Настройка ToolChain-a для программирования MCU FlagChip FC7300F8MDT

Пролог

Каких только микроконтроллеров мне не приходилось программировать: AVR, STM8, MSP430x, STM32, NXP (LPC2148), Xilinx MicroBlaze, MDR32, ESP32, MIK32, SPC58NNx, сс26x2, NRF53, Artery AT32, YTM32. Теперь вот МК компании FlagChip FC7300x. В сумме 15 семейств микроконтроллеров.

FC7300F8MDT - это семейство микроконтроллеров компании FlagChip as FlagShip. Внутри FC7300F8MDT три ARM Cortex-M7 процессора с архитектурой armv7-m. Это не просто ещё один микроконтроллер. Это System-on-a-Chip (SoC)

Постановка задачи

Настроить GCC ToolChain, научиться собирать, прошивать и отлаживать прошивки для микроконтроллера FC7300F8MDT.

Создать минималистический тестировочный проект в котором будет мигающий LED, работающий системный таймер, прерывания, UART-CLI и модульные тесты.

Определения

cross compliler - это когда на одной процессорной архитектуре собирают программу для абсолютно другой процессорной архитектуры. Например на x86_64 собирают прошивку для ARM Cortex-M7. Дело в том, что персональный компьютер - это по сути универсальный вычислитель и ему абсолютно всё равно какие программы и для чего собирать.

архитектура (architecture) - представление структуры элементов или нечто, что позволяет опознать строительные блоки их границы и интерфейсы и включает назначения требований для этих строительных блоков. архитектура - структура какого-либо сложного объекта и взаимосвязь элементов внутри между собой.

SDK ( software development kit — комплект для разработки программного обеспечения) — набор инструментов для разработки программного обеспечения, объединённый в одном пакете, обычно содержит комплект необходимых исходников, статических библиотек, компилятор, отладчик, иногда — интегрированную среду разработки.
Обычно зависят от комбинации аппаратного обеспечения и операционной системы.

Target устройство- то что мы программируем. В нашем случае Target устройство это MCU FC7300F8MDT.

GDB server — это компьютерная программа, которая позволяет удаленно по USB+JTAG отлаживать программатором прошивки. Работая на host PC GDB сервер позволяет GNU отладчику подключаться сокетом. Исполняемый файл, который должен отлаживаться, находиться на целевой системе (target), в то время как исходный код и копия двоичного файла, который должен отлаживаться, находятся на локальном компьютере разработчика (host).

Что надо из оборудования?

Программатор выглядит как черная пластмассовая коробочка.

Технические характеристики можно почитать тут

Технические характеристики

--Поддержка CPU с ядрами ARM7/9/11, Cortex-A5/A7/A8/A9, Cortex-M0/M1/M3/M4/M7, Cortex-R4, Microchip PIC32 and Renesas RX100/ RX200/ RX610/ RX621/ RX62N/ RX62T/ RX630/ RX631/ RX63N;
--Поддержка SWV/ SWO (Serial Wire Viewer/ Serial Wire Output);

Пояснение по индикации отладчика J-link

На столе разработчика надо соединить оборудование как показано на схеме

Что надо из документов?

Исходниками любой разработки являются официальные документы.

Что касается datasheet-ов, то их просто так не скачать. Только флаер. При попытке скачать спеку сайт просит связаться с организацией. К слову, таблица FC7300F8MDT Pinout_V1.1.xlsx вложена в reference manual. Получается FC7300 Reference Manual.pdf является, как бы ещё и архивом. Такое бывает в документации для Automotive микроконтроллеров и у других производителей (STm).

Что надо из софтвера?

Что касается SDK, MCAL, то это тоже просто так не скачать. При попытке скачать сорцы сайт просит связаться с организацией.

Внутри микроконтроллера FC7300F8MDT2P176T1A вот такая архитектура

Фаза 1: Установить драйверы для переходника с USB на UART.

После установки операционная система должна увидеть что появился виртуальный COM порт.

Фаза 2: Установить драйвер для программатора J-link

При подключении программатора в диспетчере устройств должно появиться новое USB устройство: J-link driver. General

Driver

Вкладка Details показывает, что это USB устройство: VID: 1366, PID: 0101, REV: 0100, Provider: Segger, Service: jlink,

Events

Фаза 3: Установить виртуальную машину Java

Это нужно для двух целей. Первое - чтобы завелся текстовый редактор Eclipse, 2- чтобы завелся локальный сервер сборки Jenkins.

Фаза 4: Установить программу текстового редактора Eclipse IDE (печатная машинка)

Так как любая программа это прежде всего текст, то надо установить какой-нибудь текстовый редактор.

Предлагаю Eclipse IDE for C/C++ Developers так как у него весьма удобные HotKeys. Для ускорения написания кода.

Плюс в Eclipse очень приятное синее выделение.

Еще Eclipse мгновенно запускается. Как по мне качество текстового редактора определяется тем как часто вам приходится пользоваться мышкой. В хорошем текстовом редакторе мышка вообще не нужна. Eclipse один из таких текстовых редакторов. Установить Eclipse IDE for C/C++ Developers можно отсюда
https://www.eclipse.org/downloads/packages/

Установка заключается в распаковке скаченного архива в удобное место. В ОС Windows можно устанавливать Eclipse в корень диска С. Программа запускается с помощью исполняемого файла eclipse.exe, который находится в распакованной папке. 

При первом запуске Eclipse надо выбрать рабочую папку (workspace). В этой папке Eclipse будет по умолчанию создавать проекты.

После установки Eclipse надо сразу установить некоторые полезные плагины. Заходим в Help -> Install New Software , выбираем All Available sites и отмечаем все плагины которые имеют в своем имени такие слова как J-Link, OpenOCD, Debugging, ARM, Embedded, GCC. Это пригодится позже для пошаговой отладки кода в Eclipse .

На всякий случай можно установить плагин для автоматического генерирования make скриптов. Называется этот плагин The Eclipse Embedded CDT. Надо зайти в Help -> Eclipse Marketplace -> Installed прописать https://marketplace.eclipse.org/content/eclipse-embedded-cc

Во время установки выглядит это примерно так

После установки плагинов Eclipse предложит перезагрузиться.

Настройка проекта в Eclipse

Настройки текстового редактора содержатся в файлах .project, .cproject. Важно снять галочку с пункта Makefile generation. В поле Build location прописать относительный путь к папке, которая содержит Makefile.

Настроить параллельную сборку, чтобы ускорить цикл ToolChain(а). Это делается во вкладке Behavior

После этого инициировать сборки можно горячей клавишей Ctrl+B.

Если же Вы захотите генерировать Make файлы автоматически, то Вам придется явно указать Eclipse-у путь к ToolChain и к путь к Build tools.

Указать путь до ранее установленного Arm GNU Toolchain Window -> Preferences -> MCU -> Global Arm Toolchains Paths -> Toolchain Folder: <локальный путь>gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10bin

Указать путь до ранее установленного GNU Make Window -> Preferences -> MCU -> Global Build Tools Paths -> Build Tools Folder: <локальный путь>gnumake-win64-v.4.4.1bin

Указать путь до ранее установленного SEGGER J-Link Window -> Preferences -> MCU -> Global SEGGER J-Link Paths -> Executable: JLinkGDBServerCL.exe
-> Folder: C:Program FilesSEGGERJLink_V7_52b

Фаза 5: Установить Cross-компилятор ARM GNU Toolchain

Нужен ToolChain: препроцессор (cpp), компилятор ASM(as), компилятор С (gcc),компилятор С++(g++), компоновщик(ld), отладчик(gdb). Нужны binutils(ы) для диагностики полученных артефактов(nm, size, readelf), архиватор статических библиотек(ar), и прочее. Это основные утилиты, которые и делают всю работу по превращению исходников (*.с, .h) в артефакты (.hex .bin .map .elf .out файлики).

ToolChain следует брать с официального сайта
https://developer.arm.com/downloads/-/gnu-rm#:~:text=The%20GNU%20Arm%20Embedded%20Toolchain,Arm%20Cortex%2DR%20processor%20families.

Toolchain устанавливается как обычная win программа прямо из gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10-win32.exe файла

Проверка, что установилось. Вот полный комплект GCC ARM. Всего 32 утилиты.

Как же make файл узнает, что нужен именно этот toolchain? Ведь их может быть установлено несколько в разные папки. Ответ прост. Надо прописать адрес toolchain в переменной Path. А старый путь просто дропнуть.

и тут

Каждый свой шаг надо проверять. Как проверить, что терминал cmd находит ToolChain? Откройте cmd из любой папки и наберите arm-none-eabi-gcc.exe –v

Версия должна отобразиться в соответствии с версией скаченного дистрибутива. ToolChain может находится примерно по такому адресу:

C:Program Files (x86)GNU ARM Embedded Toolchain10 2021.10bin

Фаза 6: Установить систему сборки кода GNU Make

Самый классический способ сборки программ на С(ях) это, конечно же, Make файлы. Не перестаю удивляться насколько элегантна сборка программ из make. В 197x программировали по настоящему достойные люди. Поэтому и появились такие утилиты-шедевры как make, grep, find, sort и прочее. Благодаря Make файлам  можно управлять модульностью сборок программных компонентов по-полной. Мгновенно, одной строчкой включать и исключать сотни файлов одновременно для сотен сборок. Это даже не снилось таким GUI как IAR с Keil, где приходится протирать дыры в коврике для мышки, чтобы сделать то, что в make делается одной строчкой в *.mk файлике.

Сборка прошивок из make - считается высшим пилотаже программирования на С(ях).

Вот минимальный набор утилит для процессинга Make файлов.

Фаза 7: Подготовка и разбор исходного кода из SDK.

Что из сорцов предоставляет вендор в своем SDK? Особое внимание надо уделить вот этим файликам:

Конфигурирование компилятора

MICROPROCUSSOR += -mcpu=cortex-m7
MICROPROCUSSOR += -mtrumb
PREFIX = arm-none-eabi-

Тут надо стразу упомянуть, что main() вовсе не самая первая функция, которую начинает исполнять микроконтроллер при подаче электропитания. Самая первая функция это Reset_Handler в файле startup_FC7300F8MDx.S.

Видимо чтобы сделать нам жизнь проще разработчики не стали весь startup код писать на ассемблере. То, что можно они написали на Си и вынесли в функцию system_init.

Фаза 8: Сборка проекта

Скорее всего у Вас будет очень много примерно одинаковых прошивок: первичный загрузчик, вторичный загрузчик, generic release (прошивка для отгрузки), generic debug, assembly_test (прошивка для схемотехников) и прочие прошивки. Чтобы уследить за всеми этими сборками надо запустить на локальном PC сервер сборки Jinkins. Про пуск сервера сборки у меня есть отдельный текст. Для сборки же проекта следует просто написать вот такой скрипт build_from_make.bat

echo off
cls

call clean_temp.bat
make clean 2>&1 | tee clean_log.txt
make all -j8 | tee build_log.txt

Про то как писать скрипты сборки на GNU Make у меня есть отдельный текст Основы по GNU Make. Jenkins выглядит просто, как сайт, на котором можно скачать собранные артефакты, для любого проекта и любой электронной платы.

Я бы рекомендовал Вам организовать на своем локальном жестком диске компьютера аж 2 репозитория: workspace и release. Workspace для редактирования кода, а release для генерации release(ных) артефактов. Release репозиторий он только read only. Release репозиторий пополнять только git pull(ами). Это важно, чтобы гарантировать, что все зависимости проиндексированы и в самом деле находятся в репозитории c кодом.

Фаза 9: Проверить, что программатор обнаружен утилитой Segger

Среди набора утилит присутствует программа JLinkConfig.exe (SEGGER J-Link Configuration V7.52b). Эта утилита предназначена для проверки факта подключения программатора и для обновления прошивки самого программатора. У меня утилита обнаружила изделие

Product = J-Link Vll compiled Jun 21 2023 V11.00, Nickname = SN = 601012412
USB = SN 601012412 HostFW = EmuFW = 2023 Jun 21 09:20

Фаза 10: Запись прошивки в Flash память микроконтроллера

Способ №1 JFlashLite

Прошить микроконтроллер FC7300F8MDT можно утилитой JFlashLite.exe. Это GUI утилита специально для ручной прошивки MCU. Выбираете Flagchip микроконтроллер FC7300F8MDTхXxxxT1B, интерфейс JTAG, битовую скорость 1000kHz.

Далее в поле Data File указываем путь к *.hex файлу

Надо прописать именно hex файл, чтобы Prog. addr. выставился автоматически. Такого не будет с bin файлом.

Выбрав *.hex файл, нажимаем кнопку Program Device. Далее появится зелёный progress bar и прошивка запишется в SoC.

Способ №2 Утилита JFlash.exe

Прошивку можно загрузить и скриптом. Для этого есть производственная утилита с названием JFlash.exe. Достаточно ей дать *.hex файл прошивки, файл конфигурации проекта для программатора *.jflash и запустить строчку в cmd. Перед вами скрипт перепрошивки flash_Jlink.bat

cls

set project_name=board_name_config_name_m
set flash_tool=JFlash.exe
set mcu_config=board_name.jflash
set artefact_hex=build%project_name%.hex

set option=
set option=%option% -openprj%mcu_config% 
set option=%option% -open%artefact_hex% 
set option=%option% -programverify 
set option=%option% -startapp  
set option=%option% -exit

%flash_tool% %option% 

При этом файл *.jflash надо синтезировать вручную, запустив утилиту JFlash в диалоговом режиме. Этот *.jflash - текстовый файл в котором прописан интерфейс (USB/TCP), битовая скорость, тип ядра процессора, путь к hex файлу, базовый адрес начала FLASH памяти и прочие метаданные.

>JFlash.exe -openprjBoardName.jflash -openBoard_Config.hex -programverify -startapp -exit

Способ №3 Прошить пошаговым отладчиком Ozone

Фаза 11: Настроить пошаговую отладку в Ozone

Пошаговую отладку можно делать в Segger Ozone. Выбираем микроконтроллер FC7300F8M и ядро.

Выбираем набор регистров.

Ставим JTAG, частоту и серийный номер отладчика

Указываем путь к elf файлу.

Настраиваем проект отладки

F5 Download and Erаse.

Ozone загрузил программу в SoC

Теперь можно отлаживать прошивку. Для этого в Ozone заложены вот такие горячие кнопки:

Во время пошаговой отладки LED на программаторе J-link мерцает. Итак, прошивка зависла. Я нажал Halt и обнаружил строчку в коде, в которой возникла загвоздка. Оказывается вызвали отправку в UART до вызова функции FCUART_Init. Вот так и работает пошаговая отладка.

Фаза 12: Пуск отладочного GDB сервера на PC

Среди набора утилит от SEGGER присутствует консольный GDB Server с названием JLinkGDBServerCL. Это программа, которая запускает процесс в операционной системе для непосредственного и непрерывного взаимодействия с программатором и микроконтроллером на другом конце JTAG шлейфа. Отладочному серверу надо указать интерфейсы между PC и программатором, интерфейс между программатором и целевым МК, битовые скорости и можно принудительно переопределить настройки по умолчанию. Вот такой скрипт инициирует пуск отладочного сервера.

:: see 3.3.5 Command line options

echo off
cls

set GDB_SERVER_OPT=

::Specifies the host interface to be used to connect to J-Link. 
::Currently, USB and TCP/IP are available.
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -select USB 

:: Tells GDBServer to which device J-Link is connected before the 
:: connect sequence is actually performed. 
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -device FC7300F8MDTxXxxxT1B 

::Sets the endianness of the target where endianness can either 
:: be “little” or “big”.
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -endian little 

::Selects the target interface J-Link shall use to connect to the target.
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -if JTAG 

::Starts J-Link Commander with a given initial speed.
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -speed 2000 

::Initializes the CPU register with default values on startup.
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -ir 

:: Select the port to listen for GDB clients
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -port 2331

::Select the port to listen for clients for SWO RAW output.
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -swoport 2332

::Select the port to listen for clients for printf output.
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -telnetport 2333

:: Starts the GDB Server with the option to listen on localhost only 
:: This means that only TCP/IP connections from localhost are accepted) 
:: or on any IP address. 
:: To allow remote debugging (connecting to GDBServer from another PC), 
:: deactivate this option. 
:: If no parameter is given, it will be set to 1 (active).
set GDB_SERVER_OPT=%GDB_SERVER_OPT% -LocalhostOnly 

set GDB_SERVER_OPT= %GDB_SERVER_OPT% -logtofile 

set GDB_SERVER_OPT= %GDB_SERVER_OPT% -log "GdbServerLog.txt"

set GDB_SERVER_PATH=JLinkGDBServerCL.exe

call %GDB_SERVER_PATH% %GDB_SERVER_OPT%

Только во время работающего отладочного сервера можно смело подключатся к нему уже отладочным клиентом. Получается тандем консольных утилит, которые общаются между собой через TCP сокет на порту с номером 2331.

Я рекомендую запускать GDB сервер именно из отдельного *.bat скрипта, чтобы у Вас всегда перед глазами был ценнейший лог сервера. В случае осечек, вы хоть сможете прочитать и понять причину осечки.

Фаза 13: Настроить GDB клиент на PC

GDB клиент - эта такая утилита, которая получает *.elf файл, связывается по сокету с GDB сервером и позволяет делать пошаговую отладку. Только и всего. Программа Ozone объединяет в себе и клиент и сервер. Однако можно запускать их и по отдельности. Это альтернативный вариант программе Ozone.

Подарок судьбы в том, что в Eclipse IDE есть плагин для работы с Segger J-link. Мы как раз его установили при настройке Eclipse . Это позволяет ассоциировать текстовый редактор и отладочный GDB клиент. Хотя ничего не мешает и отлаживаться вообще в консоли. Про это у меня есть отдельный текcт: Пошаговая GDB отладка ARM процессора из консоли в Win10

во вкладке Debugger отключаем запуск сервера.

В окне GDB Client Setup прописываем абсолютный путь к GDB клиенту

C:Program Files (x86)GNU Arm Embedded Toolchain10 2021.10binarm-none-eabi-gdb.exe

Сообщаем, что GDB сервер работает на этом же компьютере, указываем порт 2331 для общения с GDB сервером.

просим загружать прошивку

ставим точку останова на main

оставляем без изменений

ставим галочки

можно указать путь к файлу описания регистров

Всё готово для пошаговой отладки.

в Eclipse горячие клавиши уже другие:

Фаза 14: Пуск UART-CLI

Пошаговая отладка медленная и нужна только в том случае, если прошивка полностью зависнет. Остальной же базовый функционал можно вполне успешно отлаживать через интерфейс командной строки (UART-CLI). Поэтому я добавил в прошивку код для запуска CLI.

Подключение происходит по UART1, на битовой скорости 460800 bit/s, 8 bit в кадре, без проверки чётности, 2 стоповых бита. На всякий случай надо поставить паузу 10 ms между отправкой символов.

CLI показывает, что микроконтроллер за одну секунду проворачивает суперцикл 50k+ раз!

Эпилог

Весь маршрут исходного кода можно показать на одном листке. Инструментарий вполне привычный, доступный и бесплатный.

То же самое можно показать вот на такой слегка упрощенной схеме.

Итоги

Теперь ясно с какой стороны подходить к китайским микроконтроллерам FC7300x компании FlagСhip.

Удалось вручную написать make скрипт для проекта, безошибочно компилировать сборки, настроить сервер сборки, удалось прошивать микроконтроллер по JTAG, выполнять пошаговую отладку несколькими способами (Ozone и JlinkGDBServer) и даже запустить отладочный интерфейс командной строки UART-TUI.

Всё это открывает прямую дорогу для полноценной разработки на микроконтроллерах FC7300F8MDT от компании FlagChip.

Ссылки

Словарь

Вопросы

--Чем ARM Cortex-M4 отличается от ARM Cortex-M7?