【沁恒微CH32V307评估板试用体验】移植Arduino到CH32V307开发板【1】

开发板

本帖最后由 mars4zhu2012 于 2022-7-18 00:39 编辑

1 总述
Arduino以其便捷的开发环境，简单的API、丰富的硬件扩展和软件库生态，已成为一种流行的嵌入式行业的入门开发标准，许多芯片/硬件开发板都在硬件接口兼容Arduino标准接口，甚至提供arduino软件开发的插件、软件代码库、技术文档等资源。
本文通过记录移植Arduino到第三方硬件（以CH32V307开发板为例）的过程，探讨了对Arduino开发板支持包的目录结构，Arduino内核API实现等技术。
2 Arduino的构造原理与运行机制
Arduino最初是提供给非电子技术专业如艺术设计、人机交互接口进行开发。通过隐藏硬件底层的各种寄存器操作细节，只提供上层的简单的API，并使用一个比较简单的IDE，可以一键完成完成编译和上传（硬件开发流程中一般称之为下载）到硬件电路开发板、运行的功能。其界面结构如下：

图 21 Arduino IDE的界面
2.1 Arduino的API规范
提供的Arduino-API实则是基于C++，最终仅仅是在Arduino的Sketch代码上进行一点点小改动之后调用C/C++编译器进行编译连接从而生成可执行代码。为了兼容甚至直接使用Arduino的软件生态、代码库等，板卡支持包应该提供这些API的移植层，从而无缝链接到Arduino代码中。
在https://www.arduino.cc/reference页面提供了Arduino的所有核心API以及各种常量、结构体的定义和一些常用的C/C++语句结构的说明文档。

图 22 Arduino的核心API等说明文档
2.2 Arduino的第三方硬件定义规范
https://arduino.github.io/arduino-cli/latest/platform-specification/ 页面进行了详细说明。Arduino IDE在1.5版本之后推出了全新的硬件定义规范。通过规定目录结构、硬件信息文件格式、IDE内建运行机制等，确保按照该规范移植的硬件开发板支持包可以利用Arduino IDE进行开发，并满足各类软件扩展库等方面的调用。
2.3 Arduino的运行机制
https://arduino.github.io/arduino-cli/latest/sketch-build-process/ 页面详细描述了Arduino的运行机制，包括预处理、编译、上传的各个方面。
Arduino通过IDE进行编辑草稿文件（Sketch）后，首先通过预处理，将.ino后缀的草稿文件（Sketch）改为cpp后缀文件，在cpp文件最前面添加#include “Arduino.h”，然后提取sketch中的函数说明并添加到#include “Arduino.h”之后。IDE各个标签页（tab）中不是ino后缀的所有文件则保持原样。
然后将这些生成的cpp文件以及保持原样的非ino文件统一通过选定的开发板平台信息文件platform.txt中定义的编译方式，调用编译器进行编译，一起编译的还有选定的板载信息文件boards.txt中定义的核心API文件（core）和开发板特定的差异化文件（variant）中的文件。最后连接成可执行文件。
最后调用platform.txt中定义的上传方式调用命令行上传文件上传到开发板并运行。
3 Arduino移植过程
根据https://arduino.github.io/arduino-cli/latest/platform-specification/ 的规范信息，需要逐步完成硬件信息文件platform.txt/boards.txt/programmer.txt/keywords.txt等重要的信息文件，并移植Arduino core到对应的开发板API，使得Arduino IDE能够识别安装的第三方硬件开发板支持包，然后通过运行前述的运行机制，完成所有的预处理、编译、上传、运行工作。
为了在Arduino IDE软件的控制台输出看到更多有关编译、链接、上传等信息，需要在File->Preference的show verbose output when勾选compilation和upload，
3.1 建立目录结构
为了使Arduino IDE能够识别移植的硬件开发板支持包，需要在特定位置（用户目录（Windows 7下为{USER_DIR}AppDataLocalArduino15packages{PACKAGE_NAME}hardware）或者安装目录{ARDUINO_DIR}hardware），然后根据规范建立对应的目录结构。即双层目录结构，第一层为厂商/维护者特定的名称目录，该目录下为第二层，即支持的硬件架构所在的目录。
出于方便起见，这里选择为 arduino-1.8.9hardwarewchriscv目录。同时arch_test目录下还需要cores（Arduino的核心API在该架构下的实现）和variants（该架构下多种不同的开发板差异化文件）目录。同时arch_test下必须具备platform.txt和boards.txt，而programmer.txt和keywords.txt则是可选。从最简单的出发，我们选择最少的platform.txt和boards.txt。建立的文件和目录结构如下。

图 31 Arduino 第三方硬件test的支持包目录结构
3.2 创建最基本的硬件信息文件
最基本的硬件信息文件是platform.txt和boards.txt，根据第三方硬件定义规范，提供一下基本信息：
Platform.txt:
name=CH32V307EVT
version=1.0.0
Boards.txt:
test_board_1.name = test board 1
test_board_2.name = test board 2, Advanced
然后打开Arduino IDE软件，在Tools目录下的Board栏就能看到如下图的界面。

图 32 CH32V307EVT的Arduino选择Board界面
此时如果点击Verify，则会出现如下输出信息：
D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19arduino-builder -dump-prefs -logger=machine -hardware D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19hardware -hardware D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19portablepackages -tools D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19tools-builder -tools D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19hardwaretoolsavr -tools D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19portablepackages -built-in-libraries D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19libraries -libraries D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19portablesketchbooklibraries -fqbn=wch:riscv:test_board_2 -ide-version=10819 -build-path E:myAppsoftware_dataarduinobuild_output -warnings=all -build-cache C:UsersJamesZhuAppDataLocalTempFreeCommanderPortableTemparduino_cache_47583 -prefs=build.warn_data_percentage=75 -verbose E:myApps_BackupMCUWCHmyAppArduinosketchbooksketch_jun27asketch_jun27a.ino
D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19arduino-builder -compile -logger=machine -hardware D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19hardware -hardware D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19portablepackages -tools D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19tools-builder -tools D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19hardwaretoolsavr -tools D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19portablepackages -built-in-libraries D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19libraries -libraries D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19portablesketchbooklibraries -fqbn=wch:riscv:test_board_2 -ide-version=10819 -build-path E:myAppsoftware_dataarduinobuild_output -warnings=all -build-cache C:UsersJamesZhuAppDataLocalTempFreeCommanderPortableTemparduino_cache_47583 -prefs=build.warn_data_percentage=75 -verbose E:myApps_BackupMCUWCHmyAppArduinosketchbooksketch_jun27asketch_jun27a.ino
Using board 'test_board_2' from platform in folder: D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19hardwarewchriscv
Using core 'arduino' from platform in folder: D:DevToolsarduinoarduino-1.8.19hardwarewchriscv
Warning: Board wch:riscv:test_board_1 doesn't define a 'build.board' preference. Auto-set to: RISCV_TEST_BOARD_1
Warning: Board wch:riscv:test_board_2 doesn't define a 'build.board' preference. Auto-set to: RISCV_TEST_BOARD_2
Detecting libraries used...
recipe.preproc.macros pattern is missing
Error compiling for board test board 2, Advanced.
很明显由于未提供更多用于编译、链接的信息，会出现各项错误，最开始出现的错误就是recipe.preproc.macros pattern is missing，即缺失编译器预处理宏的定义。
此时在输出信息中可以看到arduino IDE的创建过程。
1、首先调用两次D:softwarearduino-1.8.2arduino-builder，并提供一系列参数，第一次为-dump-prefs，第二次为-compile，对当前的Sketch文件（BareMinimum.ino）进行处理，参看arduino-builder的文档（https://github.com/arduino/arduino-builder）可知，-dump-prefs为打印出创建首选项，-compile用于运行实际的编译器，而且后续的信息显示成功调用了gcc编译器。从windows命令行调用这两个命令，也可在Arduino IDE之外完成所有的预处理和编译过程，因此Arduino的核心处理程序实际是arduino-builder。
2、此时在“创建目录”（-build-path）（本文中为C:UsersJamesZhuAppDataLocalTempFreeCommanderPortableTempuntitled1815123560.tmpsketch_jul17a，以下由于需要多次测试关闭再打开Arduino软件运行，每次运行创建目录后面的数字均不同，因此在Arduino软件的preference.txt中设定编译构建的输出目录为固定目录。
build.path=E:myAppsoftware_dataarduinobuild_output
build.verbose=true
build.warn_data_percentage=75

图 33  Arduino的编译构建输出目录
打开该cpp文件，可以看到在原有的sketch.ino代码前面，添加了几行。

#include
#line 1 "E:\myApps_Backup\MCU\WCH\myApp\Arduino\sketchbook\sketch_jun27a\sketch_jun27a.ino"
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  static int i = 0;
  static int sum = 0;
  for(i = 0; i < 100; i++) {
sum += i;
  }
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

}

3、首先添加#include ，然后添加了C/C++的#line编译宏，将编译过程中的预定义宏__LINE__和__FILE__修改为.ino文件，这样在调试输出的时候就能定位到.ino文件中的位置，而不是与处理之后生成的.cpp文件中的位置。
4、最后调用编译器进行编译、连接等。
我们下一步的目的就是调用编译器完成cpp文件的编译。

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