開源平臺(tái)Arduino硬件生態(tài)擴(kuò)充研究

熊 慧， 邱博文， 劉近貞

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300387)

0 引 言

Arduino自2005年由David Cuartielles和Massimo Banzi等人創(chuàng)建以來在開源社區(qū)就具有很大的影響力，其豐富的開源庫以及硬件開源模板為實(shí)驗(yàn)教學(xué)及電子愛好者們學(xué)習(xí)、開發(fā)提供了極大的幫助。Arduino作為典型的開源電子原型平臺(tái)由軟件Arduino集成開發(fā)環(huán)境 (Integrated Development Environment, IDE)和硬件Arduino板兩部分組成[1-4]。

Arduino IDE是以Pocessing多媒體編程環(huán)境為基礎(chǔ)建立起來的，其由Java語言編寫而成，并具有很強(qiáng)的跨平臺(tái)性。其類似Java，C語言的開發(fā)環(huán)境和簡(jiǎn)潔，友好的編程界面非常適合初學(xué)者學(xué)習(xí)。目前大部分的Arduino板使用的是傳統(tǒng)的8位AVR單片機(jī)作為微控制器[5-7]，雖然降低了Arduino板的成本但這在一定程度上也限制了Arduino的發(fā)展。

伴隨著未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)及電子設(shè)計(jì)的復(fù)雜化，智能化[8]，勢(shì)必會(huì)需要使用更高性能的Arduino板。本文以32位微控制器LPC5411x為例，通過新建文件系統(tǒng)，Arduino庫開發(fā)和配置文檔說明介紹了把其移植入Arduino平臺(tái)的過程，并通過具體例程驗(yàn)證了本文方法的正確性。

1 硬件平臺(tái)概述

本文所使用的硬件平臺(tái)以32位LPC5411x作為微控制器，它以Cortex-M4為主核，以Cortex-M0+內(nèi)核為協(xié)處理器。LPC5411x雙核運(yùn)行頻率都可達(dá)到100 MHz，且具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，高速數(shù)字信號(hào)處理等功能。它主要被用于物聯(lián)網(wǎng)，智能傳感等領(lǐng)域。

使用的開發(fā)板型號(hào)為LPC54114-Lite，其具有Arduino板型架構(gòu)，板載調(diào)試器和常用的外設(shè)擴(kuò)展，通過該開發(fā)板可以非常方便地進(jìn)行移植效果的評(píng)估。

2 Arduino整體架構(gòu)

針對(duì)所移植的微控制器可以把Arduino整體架構(gòu)進(jìn)行分層處理，根據(jù)LPC5411x的具體特性來進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的分層和描述。

在LPC5411x 硬件和軟件開發(fā)包(Software Development Kit，SDK)的基礎(chǔ)上，如圖1所示可把Arduino整體架構(gòu)分為5層，分別是硬件層，CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard)層，SDK層，Arduino庫層和應(yīng)用層。每一層為上層提供統(tǒng)一的接口服務(wù)，以屏蔽各層之間的差異性，保證本層及以下層發(fā)生變化不會(huì)影響到上層，通過這種分層結(jié)構(gòu)可極大地降低系統(tǒng)學(xué)習(xí)難度和移植的復(fù)雜度。

圖1 Arduino系統(tǒng)架構(gòu)圖

各層所包含的內(nèi)容及具體職責(zé)如下:

(1) 硬件層主要是指由Cortex-M內(nèi)核和一些外設(shè)組成的微控制器硬件平臺(tái)。

(2) CMSIS層也稱為硬件抽象層，是Cortex-M微控制器的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的目的是為芯片廠商和中間件供應(yīng)商提供連續(xù)的、簡(jiǎn)單的處理器軟件接口，保證內(nèi)核層次上的一致性，簡(jiǎn)化軟件復(fù)用，降低系統(tǒng)移植時(shí)間，提高開發(fā)效率[9-10]。

(3) SDK層是微控制器供應(yīng)商為方便開發(fā)者使用所提供的軟件開發(fā)包，該層可以讓開發(fā)者靈活配置外設(shè)，而且提供了許多例程供開發(fā)者參考。除此之外有些供應(yīng)商還提供已經(jīng)移植好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)讓用戶更方便地開發(fā)出實(shí)時(shí)性較好的應(yīng)用。

(4) Arduino庫是對(duì)SDK的二次封裝，早期的庫是由C語言編寫而成，后期引入了C++語言來進(jìn)行面向?qū)ο蟮木幊蘙11]。Arduino庫為用戶提供了簡(jiǎn)單易懂的編程接口，用戶只需掌握對(duì)庫函數(shù)的使用，便可以簡(jiǎn)單高效地開發(fā)出所需要的應(yīng)用程序。

(5) 應(yīng)用層由類似于C和C++的wirting語言編寫而成，編寫的源碼被稱為Sketch。用戶可以方便地在Arduino IDE上找到許多應(yīng)用示例進(jìn)行參考，而且開源社區(qū)和官方網(wǎng)址也提供了大量的源代碼支持[12]。

由Arduino的整體架構(gòu)可知，Arduino庫是通過SDK層實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的支持，所以必須針對(duì)LPC5411x的SDK接口函數(shù)來重新編寫Arduino庫。

3 移植流程

Arduino IDE通過底層的配置文檔來識(shí)別每個(gè)板子的庫文件，及其編譯和下載方式。本章節(jié)將對(duì)如何添加LPC54114-Lite的文件目錄，如何開發(fā)Arduino庫及如何編寫配置文檔進(jìn)行說明。

3.1 文件系統(tǒng)移植

3.1.1 hardware文件目錄介紹

Arduino IDE (版本 1.5.5)安裝目錄下面存放著所有基本編程所需要的文件和工具。與硬件平臺(tái)緊密相關(guān)的庫文件，編譯下載工具分別存放在hardware/arduino和hardware/tools目錄下。

在hardware/arduino目錄下面存放著不同系例微控制器的子目錄，目前主要有avr和sam兩個(gè)系列。兩個(gè)系列的目錄下都包含了各自微控制器平臺(tái)的配置文檔以及針對(duì)本系列微控制器編寫的庫文件。其中cores文件夾包含了所需要的庫文件，variants文件夾包含了與開發(fā)板比較相關(guān)的聲明文件。boards.txt和platform.txt是兩個(gè)比較重要的配置文檔，將在下文中進(jìn)行說明。

在hardware/tools目錄下面存放著需要使用的編譯器及下載工具，本文使用的編譯器具體版本為“g++_arm_none_eabi_2014q3”。所使用的在線編程(In System Programmability，ISP)工具是Flash Magic中的命令行工具“FM.EXE”。

3.1.2 添加文件目錄

首先需要在hardware/arduino目錄下新建一個(gè)以移植目標(biāo)板所屬系列名命名的文件夾。根據(jù)本文所移植的目標(biāo)板，此文件夾命名為“LPC”。

在新建好的文件夾下面新建“cores”“l(fā)ibraries”“system”“variants”4個(gè)文件夾，再新建“boards”“platform”兩個(gè)文本文檔。

3.2 Arduino庫開發(fā)

3.2.1 開發(fā)環(huán)境搭建

考慮到編寫庫文件的便利性及可調(diào)試性，本文采用Keil MDK作為開發(fā)調(diào)試平臺(tái)，庫文件經(jīng)過編寫調(diào)試成功后再移植到Arduino IDE相應(yīng)的目錄下。同時(shí)也要清楚的認(rèn)識(shí)到Keil MDK所使用的編譯器Armcc與ARM-GCC的差異性，以防在Arduino IDE下編譯時(shí)出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤[13-14]。

在Keil MDK上新建一個(gè)LPC54114工程，并參考上文中提到的目錄結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程目錄的搭建，也可以在SDK中找到相應(yīng)的CMSIS文件和庫文件進(jìn)行初始化的搭建。

3.2.2 庫文件的編寫

進(jìn)行庫文件的編寫時(shí)，先把Arduino IDE中avr系列的main.cpp和Arduino.h文件添加到已創(chuàng)建的工程目錄下。除此之外還必須新建一個(gè)名為loop.cpp的文件，并新建setup()和loop()兩個(gè)函數(shù)，以此來仿照Arduino IDE的編程結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行相應(yīng)外設(shè)庫文件編寫時(shí)，先在主函數(shù)中對(duì)開發(fā)板進(jìn)行統(tǒng)一的初始化，然后依照相應(yīng)外設(shè)頭文件中函數(shù)的聲明，在源文件中基于SDK接口完成對(duì)此函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 庫文件的移植

把編寫，調(diào)試好的庫文件添加到新建好的cores文件夾中。libraries文件夾用于存放串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)和Wire等擴(kuò)展庫文件。variants文件夾用于存放編寫庫文件時(shí)與開發(fā)板密切相關(guān)的引腳聲明文件，除此之外還需要把SDK中的CMSIS文件和lib庫文件添加到system文件夾中。

3.3 配置文檔

3.3.1 編譯與下載流程分析

配置文檔的最終目的是定義Arduino IDE如何對(duì)源碼進(jìn)行編譯及下載，所以熟知這些流程將更有利于對(duì)配置文檔的編寫。

本文使用ARM-GCC進(jìn)行源程序的編譯，使用ISP方式進(jìn)行程序下載。具體編譯下載流程[6]如圖2所示：

此過程分為兩個(gè)步驟，① 把源文件生成hex或者bin文件；② 執(zhí)行下載操作。下面將對(duì)這兩個(gè)過程進(jìn)行具體說明：

(1) Sketch文件是一個(gè)以ino為擴(kuò)展名的文件，該文件先轉(zhuǎn)化為.cpp文件，而后同Arduino IDE文件

圖2 編譯下載流程框圖

系統(tǒng)中的庫文件及啟動(dòng)文件分別編譯為各自的.o文件。生成的眾多.o文件被鏈接成為名為cores.a的靜態(tài)庫。lib.a文件是由SDK中的庫函數(shù)編譯，鏈接生成的靜態(tài)庫，這兩個(gè)靜態(tài)庫在.ld鏈接腳本文件的參與下生成相應(yīng)的.elf可執(zhí)行文件。最后轉(zhuǎn)化為hex或者bin文件并計(jì)算其占Flash的大小[7]。

(2) 把生成的hex或者bin文件通過ISP或者其他方式下載到微控制器的Flash中[15]。

3.3.2 board.txt

本文檔包含了許多與硬件相關(guān)的定義及與編譯，下載有關(guān)的宏定義，這些定義大部分將在platform.txt中用到，使用的每一個(gè)板子都應(yīng)該在此文檔中聲明自己的名稱及硬件相關(guān)信息。根據(jù)LPC54114-Lite板的功能特點(diǎn)，部分配置信息如下：

[……]

LPC54114.name=LPC54114-Lite

LPC54114.build.mcu=cortex-m4

LPC54114.build.ldscript=LPC54114J256_cm4_flash.ld

LPC54114.upload.tool=FM.EXE

LPC54114.build.variant_system_lib=lib.a

LPC54114.build.f_cpu=48000000L

[……]

配置完成后，重啟IDE會(huì)在目標(biāo)板的選項(xiàng)中出現(xiàn)該目標(biāo)板的名稱，具體效果見圖3。

3.3.3 platform.txt

platform.txt 文檔用來定義目標(biāo)板分類，IDE版本，源碼編譯及下載流程。

(1) 目標(biāo)板分類及IDE版本。合理的目標(biāo)板分類及IDE版本聲明有利于未來的維護(hù)，升級(jí)。本文使用的IDE版本為1.5.5，定義目標(biāo)板類別為“LPC (32-bits) Boards”，具體書寫內(nèi)容如下：

name=LPC (32-bits) Boards

version=1.5.5

(2) 變量聲明。正如C和C++中的那樣，在platform.txt中也可以定義自己的變量，其變量名中通常有逗號(hào)進(jìn)行分隔。以“compiler.c.cmd=arm-none-eabi-gcc” 為例，其中 “compiler.c.cmd”為聲明的變量，“arm-none-eabi-gcc”為給此變量賦的值。引用變量時(shí)需要在變量名兩邊加上“{}”。

(3) 編譯及下載流程。編譯過程是由一系列recipe命令來實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)不同的recipe命令賦值，控制不同文件的編譯，鏈接方式。以“recipe.c.o.pattern”命令為例，其用于控制將*.c文件翻譯成*.o文件的過程，賦值格式如下所示：

recipe.c.o.pattern={變量} {變量}……

下載流程是由tools命令來實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)“tools.FM.upload.pattern”的賦值，來控制具體的下載操作,其中FM為下載工具的名稱。

根據(jù)上文中提到的編譯，下載流程，分別完成對(duì)recipe和tools命令的賦值，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)編譯及下載流程的控制。

4 移植效果驗(yàn)證

以Arduino IDE自帶的Blink例程來驗(yàn)證移植方法的正確性，測(cè)試流程如下：

(1) 如圖3所示，選中Arduino IDE開發(fā)板選項(xiàng)卡中的“LPC54114-Lite”。

圖3 開發(fā)板選項(xiàng)

(2) 加載“Example”中Blink例程，進(jìn)行編譯，IDE打印編譯結(jié)果如圖4所示，可執(zhí)行文件的大小被成功計(jì)算出，驗(yàn)證了編譯過程的正確性。

圖4 編譯結(jié)果圖

(3) 開發(fā)板在ISP的模式下與電腦進(jìn)行連接，在IDE上選擇對(duì)應(yīng)的COM端口并進(jìn)行下載操作，IDE上打印出的結(jié)果信息如圖5所示，由打印出的信息可知可執(zhí)行文件被成功下載。

圖5 下載結(jié)果圖

(4) 重新設(shè)置開發(fā)板為Flash啟動(dòng)模式，上電后Blink例程成功運(yùn)行。

通過該測(cè)試流程可以驗(yàn)證本文移植方法的正確性，在不斷完善庫文件的情況下，可以通過Arduino IDE對(duì)LPC54114-Lite開發(fā)板進(jìn)行正常的嵌入式開發(fā)。

5 結(jié) 語

為了滿足未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)及電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域向復(fù)雜化和智能化發(fā)展對(duì)硬件的需求，本文以LPC5411x微控制器為例介紹了擴(kuò)充Arduino硬件生態(tài)的一種方法。分析了Arduino整體架構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行分層描述，通過在Arduino IDE底層添加文件目錄，庫文件及配置文檔可以實(shí)現(xiàn)其對(duì)LPC5411x微控制器的支持。通過具體例程驗(yàn)證了本文方法的正確性，為擴(kuò)充Arduino硬件生態(tài)和開源平臺(tái)的應(yīng)用范圍提供了重要參考。