Go 最小硬件编程（第一部分） / 开普饭

我们能够让 Go 在多低的配置下运行并做一些实用的事情呢？

最近我购买了这个特别便宜的开发板：

购买它，我基于以下三个理由：第一，我（作为一个程序员）从未搞过 STM32F0 系列的开发板；第二，STM32F10x 系列的板子已经很陈旧了，STM32F0 系列的 MCU 十分便宜，有更新的外设，并有很多改进和 bug 修复；第三，我选择这个系列中最低配的是为了本文，这会让整个事情变得妙趣横生。

硬件

STM32F030F4P6 是令人印象深刻的硬件：

CPU: Cortex M0 48 MHz (最低配置中，只有 12000 个逻辑门电路),
RAM: 4 KB,
Flash: 16 KB,
ADC、SPI、I2C、USART 和几个定时器,

全部采用 TSSOP20 封装。如你所见，它是非常小的 32 位系统。

软件

如果你想知道如何在这块开发板上使用 Go 进行编程，你需要再阅读一次硬件手册。你必须面临的一个真实情况是：几乎没有人会在 Go 编译器中加入对 Cortex-M0 的支持，这就是一开始需要解决的问题。

我将会使用 Emgo，不用担心，你将会看到它会让你能够在如此小的系统上运行 Go。

在这块开发板送达我这里之前，还没有任何对 stm32/hal 系列 F0 MCU 的支持。在简单研究参考手册后，STM32F0 系列与 STM32F3 系列似乎是相似的，这就为工作展开找到了一个新的突破口。

如果你想跟上本文后续的步骤，你需要安装 Emgo：

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

同时配置几个环境变量：

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

想了解更多的细节，请访问 Emgo 官网。

保证 egc 在你的 PATH 中。你可以使用 go build 而不是 go install，然后将 egc 复制到你的 $HOME/bin 或者 /usr/local/bin 中。

现在为你的第一个 Emgo 程序创建新的目录，将例子中的连接器脚本复制到如下目录中：

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

最小程序

在 main.go 文件中创建最小程序：

package main
func main() {
}

编译这个文件，没有任何问题：

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

第一次编译会耗费一些时间。编译的二进制结果占用了 7624 字节（文本和数据）的 Flash 空间，对于一个什么都没有做的程序来说，占用的空间有点大。还剩下 8760 字节的空间去做一些有用的事情。

对于传统的 Hello, World! 代码如何：

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

很不幸，出错了：

$ 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 至少 32KB 的 Flash 空间。 fmt 包强制包含整个 strconv 和 reflect 包。甚至在精简版本的 Emgo 中，这三个在一起都非常大。我们不能实现这个例子了。其实许多的应用程序不需要花哨的格式化文本输出。通常情况下，一个或多个 LED 或是 7 段数码管显示就足够了。但是，在第二部分中，我将会尝试使用 strconv 包去格式化并在 UART 上打印一些数字或文本。

闪烁

我们的开发板有一个 LED 连接于 PA4 引脚和 VCC。这次我们编写多一点代码：

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)
    }
}

按照惯例，init 函数负责初始化和配置外设。 system.SetupPLL(8, 1, 48/8) 配置 RCC 去使用外部 8 MHz 振荡器的 PLL 作为系统时钟源。PLL 分频器设置为 1，倍频数为 48/8 = 6，这样就提供 48 MHz 的系统频率。 systick.Setup(2e6) 设置 Cortex-M SYSTICK 时钟作为系统时钟，每隔 2e6 纳秒运行一次（每秒 500 次）。 gpio.A.EnableClock(false) 为 GPIO A 口使能时钟。False 意思是时钟在低功耗模式下会被禁用，但是在 STM32F0 中没有实现低功耗模式。 led.Setup(cfg) 设置 PA4 引脚为开漏输出。 led.Clear() 设置 PA4 引脚为低电平，在开漏配置下，打开 LED。 led.Set() 设置 PA4 为高电平状态，关掉 LED。编译这个代码：

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

正如你看到的，闪烁程序比最小程序多占用 2320 字节的空间。这里仍然还有 6440 字节的剩余空间。让我们看看代码是否工作：

$ 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

在这篇文章中，这是我人生第一次把短视频转换为动画 PNG。对此我印象深刻，告别了 YouTube 同时对 IE 用户说声抱歉。了解更多，请访问 apngasm。我应该学习 HTML5 基础的，但是现在 APNG 是我喜欢的展现循环短视频的方式了。

Channels

Channels 是 Go 中 goroutines 之间通信最好的方式。Emgo 做的更多，它允许通过 中断处理 去使用缓冲 channels。下面的例子实际展示了这种情况。

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,
}

与之前例子的不同之处对比：

第三个 LED 被添加，连接到 PA9 引脚（UART 头部的 TXD 引脚）。
定时器（TIM3）被引入作为中断源。
新的 timerISR 方法处理 irp.TIM3 中断。
新增的容量为 1 的缓冲 channel 用于 timerISR 和 blinky 协程之间进行通信。
ISRs 数组作为中断向量表，是更大的异常向量表的一部分。
blinky 的 for 语句 被替换为 range 语句。为了方便，所有的 LED 或者其引脚都被集中放入 leds 数组中。除此之外，所有的引脚都已经在它们被配置为输出之前设置为已知的初始状态（高电平）。在这个例子中，我们想计时器以 1kHz 跳动。为了配置 TIM3 预分频器，我们需要知道它的输入时钟频率。根据参考手册，当 APBCLK = AHBCLK 时，输入时钟频率等于 APBCLK，否则为 2 倍 APBCLK。如果 CNT 寄存器增加 1 kHz，那么 ARR 寄存器的值对应于以毫秒表示的更新事件（重载事件）的计数周期。为了让更新事件产生中断，在 DIER 寄存器中的 UIE 比特位必须被置位。CEN 比特位使能计时器。外部定时器在低功耗模式下应该保持可用，这是为了在 CPU 睡眠时保持跳动：timer.EnableClock(true)。在 STM32F0 中这个没有关系，但是它对于代码的可移植性很重要。 timerISR 方法处理 irq.TIM3 中断请求。timer.SR.Store(0) 清除 SR 寄存器中的所有事件标志让 IRQ 到 NVIC 无效。根据经验规则一般是在处理程序开始时，立即清除中断标志，因为 IRQ 无效会有延时。这就阻止了不明所以的再次调用处理器的情况。为了完全放心，清除读序列应该被运行，但是在我们的例子中，清理一下就足够了。以下代码：
```
select {
case ch <- 0:
 // Success
default:
 leds[0].Clear()
}
```
是使用 Go 的方式在一个 channel 上非阻塞地发送消息。没有一个中断处理程序能够在等待 channel 中的空闲空间。如果 channel 满了，执行 default，那么开发板上 LED 被点亮，直到下一次中断。 ISRs 数组包含中断向量。//c:__attribute__((section(".ISRs"))) 会造成连接器将会把它插入到 .ISRs section 中。新的 blinky 的 for 循环：
```
for range ch {
 led.Clear()
 delay.Millisec(100)
 led.Set()
 delay.Millisec(period - 100)
}
```
等价于：
```
for {
 _, ok := <-ch
 if !ok {
     break // Channel closed.
 }
 led.Clear()
 delay.Millisec(100)
 led.Set()
 delay.Millisec(period - 100)
}
```
注意，在这个例子中，我们对从 channel 中接收到的值不感兴趣。我们只在意这里能够接收到东西就行。我们可以通过声明 channel 的元素类型给予它空的结构体表达式 struct{} 而不是 int，同时发送 struct{}{} 值而不是 0，但是它会让才看到这个的人略感陌生。让我们来编译这个代码：
```
$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
text    data     bss     dec     hex filename
11096     228     188   11512    2cf8 cortexm0.elf
```
这个新的例子占用了 11324 字节的 Flash 空间，比之前的多了 1132 字节。使用当前的时序，两个 blinky goroutines 从 channel 消费的速度比 timerISR 发送给它的速度快得多。因此，它们同时等待新数据到来，你可以观察到 Go规范所要求的 select 的随机性。

开发板上的 LED 总是关闭的，因此 channel 没有出现溢出。让我们来加快发送的速度，改变 timer.ARR.Store(700) 为 timer.ARR.Store(200)。现在 timerISR 每秒发送 5 条数据，但是两个接收者每秒同时只能接收 4 条消息。

正如你所看到的，timerISR 点亮了黄色 LED，意味着在 channel 中没有空间了。到这里，我完成了本文的第一部分。你应该清除这一部分没有为你展示 Go 语言中最重要的东西，接口。 Goroutines 和 channels 是很棒很便捷的语法。你可以用你自己的代码替换它们 - 这不容易但是可行。接口是 Go 的本质，这就是我将在本文的第二部分开始的内容。我们仍然有空闲的 Flash 空间。

Go 最小硬件编程（第一部分）

硬件

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