Go语言在极小硬件上的运用（第一部分）
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_Go_ 语言，能在多低下的配置上运行并发挥作用呢？

我最近购买了一个特别便宜的开发板：

 [![STM32F030F4P6](https://ziutek.github.io/images/mcu/f030-demo-board/board.jpg)][2] 

我购买它的理由有三个。首先，我（作为程序员）从未接触过STM320系列的开发板。其次， STM32F10x系列使用频率也在降低。STM320系列的MCU很便宜，有更新的外设，对系列产品进行了改进，问题修复也做得更好了。最后，为了这篇文章，我选用了这一系列中最低配置的开发板，整件事情就变得有趣起来了。


### 硬件部分

[STM32F030F4P6][3] 给人留下了很深的印象：

*   CPU: [Cortex M0][1] 48 MHz (最低配置，只有12000个逻辑门电路),

*   RAM: 4 KB,

*   Flash: 16 KB,

*   ADC, SPI, I2C, USART 和几个定时器,

以上这些采用了TSSOP20封装。正如你所见，这是一个很小的32位系统。

### 软件部分

如果你想知道如何在这块开发板上使用 [Go][4] 编程，你需要反复阅读硬件手册。真实情况是：有人在Go 编译器中给Cortex-M0提供支持，可能性很小。而且，这还仅仅只是第一个要解决的问题。

我会使用[Emgo][5]，但别担心，之后你会看到，它如何让Go在如此小的系统上尽可能发挥作用。

在我拿到这块开发板之前，对 [stm32/hal][6] 系列下的F0 MCU 没有任何支持。在简单研究 [参考手册][7]后，我发现 STM32F0系列是STM32F3的一个基础，这让在新端口上开发的工作变得容易了一些。

如果你想接着本文的步骤做下去，需要先安装Emgo 

```
cd $HOME
git clone https://github.com/ziutek/emgo/
cd emgo/egc
go install

```

然后设置一下环境变量

```
export EGCC=path_to_arm_gcc      # eg. /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-gcc
export EGLD=path_to_arm_linker   # eg. /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ld
export EGAR=path_to_arm_archiver # eg. /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ar

export EGROOT=$HOME/emgo/egroot
export EGPATH=$HOME/emgo/egpath

export EGARCH=cortexm0
export EGOS=noos
export EGTARGET=f030x6

```

更详细的说明可以在 [Emgo][8]官网上找到。

要确保 egc 在你的PATH 中。 你可以使用 `go build` 来代替 `go install`,然后把 egc 复制到你的 _$HOME/bin_ 或  _/usr/local/bin_ 中。

现在，为你的第一个Emgo程序创建一个新文件夹，随后把示例中链接器脚本复制过来：

```
mkdir $HOME/firstemgo
cd $HOME/firstemgo
cp $EGPATH/src/stm32/examples/f030-demo-board/blinky/script.ld .

```

### 最基本程序

在 _main.go_ 文件中创建一个最基本的程序：

```
package main

func main() {
}

```

文件编译没有出现任何问题：

```
$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
   7452     172     104    7728    1e30 cortexm0.elf

```

第一次编译可能会花点时间。编译后产生的二进制占用了7624个字节的Flash空间（文本+数据）。对于一个什么都没做的程序来说，占用的空间有些大。还剩下8760字节，可以用来做些有用的事。 

不妨试试传统的 _Hello, World!_  程序：

```
package main

import "fmt"

func main() {
	fmt.Println("Hello, World!")
}

```

不幸的是，这次结果有些糟糕：

```
$ egc
/usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ld: /home/michal/P/go/src/github.com/ziutek/emgo/egpath/src/stm32/examples/f030-demo-board/blog/cortexm0.elf section `.text' will not fit in region `Flash'
/usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ld: region `Flash' overflowed by 10880 bytes
exit status 1

```

 _Hello, World!_   需要 STM32F030x6 上至少32KB的Flash空间.

_fmt_ 包强制包含整个 _strconv_ 和  _reflect_ 包。这三个包，即使在精简版本中的Emgo中，占用空间也很大。我们不能使用这个例子了。有很多的应用不需要好看的文本输出。通常，一个或多个LED，或者七段数码管显示就足够了。不过，在第二部分，我会尝试使用 _strconv_ 包来格式化，并在UART 上显示一些数字和文本。


### 闪烁

我们的开发板上有一个与PA4引脚和 VCC 相连的LED。这次我们的代码稍稍长了一些： 

```
package main

import (
	"delay"

	"stm32/hal/gpio"
	"stm32/hal/system"
	"stm32/hal/system/timer/systick"
)

var led gpio.Pin

func init() {
	system.SetupPLL(8, 1, 48/8)
	systick.Setup(2e6)

	gpio.A.EnableClock(false)
	led = gpio.A.Pin(4)

	cfg := &gpio.Config{Mode: gpio.Out, Driver: gpio.OpenDrain}
	led.Setup(cfg)
}

func main() {
	for {
		led.Clear()
		delay.Millisec(100)
		led.Set()
		delay.Millisec(900)
	}
}

```

按照惯例， _init_ 函数用来初始化和配置外设。 

`system.SetupPLL(8, 1, 48/8)` 用来配置RCC，将外部的8 MHz振荡器的PLL作为系统时钟源。PLL 分频器设置为1，倍频数设置为 48/8 =6，这样系统时钟频率为48MHz.

`systick.Setup(2e6)` 将 Cortex-M SYSTICK 时钟作为系统时钟，每隔 2e6次纳秒运行一次（每秒钟500次）。 

`gpio.A.EnableClock(false)` 开启了 GPIO A 口的时钟。_False_ 意味着这一时钟在低功耗模式下会被禁用，但在STM32F0系列中并未实现这一功能。

`led.Setup(cfg)` 设置 PA4 引脚为开漏输出.

`led.Clear()` 将 PA4引脚设为低, 在开漏设置中，打开LED.

`led.Set()` 将 PA4 设为高电平状态 , 关掉LED.

编译这个代码：
```
$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
   9772     172     168   10112    2780 cortexm0.elf

```

正如你所看到的，闪烁占用了2320 字节，比最基本程序占用空间要大。还有6440字节的剩余空间。

看看代码是否能运行：

```
$ openocd -d0 -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f0x.cfg -c 'init; program cortexm0.elf; reset run; exit'
Open On-Chip Debugger 0.10.0+dev-00319-g8f1f912a (2018-03-07-19:20)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
        http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
debug_level: 0
adapter speed: 1000 kHz
adapter_nsrst_delay: 100
none separate
adapter speed: 950 kHz
target halted due to debug-request, current mode: Thread 
xPSR: 0xc1000000 pc: 0x0800119c msp: 0x20000da0
adapter speed: 4000 kHz
** Programming Started **
auto erase enabled
target halted due to breakpoint, current mode: Thread 
xPSR: 0x61000000 pc: 0x2000003a msp: 0x20000da0
wrote 10240 bytes from file cortexm0.elf in 0.817425s (12.234 KiB/s)
** Programming Finished **
adapter speed: 950 kHz

```

在这篇文章中，这是我第一次，将一个短视频转换成[动画PNG][9]。我对此印象很深，再见了 YouTube. 对于IE用户，我很抱歉，更多信息请看[apngasm][10].我本应该学习 HTML5，但现在，APNG是我最喜欢的，用来播放循环短视频的方法了。 

![STM32F030F4P6](https://ziutek.github.io/images/mcu/f030-demo-board/blinky.png)

### 更多的Go语言编程

如果你不是一个Go 程序员，但你已经听说过一些关于Go 语言的事情，你可能会说：“Go语法很好，但跟C比起来，并没有明显的提升.让我看看 _Go 语言_ 的  _channels_ 和  _goroutines!”


接下来我会一一展示:

```
import (
	"delay"

	"stm32/hal/gpio"
	"stm32/hal/system"
	"stm32/hal/system/timer/systick"
)

var led1, led2 gpio.Pin

func init() {
	system.SetupPLL(8, 1, 48/8)
	systick.Setup(2e6)

	gpio.A.EnableClock(false)
	led1 = gpio.A.Pin(4)
	led2 = gpio.A.Pin(5)

	cfg := &gpio.Config{Mode: gpio.Out, Driver: gpio.OpenDrain}
	led1.Setup(cfg)
	led2.Setup(cfg)
}

func blinky(led gpio.Pin, period int) {
	for {
		led.Clear()
		delay.Millisec(100)
		led.Set()
		delay.Millisec(period - 100)
	}
}

func main() {
	go blinky(led1, 500)
	blinky(led2, 1000)
}

```

代码改动很小: 添加了第二个LED，上一个例子中的 _main_ 函数被重命名为 _blinky_ 并且需要提供两个参数. _Main_ 在新的goroutine 中先调用 _blinky_, 所以两个LED灯在并行使用. 值得一提的是，  _gpio.Pin_  可以同时访问同一GPIO口的不同引脚。 

Emgo 还有很多不足。其中之一就是你需要提前规定goroutines(tasks)的最大执行数量.是时候修改 _script.ld_ 了:

```
ISRStack = 1024;
MainStack = 1024;
TaskStack = 1024;
MaxTasks = 2;

INCLUDE stm32/f030x4
INCLUDE stm32/loadflash
INCLUDE noos-cortexm

```

栈的大小需要靠猜，现在还不用关心这一点。


```
$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  10020     172     172   10364    287c cortexm0.elf

```
另一个LED 和 goroutine 一共占用了248字节的Flash空间.


![STM32F030F4P6](https://ziutek.github.io/images/mcu/f030-demo-board/goroutines.png)

### Channels

Channels 是Go语言中goroutines之间相互通信的一种[推荐方式][11].Emgo 甚至能允许通过 _中断处理_ 来使用缓冲channel. 下一个例子就展示了这种情况.

```
package main

import (
	"delay"
	"rtos"

	"stm32/hal/gpio"
	"stm32/hal/irq"
	"stm32/hal/system"
	"stm32/hal/system/timer/systick"
	"stm32/hal/tim"
)

var (
	leds  [3]gpio.Pin
	timer *tim.Periph
	ch    = make(chan int, 1)
)

func init() {
	system.SetupPLL(8, 1, 48/8)
	systick.Setup(2e6)

	gpio.A.EnableClock(false)
	leds[0] = gpio.A.Pin(4)
	leds[1] = gpio.A.Pin(5)
	leds[2] = gpio.A.Pin(9)

	cfg := &gpio.Config{Mode: gpio.Out, Driver: gpio.OpenDrain}
	for _, led := range leds {
		led.Set()
		led.Setup(cfg)
	}

	timer = tim.TIM3
	pclk := timer.Bus().Clock()
	if pclk < system.AHB.Clock() {
		pclk *= 2
	}
	freq := uint(1e3) // Hz
	timer.EnableClock(true)
	timer.PSC.Store(tim.PSC(pclk/freq - 1))
	timer.ARR.Store(700) // ms
	timer.DIER.Store(tim.UIE)
	timer.CR1.Store(tim.CEN)

	rtos.IRQ(irq.TIM3).Enable()
}

func blinky(led gpio.Pin, period int) {
	for range ch {
		led.Clear()
		delay.Millisec(100)
		led.Set()
		delay.Millisec(period - 100)
	}
}

func main() {
	go blinky(leds[1], 500)
	blinky(leds[2], 500)
}

func timerISR() {
	timer.SR.Store(0)
	leds[0].Set()
	select {
	case ch <- 0:
		// Success
	default:
		leds[0].Clear()
	}
}

//c:__attribute__((section(".ISRs")))
var ISRs = [...]func(){
	irq.TIM3: timerISR,
}

```

与之前例子相比较下的不同:

1. 添加了第三个LED，并连接到 PA9 引脚.（UART头的TXD引脚）

2. 时钟（TIM3）作为中断源.

3. 新函数 _timerISR_  用来处理  _irq.TIM3_ 的中断.

4. 新增容量为1 的缓冲channel 是为了 _timerISR_ 和  _blinky_  goroutines 之间的通信.

5. _ISRs_ 数组作为 _中断向量表_，是 更大的_异常向量表_ 的一部分. 

6.   _blinky中的for语句_  被替换成  _range语句_ .

为了方便起见，所有的LED，或者说他们的引脚，都被放在 _leds_ 这个数组里. 另外， 所有引脚在被配置为输出之前，都设置为一种已知的初始状态（高电平状态）.

在这个例子里，我们想让时钟以1 kHz的频率运行。为了配置预分频器，我们需要知道它的输入时钟频率。通过参考手册我们知道，输入时钟频率在APBCLK = AHBCLK时,与APBCLK 相同，反之等于2倍的APBCLK。

如果CNT寄存器增加 1kHz,那么ARR寄存器的值等于 _更新事件_ （重载事件）在毫秒中的计数周期。 为了让更新事件产生中断，必须要设置DIER 寄存器中的UIE位。CEN位能启动时钟。 

时钟外设在低功耗模式下必须启用，为了自身能在CPU处于休眠时保持运行: `timer.EnableClock(true)`。这在STM32F0中无关紧要，但对代码可移植性却十分重要。

_timerISR_ 函数处理 _irq.TIM3_ 的中断请求。  `timer.SR.Store(0)` 会清除SR寄存器里的所有事件标志，无效化向[NVIC][12]发出的所有中断请求。凭借经验，由于中断请求无效的延时性，需要在程序一开始马上清除所有的中断标志。这避免了无意间再次调用处理。为了确保万无一失，需要先清除标志，再读取，但是在我们的例子中，清除标志就已经足够了。

下面的这几行代码：

```
select {
case ch <- 0:
	// Success
default:
	leds[0].Clear()
}

```

是Go语言中，如何在channel 上非阻塞地发送消息的方法。 中断处理程序无法一直等待channel 中的空余空间。如果channel已满，则执行default,开发板上的LED就会开启，直到下一次中断。

_ISRs_ 数组包含了中断向量表。 `//c:__attribute__((section(".ISRs")))` 会导致链接器将数组插入到 .ISRs section 中。

_blinky’s for_  循环的新写法：

```
for range ch {
	led.Clear()
	delay.Millisec(100)
	led.Set()
	delay.Millisec(period - 100)
}

```

等价于:

```
for {
	_, ok := <-ch
	if !ok {
		break // Channel closed.
	}
	led.Clear()
	delay.Millisec(100)
	led.Set()
	delay.Millisec(period - 100)
}

```

注意，在这个例子中，我们不在意channel中收到的值，我们只对其接受到的消息感兴趣。我们可以在声明时，将channel元素类型中的 _int_ 用空结构体来代替，发送消息时， 用`struct{}{}` 结构体的值代替0，但这部分对新手来说可能会有些陌生。 

让我们来编译一下代码:

```
$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  11096     228     188   11512    2cf8 cortexm0.elf

```

新的例子占用了11324字节的Flash 空间，比上一个例子多占用了1132字节。

采用现在的时序，两个 _blinky_ goroutines 从channel 中获取数据的速度，比 _timerISR_ 发送数据的速度要快。所以它们在同时等待新数据，你还能观察到 _select_ 的随机性，这也是[Go 规范][13]所要求的.

![STM32F030F4P6](https://ziutek.github.io/images/mcu/f030-demo-board/channels1.png)

开发板上的LED一直没有亮起，说明channel 从未出现过溢出。

我们可以加快消息发送的速度，将 `timer.ARR.Store(700)` 改为 `timer.ARR.Store(200)`。 现在 _timerISR_ 每秒钟发送5条消息，但是两个接收者加起来，每秒也只能接受4条消息。


![STM32F030F4P6](https://ziutek.github.io/images/mcu/f030-demo-board/channels2.png)

正如你所看到的， _timerISR_ 开启黄色LED灯，意味着 channel 上已经没有剩余空间了。

第一部分到这里就结束了。你应该知道，这一部分并未展示Go中最重要的部分， _接口_.

Goroutine 和channel 只是一些方便好用的语法。你可以用自己的代码来替换它们，这并不容易，但也可以实现。 接口是Go 语言的基础。这是文章中 [第二部分][14]所要提到的. 

在Flash上我们还有些剩余空间.

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via: https://ziutek.github.io/2018/03/30/go_on_very_small_hardware.html

作者：[ Michał Derkacz][a]
译者：[译者ID](https://github.com/译者ID)
校对：[校对者ID](https://github.com/校对者ID)

本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出

[a]:https://ziutek.github.io/
[1]:https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_Cortex-M#Cortex-M0
[2]:https://ziutek.github.io/2018/03/30/go_on_very_small_hardware.html
[3]:http://www.st.com/content/st_com/en/products/microcontrollers/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32-mainstream-mcus/stm32f0-series/stm32f0x0-value-line/stm32f030f4.html
[4]:https://golang.org/
[5]:https://github.com/ziutek/emgo
[6]:https://github.com/ziutek/emgo/tree/master/egpath/src/stm32/hal
[7]:http://www.st.com/resource/en/reference_manual/dm00091010.pdf
[8]:https://github.com/ziutek/emgo
[9]:https://en.wikipedia.org/wiki/APNG
[10]:http://apngasm.sourceforge.net/
[11]:https://blog.golang.org/share-memory-by-communicating
[12]:http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0432c/Cihbecee.html
[13]:https://golang.org/ref/spec#Select_statements
[14]:https://ziutek.github.io/2018/04/14/go_on_very_small_hardware2.html