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Go語言在極小硬件上的運(yùn)用（一）

Go 語言，能在多低下的配置上運(yùn)行并發(fā)揮作用呢？

我最近購買了一個(gè)特別便宜的開發(fā)板：

STM32F030F4P6

我購買它的理由有三個(gè)。首先，我（作為程序員）從未接觸過 STM320 系列的開發(fā)板。其次，STM32F10x 系列使用也有點(diǎn)少了。STM320 系列的 MCU 很便宜，有更新一些的外設(shè)，對系列產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)，問題修復(fù)也做得更好了。最后，為了這篇文章，我選用了這一系列中最低配置的開發(fā)板，整件事情就變得有趣起來了。

硬件部分

STM32F030F4P6 給人留下了很深的印象：

CPU: Cortex M0 48 MHz（最低配置，只有 12000 個(gè)邏輯門電路）
RAM: 4 KB，
Flash: 16 KB，
ADC、SPI、I2C、USART 和幾個(gè)定時(shí)器

以上這些采用了 TSSOP20 封裝。正如你所見，這是一個(gè)很小的 32 位系統(tǒng)。

軟件部分

如果你想知道如何在這塊開發(fā)板上使用 Go 編程，你需要反復(fù)閱讀硬件規(guī)范手冊。你必須面對這樣的真實(shí)情況：在 Go 編譯器中給 Cortex-M0 提供支持的可能性很小。而且，這還僅僅只是第一個(gè)要解決的問題。

我會使用 Emgo，但別擔(dān)心，之后你會看到，它如何讓 Go 在如此小的系統(tǒng)上盡可能發(fā)揮作用。

在我拿到這塊開發(fā)板之前，對 stm32/hal 系列下的 F0 MCU 沒有任何支持。在簡單研究參考手冊后，我發(fā)現(xiàn) STM32F0 系列是 STM32F3 削減版，這讓在新端口上開發(fā)的工作變得容易了一些。

如果你想接著本文的步驟做下去，需要先安裝 Emgo

 
 
 
 
  
  
  
  cd $HOME  
  
  
  git clone https://github.com/ziutek/emgo/  
  
  
  cd emgo/egc  
  
  
  go install

然后設(shè)置一下環(huán)境變量

 
 
 
 
  
  
  
  export EGCC=path_to_arm_gcc # eg. /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-gcc  
  
  
  export EGLD=path_to_arm_linker # eg. /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ld  
  
  
  export EGAR=path_to_arm_archiver # eg. /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ar  
  
  
     
  
  
  export EGROOT=$HOME/emgo/egroot  
  
  
  export EGPATH=$HOME/emgo/egpath  
  
  
     
  
  
  export EGARCH=cortexm0  
  
  
  export EGOS=noos  
  
  
  export EGTARGET=f030x6

更詳細(xì)的說明可以在 Emgo 官網(wǎng)上找到。

要確保 egc 在你的 PATH 中。你可以使用 go build 來代替 go install，然后把 egc 復(fù)制到你的 $HOME/bin 或 /usr/local/bin 中。

現(xiàn)在，為你的第一個(gè) Emgo 程序創(chuàng)建一個(gè)新文件夾，隨后把示例中鏈接器腳本復(fù)制過來：

 
 
 
 
  
  
  
  mkdir $HOME/firstemgo  
  
  
  cd $HOME/firstemgo  
  
  
  cp $EGPATH/src/stm32/examples/f030-demo-board/blinky/script.ld .

最基本程序

在 main.go 文件中創(chuàng)建一個(gè)最基本的程序：

 
 
 
 
  
  
  
  package main  
  
  
     
  
  
  func main() {  
  
  
  }

文件編譯沒有出現(xiàn)任何問題：

 
 
 
 
  
  
  
  $ egc  
  
  
  $ arm-none-eabi-size cortexm0.elf  
  
  
   text data bss dec hex filename  
  
  
   7452 172 104 7728 1e30 cortexm0.elf

第一次編譯可能會花點(diǎn)時(shí)間。編譯后產(chǎn)生的二進(jìn)制占用了 7624 個(gè)字節(jié)的 Flash 空間（文本 + 數(shù)據(jù)）。對于一個(gè)什么都沒做的程序來說，占用的空間有些大。還剩下 8760 字節(jié)，可以用來做些有用的事。

不妨試試傳統(tǒng)的 “Hello, World!” 程序：

 
 
 
 
  
  
  
  package main  
  
  
     
  
  
  import "fmt"  
  
  
     
  
  
  func main() {  
  
  
   fmt.Println("Hello, World!")  
  
  
  }

不幸的是，這次結(jié)果有些糟糕：

 
 
 
 
  
  
  
  $ egc  
  
  
  /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ld: /home/michal/P/go/src/github.com/ziutek/emgo/egpath/src/stm32/examples/f030-demo-board/blog/cortexm0.elf section `.text' will not fit in region `Flash'  
  
  
  /usr/local/arm/bin/arm-none-eabi-ld: region `Flash' overflowed by 10880 bytes  
  
  
  exit status 1

“Hello, World!” 需要 STM32F030x6 上至少 32KB 的 Flash 空間。

fmt 包強(qiáng)制包含整個(gè) strconv 和 reflect 包。這三個(gè)包，即使在精簡版本中的 Emgo 中，占用空間也很大。我們不能使用這個(gè)例子了。有很多的應(yīng)用不需要好看的文本輸出。通常，一個(gè)或多個(gè) LED，或者七段數(shù)碼管顯示就足夠了。不過，在第二部分，我會嘗試使用 strconv 包來格式化，并在 UART 上顯示一些數(shù)字和文本。

閃爍

我們的開發(fā)板上有一個(gè)與 PA4 引腳和 VCC 相連的 LED。這次我們的代碼稍稍長了一些：

 
 
 
 
  
  
  
  package main  
  
  
     
  
  
  import (  
  
  
   "delay"  
  
  
     
  
  
   "stm32/hal/gpio"  
  
  
   "stm32/hal/system"  
  
  
   "stm32/hal/system/timer/systick"  
  
  
  )  
  
  
     
  
  
  var led gpio.Pin  
  
  
     
  
  
  func init() {  
  
  
   system.SetupPLL(8, 1, 48/8)  
  
  
   systick.Setup(2e6)  
  
  
     
  
  
   gpio.A.EnableClock(false)  
  
  
   led = gpio.A.Pin(4)  
  
  
     
  
  
   cfg := &gpio.Config{Mode: gpio.Out, Driver: gpio.OpenDrain}  
  
  
   led.Setup(cfg)  
  
  
  }  
  
  
     
  
  
  func main() {  
  
  
   for {  
  
  
   led.Clear()  
  
  
   delay.Millisec(100)  
  
  
   led.Set()  
  
  
   delay.Millisec(900)  
  
  
   }  
  
  
  }

按照慣例，init 函數(shù)用來初始化和配置外設(shè)。

system.SetupPLL(8, 1, 48/8) 用來配置 RCC，將外部的 8 MHz 振蕩器的 PLL 作為系統(tǒng)時(shí)鐘源。PLL 分頻器設(shè)置為 1，倍頻數(shù)設(shè)置為 48/8 =6，這樣系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 48MHz。

systick.Setup(2e6) 將 Cortex-M SYSTICK 時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘，每隔 2e6 次納秒運(yùn)行一次（每秒鐘 500 次）。

gpio.A.EnableClock(false) 開啟了 GPIO A 口的時(shí)鐘。False 意味著這一時(shí)鐘在低功耗模式下會被禁用，但在 STM32F0 系列中并未實(shí)現(xiàn)這一功能。

led.Setup(cfg) 設(shè)置 PA4 引腳為開漏輸出。

led.Clear() 將 PA4 引腳設(shè)為低，在開漏設(shè)置中，打開 LED。

led.Set() 將 PA4 設(shè)為高電平狀態(tài)，關(guān)掉LED。

編譯這個(gè)代碼：

 
 
 
 
  
  
  
  $ egc  
  
  
  $ arm-none-eabi-size cortexm0.elf  
  
  
   text data bss dec hex filename  
  
  
   9772 172 168 10112 2780 cortexm0.elf

正如你所看到的，這個(gè)閃爍程序占用了 2320 字節(jié)，比最基本程序占用空間要大。還有 6440 字節(jié)的剩余空間。

看看代碼是否能運(yùn)行：

 
 
 
 
  
  
  
  $ openocd -d0 -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f0x.cfg -c 'init; program cortexm0.elf; reset run; exit'  
  
  
  Open On-Chip Debugger 0.10.0+dev-00319-g8f1f912a (2018-03-07-19:20)  
  
  
  Licensed under GNU GPL v2  
  
  
  For bug reports, read  
  
  
   http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html  
  
  
  debug_level: 0  
  
  
  adapter speed: 1000 kHz  
  
  
  adapter_nsrst_delay: 100  
  
  
  none separate  
  
  
  adapter speed: 950 kHz  
  
  
  target halted due to debug-request, current mode: Thread   
  
  
  xPSR: 0xc1000000 pc: 0x0800119c msp: 0x20000da0  
  
  
  adapter speed: 4000 kHz  
  
  
  ** Programming Started **  
  
  
  auto erase enabled  
  
  
  target halted due to breakpoint, current mode: Thread   
  
  
  xPSR: 0x61000000 pc: 0x2000003a msp: 0x20000da0  
  
  
  wrote 10240 bytes from file cortexm0.elf in 0.817425s (12.234 KiB/s)  
  
  
  ** Programming Finished **  
  
  
  adapter speed: 950 kHz

在這篇文章中，這是我第一次，將一個(gè)短視頻轉(zhuǎn)換成動(dòng)畫 PNG。我對此印象很深，再見了 YouTube。對于 IE 用戶，我很抱歉，更多信息請看 apngasm。我本應(yīng)該學(xué)習(xí) HTML5，但現(xiàn)在，APNG 是我最喜歡的，用來播放循環(huán)短視頻的方法了。

STM32F030F4P6

通道

通道是 Go 語言中協(xié)程之間相互通信的一種推薦方式。Emgo 甚至能允許通過中斷處理來使用緩沖通道。下一個(gè)例子就展示了這種情況。

 
 
 
 
  
  
  
  package main  
  
  
     
  
  
  import (  
  
  
   "delay"  
  
  
   "rtos"  
  
  
     
  
  
   "stm32/hal/gpio"  
  
  
   "stm32/hal/irq"  
  
  
   "stm32/hal/system"  
  
  
   "stm32/hal/system/timer/systick"  
  
  
   "stm32/hal/tim"  
  
  
  )  
  
  
     
  
  
  var (  
  
  
   leds [3]gpio.Pin  
  
  
   timer *tim.Periph  
  
  
   ch = make(chan int, 1)  
  
  
  )  
  
  
     
  
  
  func init() {  
  
  
   system.SetupPLL(8, 1, 48/8)  
  
  
   systick.Setup(2e6)  
  
  
     
  
  
   gpio.A.EnableClock(false)  
  
  
   leds[0] = gpio.A.Pin(4)  
  
  
   leds[1] = gpio.A.Pin(5)  
  
  
   leds[2] = gpio.A.Pin(9)  
  
  
     
  
  
   cfg := &gpio.Config{Mode: gpio.Out, Driver: gpio.OpenDrain}  
  
  
   for _, led := range leds {  
  
  
   led.Set()  
  
  
   led.Setup(cfg)  
  
  
   }  
  
  
     
  
  
   timer = tim.TIM3  
  
  
   pclk := timer.Bus().Clock()  
  
  
   if pclk < system.AHB.Clock() {  
  
  
   pclk *= 2  
  
  
   }  
  
  
   freq := uint(1e3) // Hz  
  
  
   timer.EnableClock(true)  
  
  
   timer.PSC.Store(tim.PSC(pclk/freq - 1))  
  
  
   timer.ARR.Store(700) // ms  
  
  
   timer.DIER.Store(tim.UIE)  
  
  
   timer.CR1.Store(tim.CEN)  
  
  
     
  
  
   rtos.IRQ(irq.TIM3).Enable()  
  
  
  }  
  
  
     
  
  
  func blinky(led gpio.Pin, period int) {  
  
  
   for range ch {  
  
  
   led.Clear()  
  
  
   delay.Millisec(100)  
  
  
   led.Set()  
  
  
   delay.Millisec(period - 100)  
  
  
   }  
  
  
  }  
  
  
     
  
  
  func main() {  
  
  
   go blinky(leds[1], 500)  
  
  
   blinky(leds[2], 500)  
  
  
  }  
  
  
     
  
  
  func timerISR() {  
  
  
   timer.SR.Store(0)  
  
  
   leds[0].Set()  
  
  
   select {  
  
  
   case ch <- 0:  
  
  
   // Success  
  
  
   default:  
  
  
   leds[0].Clear()  
  
  
   }  
  
  
  }  
  
  
     
  
  
  //c:__attribute__((section(".ISRs")))  
  
  
  var ISRs = [...]func(){  
  
  
   irq.TIM3: timerISR,  
  
  
  }

與之前例子相比較下的不同:

添加了第三個(gè) LED，并連接到 PA9 引腳（UART 頭的 TXD 引腳）。
時(shí)鐘（TIM3）作為中斷源。
新函數(shù) timerISR 用來處理 irq.TIM3 的中斷。
新增容量為 1 的緩沖通道是為了 timerISR 和 blinky 協(xié)程之間的通信。
ISRs 數(shù)組作為中斷向量表，是更大的異常向量表的一部分。
blinky 中的 for 語句被替換成 range 語句。

為了方便起見，所有的 LED，或者說它們的引腳，都被放在 leds 這個(gè)數(shù)組里。另外，所有引腳在被配置為輸出之前，都設(shè)置為一種已知的初始狀態(tài)（高電平狀態(tài)）。

在這個(gè)例子里，我們想讓時(shí)鐘以 1 kHz 的頻率運(yùn)行。為了配置 TIM3 預(yù)分頻器，我們需要知道它的輸入時(shí)鐘頻率。通過參考手冊我們知道，輸入時(shí)鐘頻率在 APBCLK = AHBCLK 時(shí)，與 APBCLK 相同，反之等于 2 倍的 APBCLK。

如果 CNT 寄存器增加 1 kHz，那么 ARR 寄存器的值等于更新事件（重載事件）在毫秒中的計(jì)數(shù)周期。為了讓更新事件產(chǎn)生中斷，必須要設(shè)置 DIER 寄存器中的 UIE 位。CEN 位能啟動(dòng)時(shí)鐘。

時(shí)鐘外設(shè)在低功耗模式下必須啟用，為了自身能在 CPU 處于休眠時(shí)保持運(yùn)行: timer.EnableClock(true)。這在 STM32F0 中無關(guān)緊要，但對代碼可移植性卻十分重要。

timerISR 函數(shù)處理 irq.TIM3 的中斷請求。timer.SR.Store(0) 會清除 SR 寄存器里的所有事件標(biāo)志，無效化向 NVIC 發(fā)出的所有中斷請求。憑借經(jīng)驗(yàn)，由于中斷請求無效的延時(shí)性，需要在程序一開始馬上清除所有的中斷標(biāo)志。這避免了無意間再次調(diào)用處理。為了確保萬無一失，需要先清除標(biāo)志，再讀取，但是在我們的例子中，清除標(biāo)志就已經(jīng)足夠了。

下面的這幾行代碼：

 
 
 
 
  
  
  
  select {  
  
  
  case ch <- 0:  
  
  
   // Success  
  
  
  default:  
  
  
   leds[0].Clear()  
  
  
  }

是 Go 語言中，如何在通道上非阻塞地發(fā)送消息的方法。中斷處理程序無法一直等待通道中的空余空間。如果通道已滿，則執(zhí)行 default，開發(fā)板上的LED就會開啟，直到下一次中斷。

ISRs 數(shù)組包含了中斷向量表。//c:__attribute__((section(".ISRs"))) 會導(dǎo)致鏈接器將數(shù)組插入到 .ISRs 節(jié)中。

blinky 的 for 循環(huán)的新寫法：

 
 
 
 
  
  
  
  for range ch {  
  
  
   led.Clear()  
  
  
   delay.Millisec(100)  
  
  
   led.Set()  
  
  
   delay.Millisec(period - 100)  
  
  
  }

等價(jià)于：

 
 
 
 
  
  
  
  for {  
  
  
   _, ok := <-ch  
  
  
   if !ok {  
  
  
   break // Channel closed.  
  
  
   }  
  
  
   led.Clear()  
  
  
   delay.Millisec(100)  
  
  
   led.Set()  
  
  
   delay.Millisec(period - 100)  
  
  
  }

注意，在這個(gè)例子中，我們不在意通道中收到的值，我們只對其接受到的消息感興趣。我們可以在聲明時(shí)，將通道元素類型中的 int 用空結(jié)構(gòu)體 struct{} 來代替，發(fā)送消息時(shí)，用 struct{}{} 結(jié)構(gòu)體的值代替 0，但這部分對新手來說可能會有些陌生。

讓我們來編譯一下代碼:

 
 
 
 
  
  
  
  $ egc  
  
  
  $ arm-none-eabi-size cortexm0.elf  
  
  
   text data bss dec hex filename  
  
  
   11096 228 188 11512 2cf8 cortexm0.elf

新的例子占用了 11324 字節(jié)的 Flash 空間，比上一個(gè)例子多占用了 1132 字節(jié)。

采用現(xiàn)在的時(shí)序，兩個(gè)閃爍協(xié)程從通道中獲取數(shù)據(jù)的速度，比 timerISR 發(fā)送數(shù)據(jù)的速度要快。所以它們在同時(shí)等待新數(shù)據(jù)，你還能觀察到 select 的隨機(jī)性，這也是 Go 規(guī)范所要求的。

STM32F030F4P6

開發(fā)板上的 LED 一直沒有亮起，說明通道從未出現(xiàn)過溢出。

我們可以加快消息發(fā)送的速度，將 timer.ARR.Store(700) 改為 timer.ARR.Store(200)。現(xiàn)在 timerISR 每秒鐘發(fā)送 5 條消息，但是兩個(gè)接收者加起來，每秒也只能接受 4 條消息。

STM32F030F4P6

正如你所看到的，timerISR 開啟黃色 LED 燈，意味著通道上已經(jīng)沒有剩余空間了。

第一部分到這里就結(jié)束了。你應(yīng)該知道，這一部分并未展示 Go 中最重要的部分，接口。

協(xié)程和通道只是一些方便好用的語法。你可以用自己的代碼來替換它們，這并不容易，但也可以實(shí)現(xiàn)。接口是Go 語言的基礎(chǔ)。這是文章中第二部分所要提到的.

在 Flash 上我們還有些剩余空間。

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