异构多核处理器开发嵌入式应用入门

By Toradex Raul Rosetto Mu?oz

1). 简介

每天都有新的异构多核处理器/片上系统 SoC 面市。在 SoC 上集成微控制器和外设控制核正变得越来越普遍，看看最新发布的 NXP? ：i.MX 6SoloX、i.MX7 和即将面世的 i.MX 8。在我看来，这有点像曾经 ADC（模数转换器）开始集成微处理器上的外设功能，在应用处理器上集成微控制器，可以解决 Linux 系统中一些实时可控相关的问题。

新技术的出现总是会引出许多问题，或许你会产生疑问，这是否需要很多工作量。本位旨在快速、明了地介绍一种使用异构多核方式开发应用的方法。这里我们将会涉及搭建开发环境以及创建一个双核通信的 ping pong 应用的基本步骤，最后演示一个用微控制器通过 SPI 读取 ADC 数据并把数据发送至运行 Linux 的处理器的实际应用。

这是揭示利用异构多核处理构架 SoC 开发嵌入式系统的系列文章。通过实际操作和一些案例演示，你可以快速地开始开发。

2). 硬件

本文中将使用 Toradex 双核 Colibri iMX7 计算机模块：该模块采用 NXP i.MX7 SoC，一个双核 ARM Cortex-A7 和一个 ARM Cortex-M4 核心，A7 主频为 1GHz，M4 主频为 200MHz，同时具备 512MB 存储和 512MB 内存。模块如下图所示：

载板采用 Aster。这是 Toradex 新发布的产品，使新项目开发更加容易。该载板具有标准的 Arduino 接口，使开发人员能够利用市面上丰富的 Arduino 模块，缩减研发时间。除了 Arduino，还有一个兼容 Raspberry Pi 的接口，允许在开发的硬件上使用模块，不仅能够促进新产品的原型开发，也能够帮助从概念验证到可扩展、工业品质、保证生命周期硬件方案如 Toradex 的过渡。

3). 搭建开发环境

本文中演示的案例是在 Linux 电脑上开发的。所有 Cortex-M 上的代码都基于 Makefile 和 Cmake。你只需要安装少量的软件并正确配置编译工具链，就可以编译示例代码。

a). 我们建议使用 4.9 2015 Q3 版本 linaro toolchain。从这里下载好压缩包后，解压如下：

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tar xjf ~/Downloads/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q3-20150921-linux.tar.bz2

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b). 因为编译工具生成 32位应用，所以需要安装 32位的 libc 和 libncurse。在 Ubuntu 上，命令如下：

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sudo dpkg --add-architecture i386 sudo apt-get update sudo apt-get install libc6:i386 libncurses5:i386

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c). 现在可以测试编译工具：

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~/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q3/bin/arm-none-eabi-gcc –version

This is free software; see the source for copying conditions. There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

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d). 最后，安装 cmake 和 make：

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sudo apt-get install make cmake

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4). 下载示例

我们准备了一些示例，方便下载和测试，包括基本的双核通信“Hello, World!”。下载源代码：

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$ git clone -b colibri-imx7-m4-freertos-v8 git://git.toradex.com/freertos-toradex.git freertos-colibri-imx7/

$ cd freertos-colibri-imx7/

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所有我们将会使用的源码都在这个文件夹里面。其中的文件已经能够支持 Colibri iMX7 和 FreeRTOS。在所有这些文件中，我们主要使用包含示例的的文件夹：

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[raul@localhost freertos-colibri-imx7]$ tree -L 2 examples/imx7_colibri_m4/

examples/imx7_colibri_m4/

├── board.c

├── board.h

├── clock_freq.c

├── clock_freq.h

├── demo_apps

│ ├── blinking_imx_demo

│ ├── hello_world

│ ├── hello_world_ddr

│ ├── hello_world_ocram

│ ├── low_power_imx7d

│ ├── rpmsg

│ └── sema4_demo

├── driver_examples

│ ├── adc_imx7d

│ ├── ecspi

│ ├── flexcan

│ ├── gpio_imx

│ ├── gpt

│ ├── i2c_imx

│ ├── uart_imx

│ └── wdog_imx

├── gpio_pins.c

├── gpio_pins.h

├── pin_mux.c

└── pin_mux.h

17 directories, 8 files

[raul@localhost freertos-colibri-imx7]$

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5). 搭建硬件环境

本文中，我们将不涉及如何调试 Cortex-M 的内容，我们使用 UART 打印固件的输出信息。了解如何搭建产品开发环境是十分重要的。由于 Cortex-M 和 Cortex-A 共享外设接口，你需要知道 UART B 被 Cortex-M 上的固件输出打印信息，UART A 则由 Cortex-A (U-boot and Linux) 使用。

所以我们将使用 UART A 和 UART B。对于 UART A，在 Aster 上已经有 FTDI 芯片，可以直接连接 USB X4。该接口不仅用于给载板供电，还可以访问 UART-A, 所以当连接到电脑后，/dev/ttyUSBX 设备将会被自动识别。

对于 UART B, Colibri iMX7 的 TX 和 RX 引脚在 X20 扩展口上。因为没有 FTDI 或者 RS-232 转换器，你需要使用 FTDI 串口线。连接 RX、TX 和 GND 到 X20 的第8、10、9 引脚。

最后，图下图所示连接：

现在都已经正确连接，在 Linux 使用 picocom 打开两个终端，打开串口：

终端 1：

-------------------------------------------

[raul@localhost ~]$ picocom -b 115200 /dev/ttyUSB0

-------------------------------------------

终端 2：

-------------------------------------------

[raul@localhost ~]$ picocom -b 115200 /dev/ttyUSB1

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6). 编译第一个示例

a). 进入 SPI 示例目录，编译第一个应用：

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[raul@localhost freertos-colibri-imx7]$ cd examples/imx7_colibri_m4/driver_examples/ecspi/ecspi_interrupt/master/

[raul@localhost master]$ ls armgcc hardware_init.c main.c

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b). 所有的示例都有 main.c 、hardware_init.c 和 armgcc 文件夹。我们先不解释源代码，只是进入目录，导出下载的 toolchain 路径然后编译：

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[raul@localhost armgcc]$ cd ..

[raul@localhost master]$ cd armgcc/

[raul@localhost armgcc]$ export ARMGCC_DIR=~/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q3/

[raul@localhost armgcc]$ ./build_all.sh

-- TOOLCHAIN_DIR: /home/raul/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q3/

-- BUILD_TYPE: Debug

-- TOOLCHAIN_DIR: /home/raul/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q3/

-- BUILD_TYPE: Debug

-- Could not determine Eclipse version, assuming at least 3.6 (Helios). Adjust CMAKE_ECLIPSE_VERSION if this is wrong.

-- The ASM compiler identification is GNU

-- Found assembler: /home/raul/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q3//bin/arm-none-eabi-gcc

-- Configuring done

-- Generating done

-- Build files have been written to: /home/raul/freertos-colibri-imx7/examples/imx7_colibri_m4/driver_examples/ecspi/ecspi_interrupt/master/armgcc

Scanning dependencies of target ecspi_interrupt_master_example

[ 5%] Building C object CMakeFiles/ecspi_interrupt_master_example.dir/home/raul/freertos-colibri-imx7/platform/utilities/src/debug_console_imx.c.obj

...

[ 94%] Building C object CMakeFiles/ecspi_interrupt_master_example.dir/home/raul/freertos-colibri-imx7/platform/drivers/src/uart_imx.c.obj

[100%] Linking C executable debug/ecspi_interrupt_master_example.elf

[100%] Built target ecspi_interrupt_master_example

-- TOOLCHAIN_DIR: /home/raul/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q3/

-- BUILD_TYPE: Release

-- Eclipse version is set to 3.6 (Helios). Adjust CMAKE_ECLIPSE_VERSION if this is wrong.

-- Configuring done

-- Generating done

CMake Warning:

Manually-specified variables were not used by the project:

CMAKE_TOOLCHAIN_FILE

-- Build files have been written to: /home/raul/freertos-colibri-imx7/examples/imx7_colibri_m4/driver_examples/ecspi/ecspi_interrupt/master/armgcc

[ 5%] Building ASM object CMakeFiles/ecspi_interrupt_master_example.dir/home/raul/freertos-colibri-imx7/platform/devices/MCIMX7D/startup/gcc/startup_MCIMX7D_M4.S.obj

...

[ 94%] Building C object CMakeFiles/ecspi_interrupt_master_example.dir/home/raul/freertos-colibri-imx7/platform/drivers/src/uart_imx.c.obj

[100%] Linking C executable release/ecspi_interrupt_master_example.elf

[100%] Built target ecspi_interrupt_master_example

[raul@localhost armgcc]$

The binaries are located in the "release" directory.

[raul@localhost armgcc]$ cd release/

[raul@localhost release]$ ls

ecspi_interrupt_master_example.bin ecspi_interrupt_master_example.hex

ecspi_interrupt_master_example.elf ecspi_interrupt_master_example.map

[raul@localhost release]$

-------------------------------------------

在这里， bin 文件是最重要的。我们使用 U-boot 将其加载到 Cortex-M4。

7). 运行固件程序

为了运行固件程序，U-boot 需要加载这个二进制文件，然后在 Cortex-M 上运行。也可以用另外的方法。我的建议是使用 SD 卡或者网络。我们将会演示如何使用这两种方法。一方面，需要知道的是使用网络，开发将以动态的方式进行，因为不需要在载板上拔插 SD 卡。另一方面，为了使用以太网加载文件，你需要配置 tftp 服务器，我这里配置为 "/srv/tftp/"。参考 Flashing Linux Over Ethernet 了解 tftp 配置。

a). SD 卡：

复制文件到 SD 卡，然后放到载板上：

-------------------------------------------

[raul@localhost release]$ df

Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on

/dev/sdb1 7780496 469540 7310956 7% /run/media/raul/DATA

[raul@localhost release]$ cp ecspi_interrupt_master_example.bin /run/media/raul/DATA

[raul@localhost release]$ umount /run/media/raul/DATA

-------------------------------------------

b). 以太网：

复制文件到 tftp 服务器目录，在载板上连接网线，配置好能够连接到电脑的网络。这里载板的 IP 是 192.168.0.170，电脑 IP 为 192.168.0.150。

-------------------------------------------

[raul@localhost release]$ cp ecspi_interrupt_master_example.bin /srv/tftp/

-------------------------------------------

c). 开启载板电源，上电的时候，在 UART-A (U-boot and Linux) 终端上按下任意按键。进入 U-boot，加载可执行文件。

./ SD 卡：

-------------------------------------------

Colibri iMX7 # fatload mmc 0:1 0x7F8000 ecspi_interrupt_master_example.bin

reading ecspi_interrupt_master_example.bin

9956 bytes read in 20 ms (485.4 KiB/s)

-------------------------------------------

./ 以太网：

Colibri iMX7 # tftp 0x7F8000 ecspi_interrupt_master_example.bin

Using FEC0 device

TFTP from server 192.168.0.150; our IP address is 192.168.0.170

Filename 'ecspi_interrupt_master_example.bin'. Load address: 0x7f8000

Loading: ################################################## 9.7 KiB

647.5 KiB/s

done

Bytes transferred = 9956 (26e4 hex)

-------------------------------------------

d). 加载完成后，无论是使用 SD 卡还是以太网，执行下面的命令运作已经加载到 Cortex-M 上的程序。

-------------------------------------------

Colibri iMX7 # dcache flush

Colibri iMX7 # bootaux 0x7F8000

## Starting auxiliary core at 0x007F8000 ...

Colibri iMX7 #

-------------------------------------------

e). 接下来，你应该可以看到在 UART B 终端上打印出 Cortex-M 的调试信息。你的屏幕如下图所示。

f). 在 UART B 终端里按 “s”之前，试着将 SPI MISO 和 MOSI 连接起来。这样就可以看到在回环模式下的通信，不仅是发送数据，还可以接收 SPI 数据。

-------------------------------------------

-------------- ECSPI master driver example --------------

This example application demonstrates usage of SPI driver in master mode.

It transfers data to/from remote MCU in SPI slave mode.

Press "s" when spi slave is ready.

MASTER: Transmited data: 1 :

Received data: 1

MASTER: Transmited data: 2 :

Received data: 2 ... ... ...

MASTER: Transmited data: 19 :

Received data: 19

MASTER: Transmited data: 20 :

Received data: 20

-------------------------------------------

8). 示例 - SPI

a). 在之前的示例中，我们只编译和执行了代码。现在我们将修改源码，实现同 Microchip MCP3008 的 SPI 通信。这个一个10位 ADC，具有8个输入。按下图连接到 Aster 和面包板：

b). 如果喜欢使用 Eclipse IDE，可以通过 CMake 生成 Eclipse 项目文件。 Cmake 的 -G 参数可以配置 “build system generator”。确保 build_all.sh 指定 “Eclipse CDT4 – Unix Makefiles”。

./ 在 armgcc 示例目录中：

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[raul@localhost armgcc]$ vi build_all.sh

#!/bin/sh cmake -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE="../../../../../../../tools/cmake_toolchain_files/armgcc.cmake" -G "Eclipse CDT4 - Unix Makefiles" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug .

make -j4

cmake -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE="../../../../../../../tools/cmake_toolchain_files/armgcc.cmake" -G "Eclipse CDT4 - Unix Makefiles" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release .

make -j4

-------------------------------------------

./ 接下来运行 “build_all.sh”脚本：

-------------------------------------------

[raul@localhost armgcc]$ ./build_all.sh

[raul@localhost armgcc]$ ls .cproject .project

.cproject .project

-------------------------------------------

./ 打开 Eclipse 并导入项目

File > Import…

./ 在 “Select root directory”，输入 “armgcc”文件夹目录

-------------------------------------------

/home/raul/freertos-colibri-imx7/examples/imx7_colibri_m4/driver_examples/ecspi/ecspi_interrupt/master/armgcc

-------------------------------------------

./ 打开目录中的 main.c”文件

[TARGET] → [exec]ecspi_interrupt_master_example → Source Files

./ 标准的示例是十分简单的。我们有必要介绍部分代码，从而在下面的示例中能够清楚地了解需要查看什么地方。

-------------------------------------------

int main(void)

{

.baudRate = 500000,

.mode = ecspiMasterMode,

.burstLength = ECSPI_MASTER_BURSTLENGTH,

.channelSelect = BOARD_ECSPI_CHANNEL,

.clockPhase = ecspiClockPhaseSecondEdge,

.clockPolarity = ecspiClockPolarityActiveHigh,

.ecspiAutoStart = ECSPI_MASTER_STARTMODE

};

hardware_init();

ecspiMasterInitConfig.clockRate = get_ecspi_clock_freq(BOARD_ECSPI_BASEADDR);

PRINTF("n-------------- ECSPI master driver example --------------nnr");

PRINTF("This example application demonstrates usage of SPI driver in master mode.nr");

PRINTF("It transfers data to/from remote MCU in SPI slave mode.nr");

ECSPI_MasterConfig(&ecspiMasterInitConfig);

while(true)

{

txData[0]++;

ECSPI_MasterTransfer((uint8_t*)txData, (uint8_t*)rxData, 1);

while(ECSPI_MasterGetTransferStatus());

PRINTF("MASTER: Transmited data: %d nr", txData[0]);

PRINTF(" : Received data: %d nnr", rxData[0]);

}

while(1);

}

-------------------------------------------

./ 第一个需要注意的配置引脚复用的地方。这里我们将使用标准的 SPI。右击“hardware_init();”函数，选择“Open Declaration”

-------------------------------------------

void hardware_init(void)

{

// ECSPI1 iomux configuration

IOMUXC_ECSPI3_MISO_SELECT_INPUT = 0; //(I2C1_SCL SODIM 90)

IOMUXC_ECSPI3_MOSI_SELECT_INPUT = 0; //(I2C1_SCL SODIM 90)

IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C2_SCL = IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C2_SCL_MUX_MODE(3);

IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C1_SDA = IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C1_SDA_MUX_MODE(3);

IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C1_SCL = IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C1_SCL_MUX_MODE(3);

IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C2_SDA = IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_I2C2_SDA_MUX_MODE(3);

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SCL = IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SCL_PE_MASK |

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SCL_PS(0) |

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SCL_DSE(0) |

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SCL_HYS_MASK;

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C1_SDA = IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C1_SDA_DSE(0) |

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C1_SDA_HYS_MASK;

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C1_SCL = IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C1_SCL_HYS_MASK;

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SDA = IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SDA_PE_MASK |

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SDA_PS(3) |

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SDA_DSE(0) |

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_I2C2_SDA_HYS_MASK;

}

-------------------------------------------

./ 另外一个重要的文件是“board.h”。在同一个函数中，搜索 "configure_ecspi_pins (BOARD_ECSPI_BASEADDR);" 中的 "BOARD_ECSPI_BASEADDR"，你将会发现部分“board.h”内容，这里配置除了 SPI 外的其他内容，例如中断向量表。

-------------------------------------------

#define BOARD_ECSPI_RDC_PDAP rdcPdapEcspi3

#define BOARD_ECSPI_CCM_ROOT ccmRootEcspi3

#define BOARD_ECSPI_CCM_CCGR ccmCcgrGateEcspi3

#define BOARD_ECSPI_BASEADDR ECSPI3

#define BOARD_ECSPI_CHANNEL ecspiSelectChannel0

#define BOARD_ECSPI_IRQ_NUM eCSPI3_IRQn

#define BOARD_ECSPI_HANDLER eCSPI3_Handler

-------------------------------------------

./ 回到“main.c”我将改变主函数，获取 MCP3008 的数据。具体地讲，我们将读取芯片 channel 0 的数据。

-------------------------------------------

while(true)

{

PRINTF("Press "s" when spi slave is ready.nr");

control_char = GETCHAr();

if((control_char == 's') || (control_char == 'S'))

{

uint8_t control_char;

uint8_t i;

ecspi_init_config_t ecspiMasterInitConfig = {

PRINTF("Press "s" when spi slave is ready.nr");

control_char = GETCHAr();

if((control_char == 's') || (control_char == 'S'))

{

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