构建应用程序（动态共享库）

但是，我们要构建的目标“应用程序”是一种共享库。它必须与位置无关，因此可以加载到任何 RAM 地址中。为了让它更小（因为我们的 RAM 大小是有限的），最终的二进制文件将不包含其他库的任何功能。（所有外部功能都应由固件端提供。）

坏消息是 Arduino IDE 不提供这些选项。好消息是 Arduino IDE 确实提供了我们需要的所有工具。我们开始做吧。

第一步是编译。

我们必须将选项“ -mlong-calls -fPIC”添加到原始编译命令中（在输出窗口中查找“正在编译草图...”）。

{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-gcc -mlong-calls -fPIC ... {path_to_output}\sketch\hello_mo.c -o {path_to_output}\sketch\hello_mo.c.o
  
{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-gcc -mlong-calls -fPIC ... {path_to_output}\sketch\load_mo.c -o {path_to_output}\sketch\load_mo.c.o

第二步是链接。

在这一步中，我们选择将目标文件构建为“ app ”（带有入口点的“.mo”文件）或将其构建为库（不带入口点的“.so”文件）。在以下示例中，我们将“ load_mo.c.o”构建为“app”，并将“ hello_mo.c.o”构建为库。

我们通过以下方式修改链接命令（寻找“将所有内容链接在一起......”）

• 只保留目标目标文件，例如“ load_mo.c.o”，并删除其他
• 删除选项“ -Wl,--unresolved-symbols=report-all”
• 删除选项“ -L{path_to_output}”
• 删除选项“ -T.../flash_with_bootloader.ld”
• 删除选项“ -Wl,--start-group ... -Wl,--end-group”
• 添加选项“ -shared -fPIC -nostdlib -Wl,-marmelf -Wl,-z,max-page-size=0x4”
• 添加入口点选项（例如“ -Wl,-eload_hello”或“ -Wl,-e0”表示无）

{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-g++ -shared -fPIC -nostdlib -Wl,-e0 -Wl,-marmelf -Wl,-z,max-page-size=0x4 ... -o {path_to_output}\hello_mo.elf {path_to_output}\hello_mo.c.o
  
{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-g++ -shared -fPIC -nostdlib -Wl,-eload_hello -Wl,-marmelf -Wl,-z,max-page-size=0x4 ... -o {path_to_output}\load_mo.elf {path_to_output}\load_mo.c.o

第三步是分条。

为了进一步减小文件大小，我们必须去掉 ELF 文件中不必要的部分。

{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-strip -R .hash -R .comment -R .ARM.attributes {path_to_output}\hello_mo.elf -o {path_to_output}\hello.so
  
{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-strip -R .hash -R .comment -R .ARM.attributes {path_to_output}\load_mo.elf -o {path_to_output}\load.mo

第四步是检查大小（可选）。

{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-size {path_to_output}\hello.so
  
{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-size {path_to_output}\load.mo

恭喜！您刚刚构建了一个 Arduino 应用程序。让我们检查一下输出。

{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-readelf -h {path_to_output}\hello.so
ELF Header:
 Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
 Class:                             ELF32
 Data:                              2's complement, little endian
 Version:                           1 (current)
 OS/ABI:                            UNIX - System V
 ABI Version:                       0
 Type:                              DYN (Shared object file)
 Machine:                           ARM
 Version:                           0x1
 Entry point address:               0x0
 Start of program headers:          52 (bytes into file)
 Start of section headers:          896 (bytes into file)
 Flags:                             0x5000000, Version5 EABI
 Size of this header:               52 (bytes)
 Size of program headers:           32 (bytes)
 Number of program headers:         3
 Size of section headers:           40 (bytes)
 Number of section headers:         9
 Section header string table index: 8
  
{path_to_gcc_tools}\arm-none-eabi-readelf -h {path_to_output}\load.mo
ELF Header:
 Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
 Class:                             ELF32
 Data:                              2's complement, little endian
 Version:                           1 (current)
 OS/ABI:                            UNIX - System V
 ABI Version:                       0
 Type:                              DYN (Shared object file)
 Machine:                           ARM
 Version:                           0x1
 Entry point address:               0x285
 Start of program headers:          52 (bytes into file)
 Start of section headers:          1060 (bytes into file)
 Flags:                             0x5000002, has entry point, Version5 EABI
 Size of this header:               52 (bytes)
 Size of program headers:           32 (bytes)
 Number of program headers:         3
 Size of section headers:           40 (bytes)
 Number of section headers:         9
 Section header string table index: 8

它表明“ .so”和“ .mo”文件都是“ DYN”（动态）类型。不同之处在于“ .so”文件没有入口点，而“ .mo”文件有。

我们还没有完成。

最后一步是公开应用程序所需的功能。

在文件“ ”中，如果启用mo_sym.h，所有内核 API 都已经公开。CONFIG_USING_MODULE如有必要，您可以添加自己的。

发出 MSH 命令“ lsym”将列出所有暴露的符号：

运行 Arduino 应用程序

hello.so让我们将“ ”和“ ”复制load.mo到具有以下文件结构的SD卡。

SD_ROOT/
├── lib/
│   └── hello.so
└── mo/
    └── load.mo

规则是，如果我们将相对路径传递给dlopen()或 MSH，它将分别在和中查找“ .so”和“ ” 。.mo/lib//mo/

现在我们将卡插入 Arduino 板，在本例中为 MRKZERO ，上传“HelloMo”草图（草图什么都不做），然后发出命令“ load”。

为了显示有关应用程序执行过程的更多详细信息，我们可以在“ dlmodule.c”中启用调试消息：

#define LOG_LVL LOG_LVL_DBG

结果揭示了以下过程：

• MSH 线程 ("tshell") 将 " load.mo" 加载到 RAM 并创建一个新线程 ("load") 以执行入口点函数 " load_hello()"
• “ load_hello()”然后加载“ hello.so”，调用它的“ module_init()”函数，调用它的“ say_hello()”函数（不是入口点）
• 在 " say_hello()" 返回后， " load_hello()" 关闭 " hello.so" (调用它的 " module_cleanup()" 函数然后销毁它的 RAM 副本)
• “加载”线程标记以销毁“”的RAM副本，load.mo然后退出
• " " 的 RAM 副本load.mo最终被空闲线程 ("tidle0") 销毁

" module_init()" 和 " module_cleanup()" 是特殊函数。如果定义，前者.mo在将应用程序加载到 RAM 后由 MSH 线程（在“”文件的情况下）调用，后者.mo在销毁 RAM 副本之前由空闲线程（在“”文件的情况下）调用。

让我们将“hello_mo.c”重建为一个应用程序（入口点是“ say_hello()”，例如-Wl,-esay_hello）并执行。

结果清楚地表明“ module_init()”被MSH线程（“tshell”）module_cleanup()调用，“ ”被空闲线程（“tidle0”）调用。顺便说一句，传递给这两个函数的参数是指向模块描述符的指针。

优点缺点

优点

（我们感兴趣的是）Arduino 应用程序可以构建一次并在许多板上运行。根据 Wiki ，“可用于 Cortex-M0 / Cortex-M0+ / Cortex-M1 的二进制指令无需修改即可在 Cortex-M3 / Cortex-M4 / Cortex-M7 上执行。可用于 Cortex-M3 的二进制指令无需修改即可执行在 Cortex-M4 / Cortex-M7 / Cortex-M33 / Cortex-M35P 上进行修改。”

因此，为 MKR Zero 板（SAMD 架构）构建的应用程序应该在 Arduino Due（SAM 架构）上运行而不会出现问题。

此功能可以实现远程添加或更新功能而无需重新启动（与 OTA 固件更新相比）等。

缺点

与 MSH 命令相比，Arduino 应用程序需要更多 RAM。另一个主要缺点是在固件方面，应用程序所需的所有外部功能都必须在那里待机（尽管固件可能不会使用它们）并暴露（在“ mo_sym.h”中）。

动态模块状态

Arduino RT-Thread 库 v0.6.0 中的功能仍处于 beta 阶段。

在原始代码（RT-Thread 项目）中，除了DYNELF 文件的类型，动态链接器还支持REL类型。但是，经过一些测试，我发现至少对于 ARM Cortex-M 架构，只有“ .o”（对象）文件类型为REL. 所以目前RELArduino RT-Thread 库不支持 ELF 文件类型。

此外，仅测试了两种重新分配类型：

• R_ARM_JUMP_SLOT
• R_ARM_RELATIVE

我需要一些代码来测试其他类型。因此，如果您遇到其他类型的错误，请帮助提出问题。

最后，并非所有“libgcc”函数都默认公开。例如，开关助手功能没有公开。您可以将它们添加到“ mo_sym.h”或在您的应用程序中将“ switch...case...”替换为“ ” 。if...else...

RTT-QRCode 应用程序

有一个更复杂的示例RTT-QRCode ，可以构建为 MSH 命令或 Arduino 应用程序。请查看代码并玩得开心！

下一步

• Arduino上的多任务处理
• 带有 RT-Thread 的更好的 SD 库
• RT-Thread Primer（即将推出）