假日嵌入式藍芽開發工程師：nRF51822 (3)
Introduction
這篇文章介紹怎麼用Makefile + GCC搭建NRF51的開發環境，我試著結合自己工作經驗，聊一下我對建構開發環境的看法。另外我在Windows/ Linux/ Mac三個作業系統都試過可以用，投資時間在GCC開發環境其實是值得的。
我認為工程師一定要自己親手架設過開發環境，親身體驗所有細節，才會成為高手。我工作的地方選擇專業分工，大多環境的東西都有專人維護，團隊成員只要會用會抱怨就可以了。但是compiler如果出問題，最好的手法是單獨抽出compile command，修改compile flag，或著丟出pre-processor output來觀察。能弄清楚程式怎麼編譯，連結，image檔怎麼出來，真的是好處多多。
我過去我用過Keil ARM寫Samsung S3C2410的bootloader。產生好ELF以後，抽出text/data section，自己寫工具下載到NAND Flash，然後看CPU開機載入我寫的程式 -> 爽！不過前面的敘述裡，還是有個版權物Keil ARM。所以這次我要脫離舒適圈，採用GCC + Makefile做一樣的事。
目錄結構
好的目錄結構帶你上天堂！這個題目其實沒有聖杯，端看規劃的目的。我規劃的目錄結構如下，設計初衷是整個目錄能放在隨身碟帶著走，所以compiler也解壓縮到裡面去。但我還是得安裝另外一些小工具。最後我還是用安裝檔裝到/c/Program Files/底下，這樣能大幅壓縮開發包目錄。開發包目錄我會搭配版本控制一起用，預期裡面的東西一行都不能改（不過後面有些原因會放寬），我選擇用另外一個git project來儲存user code（但最後也不是，呵呵）。
雖然不完美，還是放出來給大家見笑一下，過幾個月我再回來笑自己。
- nrf51822_dev_pkg/
- dist/
- 放下載回來的安裝包，比如compiler，SDK，Nordic-Tool都放這裡
- doc/
- 放網路上找到的文件，比如板子的schematic，IC的data sheet，Application Note
- SDK/
- 放Nordic SDK解壓縮的本體
- tool/
- 放工具解壓縮後的目錄，比如compiler本體，或著Nordic-tool
下載GCC
以前我用過Code Sourcery的GCC，這間公司做toolchain很強大，後來被Mentor Graphics買走，現在比較沒那麼活耀。現在我改用Launchpad提供的GCC-ARM，這是Canonical（發行Ubuntu公司 ）提供的平台，應該是比較穩定一點。安裝包有portable的zip file或安裝檔，我最後選用安裝檔（理由如上）。
- https://launchpad.net/gcc-arm-embedded/+download
- gcc-arm-none-eabi-5_2-2015q4-20151219-win32.exe
下載mingw (for Windows)
Nordic SDK支援跨平台GCC + Makefile，為了能在各種作業系統用（Win/ Linux/ Mac），一定是用UNIX系列指令而不是WINDOWS指令。其實微軟就老實在cmd.exe底下，給出cp/ rm/ make/ awd/ sed這些常用工具不就結案了？我一共評估了這些解法：
- 下載Win32專用的Makefile執行檔，並且修改Nordic的Makefile。把rm改del，把cp改copy，然後每次我都覺得很累很委屈＝＞放棄這招。
- 使用Bash on Ubuntu on Windows，在windows 10透過kernel service跑一個user mode的Ubuntu Linux，然後直接原生跑bash，使用體驗就真的和跑Linux一樣！現在微軟CEO的作風和Steve Ballmer真的大不同！但是這招的本質是跑真實的Linux，所以整套toolchain都要是Linux版。當前的Windows Subsystem for Linux根本摸不到J-Link driver，所以這招根本也不合用。
- 最後一招就是用cygwin/ msys這類的外掛解決方案（真是不情願啊）。cygwin是老牌解決方案，但我很不喜歡，主因是terminal很醜，很肥大。msys是一組小型的toolchain，提供windows的cmd.exe的替代品，加上常見UNIX command，輕薄短小，就用它吧。
家裡的電腦要拿來打電動，使我離不開windows；如果有第二台開發專用機，直接裝一套Linux桌面其實會省事一點；上面這些事就不用折騰了。
下載SEGGER JLink Driver, SEGGER Ozone, NRFJPROG
SEGGER JLink driver
我一直很推SEGGER的JLink，裝個driver應該不為過。現在SEGGER JLink driver也有Linux/ Mac版，跨平台開發不是問題。
SEGGER Ozone Debugger
我們總是想要設斷點和單步執行，SEGGER有提供跨平台的Ozone debugger，裝起來用吧
nrfjprog
nRFJPROG這個檔案比較有趣，是Nordic用JLink SDK寫的燒錄工具，可以方便地把hex file寫進IC裡，想土炮也可以自己用Jlink command製作。在這裡，Nordic SDK預設會用NRFJPROG來燒MCU，所以就先裝吧！
下載和設定Nordic SDK
Nordic最早文件和SDK要買開發工具才能看，所以我去淘寶開發板只能去百度網盤下載，我也不好意思說出來。物聯網時代開發者才是寶，不然CPU像廢鐵。後來Nordic直接開放下載，我才能大方寫文章，不然我在這裡附上百度網盤還真得不好意思… Nordic SDK可以在這裡下載，我用v10.0。Nordic semiconductor的開發者網站資源也蠻豐富的，他們有員工回答問題，以及寫tutorial文件。
我不想改SDK裡的檔案，但是Nordic SDK要我這麼做，低頭吧：
跑LED Blinky範例
終於到了最後一段了，怎麼用Nordic SDK的範例。因為我的板子PCA10001已經沒有標準支援，所以會較辛苦一點。首先複製一包code避免改錯：
before:
nRF51_SDK_10.0.0_dc26b5e/ examples/ peripheral/ blinky/
after:
nRF51_SDK_10.0.0_dc26b5e/ examples/ peripheral/ blinky_test/
目錄裡面長得像下圖，這裡簡單介紹一下裡面的結構。
- main.c
這個檔案有個while-loop，不斷toggle LED。底下有個delay 500ms，等一下成功下載以後，可以回來再改這個數字，看看有沒有生效 - pca10028/ blinky/
這個目錄代表PCA10028這塊板子，整顆IC都是空的，裡面想做什麼都自己控管。 - pca10028/ s110/
Nordic的BLE protocol名叫softdevice，會占用一定區塊的Flash/RAM。這個範例包括S110 (純粹的BLE peripheral）的範例。 - pca10028/ s110/ arm4/
pca10028/ s110/ arm5_no_packs/
pca10028/ s110/ armgcc/
pca10028/ s110/ iar/
Nordic SDK每個範例都提供4種toolchain的project file，這篇文章的範例是針對ARM-GCC
我手邊這片PCA10001沒有直接支援，所以我把pca10028目錄整個複製一份叫pca10001，然後切到pca10001/s110/armgcc進行以下修改
- 修改Makefile
- 把所有10028改成10001
- 把所有51422改成51822
- 修改blinky_gcc_nrf51.ld，這個檔案是linker script，要告訴linker每段記憶體大小多少。範例的Flash/RAM是256KB/32KB；我的NRF51822 Flash/RAM是256KB/ 16KB。修改如下
Before:
RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20002000, LENGTH = 0x6000
After:
RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20002000, LENGTH = 0x2000
Reference:
http://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk51.v10.0.0%2Findex.html
一些make command，依序照順序key下去，就會動了！當然啦，原理還是得自己K了。
- make help
列出支援的targets，我這邊印出了nrf51822_xxac_s110 , flash_softdevice - make flash_softdevice
燒寫softdevice（只要做一次即可） - make clean
砍掉所有obj files - make nrf51822_xxac_s110 flash
重新build，然後把user code燒進去。這裡有個tricky的地方：燒flash的時候，不能只打make flash，不然沒用
Hack一下Makefile...
前面寫了我覺得自己弄開發環境很重要，這裡我也來擺弄一下Makefile，讓他更合用一點。
- 首先他的Makefile default target，對應的dependency是{clean, nrf51822_xxac_s110}。這表示會無條件clean再build，把clean拔掉讓他變incremental build。
- 要燒flash竟然要打make nrf51822_xxac_s110 flash，實在麻煩。為什麼不能打make flash就自動build並且燒錄？這邊的patch繼承上一個定義的變數"build_target"，避免duplication
- Nordic預設的compile option竟然沒有開啟debug information，到了debugger很難用。這邊等一下會搭配Debugger使用，可以試試看沒有-g會怎樣。
設定SEGGER OZone Debugger for NRF51822
用慣Keil切gcc已經不大舒服；如果還要再用gdb（GNU debugger），我大概會立馬放棄。但這不表示gdb不值得學習，他最大的好處（也是缺點）是吃command line，這代表他有scriptting的能力，也許某些場合用得上。還好有SEGGER Ozone能用，打開以後可以用Project wizard設定環境，底下放幾張截圖示範怎麼設定他：
- 第一張圖設定是哪個device，tool需要知道device資訊看是哪種CPU family（這樣才能正確顯示core peripheral registers），以及相關的Flash/RAM資訊。第二個Peripherals是ARM制定的CMSIS-SVD (System View Description)格式，使用XML描述CPU周邊registers。只要CPU製造商提供這檔案，各家tool也吃這個檔案，就能在工具裡正確顯示CPU周邊registers。目前ARM陣營已經都用這個標準，Nordic也在SDK提供，位在$SDK_ROOT/SVD/nrf51.svd。
- 第二張圖設定J-Link的速度。
- 最後一張圖設定ELF file在哪裡，這樣等一下就能step by C-code（否則只能step by instruction）
OZone debugger的Project file格式是文字檔，可以動手改東改西。這部分能參考User manual，比如說連上debugger立刻想看某個記憶體，或著讀寫某些記憶體，這類scriptting能力都非常好用。
下圖是實際跑起來的screenshot
- 左上角有functions view/ source files view
- 中間有source code以及右上角的有disasm view
- 右邊中間有registers可以看，包括CPU registers以及Peripherals。如果上面的SVD files沒有設定，那麼Peripherals這群就不會出現。
- 其他功能就和一般debugger一樣，可以試試看如果CFLGAG沒有開-g的差異。
Final
嗯，都寫道第三篇了，竟然還沒寫到和藍芽開發有關的東西（笑）
Reference
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