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2019-09-23 20:14:25 +08:00

16 KiB

Raw Blame History

Go语言在极小硬件上的运用（第一部分）

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：

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 给人留下了很深的印象：

CPU: Cortex M0 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 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，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 系列下的F0 MCU 没有任何支持。在简单研究参考手册后，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。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.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。

Channels

Channels 是Go语言中goroutines之间相互通信的一种推荐方式.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:

添加了第三个LED，并连接到 PA9 引脚.（UART头的TXD引脚）
时钟（TIM3）作为中断源.
新函数 timerISR 用来处理 irq.TIM3 的中断.
新增容量为1 的缓冲channel 是为了 timerISR 和 blinky goroutines 之间的通信.
ISRs 数组作为 中断向量表，是更大的_异常向量表_ 的一部分.
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 规范所要求的.

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。

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所要提到的.

在Flash上我们还有些剩余空间.

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

作者： Michał Derkacz 译者：译者ID 校对：校对者ID

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