描述

介紹

本文中的“app”是指預編譯的二進制文件，無需使用 Arduino IDE，即可直接在 Arduino 板卡上運行。

并且因為它是一個文件，“應用程序”可以通過 SD 卡、以太網、WiFi 或任何合適的方法分發。

標題圖顯示了執行 Arduino 應用程序RTT-QRCode的 MKR ZERO 板。

你有興趣嗎？

（本文基于Arduino RT-Thread庫v0.6.0。）

動態模塊

在 RT-Thread 架構中，“app”被稱為動態模塊，構建為動態共享庫，擴展名為“ .mo”或“ .so”。（什么是 RT-Thread？=> Arduino 上的多任務處理）

RT-Thread 提供 API 來訪問動態模塊。更有趣的是，MSH（一個微型外殼）能夠.mo直接執行“”文件（詳細信息在以下部分中）。

RT-Thread 的原始動態鏈接器似乎不適用于 ARM Cortex-M。所以我修改了 Arduino RT-Thread 庫的代碼。

多發性硬化癥

Module SHell (MSH) 是默認啟用的一項新功能（從 v0.5.1 開始），它構建在 FinSH 之上。（什么是 FinSH？=> Arduino 上的多任務處理）

由于 Arduino 應用程序是由 MSH 執行的，讓我們簡單介紹一下。

相比 FinSH，MSH 更符合 Unix shell 的使用習慣：

• 在 FinSH 中發出命令

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

• 在 MSH 中發出命令

led 0 1
cp datalog.txt copy.txt

但是，MSH 不支持像 FinSH 提供的那樣的 shell 變量。

另一個限制是用戶定義的 MSH 命令的原型是固定的：

int my_msh_cmd(int argc, char **argv)

MSH 執行用戶命令時，參數argc為參數個數加一，參數列表argv為參數列表（firstentryiscommandname）。您可能已經猜到了，所有參數只能是char數組類型。

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 應用程序

首先，CONFIG_USING_MODULE在“rtconfig.h”中啟用，因為默認情況下它是禁用的。

構建可執行文件

讓我們在 Arduino IDE 中打開“HelloMo”示例，然后按“驗證”。（該示例也可以在下面的“代碼”部分中找到。）代碼現在被構建到一個包含草圖和庫的單個可執行文件中。我們可以使用 GCC 工具readelf（Arduino IDE 提供）來驗證。

{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

如果您不確定 GCC 工具和編譯輸出的位置，請在 File-> Preferences 中啟用以下選項。

再次單擊“驗證”，您將在輸出窗口中觀察到信息：

...
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/”，編譯輸出位于“ C:\\Users\\onelife\\AppData\\Local\\Temp\\arduino_build_508434\\”。

構建應用程序（動態共享庫）

但是，我們要構建的目標“應用程序”是一種共享庫。它必須與位置無關，因此可以加載到任何 RAM 地址中。為了讓它更小（因為我們的 RAM 大小是有限的），最終的二進制文件將不包含其他庫的任何功能。（所有外部功能都應由固件端提供。）

壞消息是 Arduino IDE 不提供這些選項。好消息是 Arduino IDE 確實提供了我們需要的所有工具。我們開始做吧。

第一步是編譯。

我們必須將選項“ -mlong-calls -fPIC”添加到原始編譯命令中（在輸出窗口中查找“正在編譯草圖...”）。

{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

第二步是鏈接。

在這一步中，我們選擇將目標文件構建為“ app ”（帶有入口點的“.mo”文件）或將其構建為庫（不帶入口點的“.so”文件）。在以下示例中，我們將“ load_mo.c.o”構建為“app”，并將“ hello_mo.c.o”構建為庫。

我們通過以下方式修改鏈接命令（尋找“將所有內容鏈接在一起......”）

• 只保留目標目標文件，例如“ load_mo.c.o”，并刪除其他
• 刪除選項“ -Wl,--unresolved-symbols=report-all”
• 刪除選項“ -L{path_to_output}”
• 刪除選項“ -T.../flash_with_bootloader.ld”
• 刪除選項“ -Wl,--start-group ... -Wl,--end-group”
• 添加選項“ -shared -fPIC -nostdlib -Wl,-marmelf -Wl,-z,max-page-size=0x4”
• 添加入口點選項（例如“ -Wl,-eload_hello”或“ -Wl,-e0”表示無）

{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

第三步是分條。

為了進一步減小文件大小，我們必須去掉 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

第四步是檢查大小（可選）。

{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！您剛剛構建了一個 Arduino 應用程序。讓我們檢查一下輸出。

{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”（動態）類型。不同之處在于“ .so”文件沒有入口點，而“ .mo”文件有。

我們還沒有完成。

最后一步是公開應用程序所需的功能。

在文件“ ”中，如果啟用mo_sym.h，所有內核 API 都已經公開。CONFIG_USING_MODULE如有必要，您可以添加自己的。

發出 MSH 命令“ lsym”將列出所有暴露的符號：

運行 Arduino 應用程序

hello.so讓我們將“ ”和“ ”復制load.mo到具有以下文件結構的SD卡。

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

規則是，如果我們將相對路徑傳遞給dlopen()或 MSH，它將分別在和中查找“ .so”和“ ” 。.mo/lib//mo/

現在我們將卡插入 Arduino 板，在本例中為 MRKZERO ，上傳“HelloMo”草圖（草圖什么都不做），然后發出命令“ load”。

為了顯示有關應用程序執行過程的更多詳細信息，我們可以在“ dlmodule.c”中啟用調試消息：

#define LOG_LVL LOG_LVL_DBG

結果揭示了以下過程：

• MSH 線程 ("tshell") 將 " load.mo" 加載到 RAM 并創建一個新線程 ("load") 以執行入口點函數 " load_hello()"
• “ load_hello()”然后加載“ hello.so”，調用它的“ module_init()”函數，調用它的“ say_hello()”函數（不是入口點）
• 在 " say_hello()" 返回后， " load_hello()" 關閉 " hello.so" (調用它的 " module_cleanup()" 函數然后銷毀它的 RAM 副本)
• “加載”線程標記以銷毀“”的RAM副本，load.mo然后退出
• " " 的 RAM 副本load.mo最終被空閑線程 ("tidle0") 銷毀

" module_init()" 和 " module_cleanup()" 是特殊函數。如果定義，前者.mo在將應用程序加載到 RAM 后由 MSH 線程（在“”文件的情況下）調用，后者.mo在銷毀 RAM 副本之前由空閑線程（在“”文件的情況下）調用。

讓我們將“hello_mo.c”重建為一個應用程序（入口點是“ say_hello()”，例如-Wl,-esay_hello）并執行。

結果清楚地表明“ module_init()”被MSH線程（“tshell”）module_cleanup()調用，“ ”被空閑線程（“tidle0”）調用。順便說一句，傳遞給這兩個函數的參數是指向模塊描述符的指針。

優點缺點

優點

（我們感興趣的是）Arduino 應用程序可以構建一次并在許多板上運行。根據 Wiki ，“可用于 Cortex-M0 / Cortex-M0+ / Cortex-M1 的二進制指令無需修改即可在 Cortex-M3 / Cortex-M4 / Cortex-M7 上執行。可用于 Cortex-M3 的二進制指令無需修改即可執行在 Cortex-M4 / Cortex-M7 / Cortex-M33 / Cortex-M35P 上進行修改。”

因此，為 MKR Zero 板（SAMD 架構）構建的應用程序應該在 Arduino Due（SAM 架構）上運行而不會出現問題。

此功能可以實現遠程添加或更新功能而無需重新啟動（與 OTA 固件更新相比）等。

缺點

與 MSH 命令相比，Arduino 應用程序需要更多 RAM。另一個主要缺點是在固件方面，應用程序所需的所有外部功能都必須在那里待機（盡管固件可能不會使用它們）并暴露（在“ mo_sym.h”中）。

動態模塊狀態

Arduino RT-Thread 庫 v0.6.0 中的功能仍處于 beta 階段。

在原始代碼（RT-Thread 項目）中，除了DYNELF 文件的類型，動態鏈接器還支持REL類型。但是，經過一些測試，我發現至少對于 ARM Cortex-M 架構，只有“ .o”（對象）文件類型為REL. 所以目前RELArduino RT-Thread 庫不支持 ELF 文件類型。

此外，僅測試了兩種重新分配類型：

• R_ARM_JUMP_SLOT
• R_ARM_RELATIVE

我需要一些代碼來測試其他類型。因此，如果您遇到其他類型的錯誤，請幫助提出問題。

最后，并非所有“libgcc”函數都默認公開。例如，開關助手功能沒有公開。您可以將它們添加到“ mo_sym.h”或在您的應用程序中將“ switch...case...”替換為“ ” 。if...else...

RTT-QRCode 應用程序

有一個更復雜的示例RTT-QRCode ，可以構建為 MSH 命令或 Arduino 應用程序。請查看代碼并玩得開心！

下一步

• Arduino上的多任務處理
• 帶有 RT-Thread 的更好的 SD 庫
• RT-Thread Primer（即將推出）