在 RT-Thread Nano 上添加控制台与 FinSH

本片文档分为两部分:第一部分是实现 UART 控制台,该部分只需要实现两个函数即可完成 UART 控制台打印功能。第二部分是实现移植 FinSH 组件,实现在控制台输入命令调试系统,该部分实现基于第一部分,只需要添加 FinSH 组件源码并再对接一个系统函数即可实现。下面将对这两部分进行说明。

在 Nano 上添加 UART 控制台

在 RT-Thread Nano 上添加 UART 控制台打印功能后,就可以在代码中使用 RT-Thread 提供的打印函数 rt_kprintf() 进行信息打印,从而获取自定义的打印信息,方便定位代码 bug 或者获取系统当前运行状态等。实现控制台打印(需要确认 rtconfig.h 中已使能 RT_USING_CONSOLE 宏定义),需要完成基本的硬件初始化,以及对接一个系统输出字符的函数,本小节将详细说明。

实现串口初始化

使用串口对接控制台的打印,首先需要初始化串口,如引脚、波特率等。 uart_init() 需要在 board.c 中的 rt_hw_board_init() 函数中调用。

/* 实现 1:初始化串口 */
static int uart_init(void);

示例代码:如下是基于 HAL 库的 STM32F103 串口驱动,完成添加控制台的示例代码,仅做参考。

static UART_HandleTypeDef UartHandle;
static int uart_init(void)
{
    /* 初始化串口参数,如波特率、停止位等等 */
    UartHandle.Instance = USART1;
    UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;
    UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;
    UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;
    UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
    UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

    /* 初始化串口引脚等 */
    if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
    {
        while(1);
    }

    return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);
/* board.c */
void rt_hw_board_init(void)
{
    ....
    uart_init();             // 在 rt_hw_board_init 函数中调用 串口初始化 函数
    ....
}

实现 rt_hw_console_output

实现 finsh 组件输出一个字符,即在该函数中实现 uart 输出字符:

/* 实现 2:输出一个字符,系统函数,函数名不可更改 */
void rt_hw_console_output(const char *str);

注意事项

注意:RT-Thread 系统中已有的打印均以 \n 结尾,而并非 \r\n,所以在字符输出时,需要在输出 \n 之前输出 \r,完成回车与换行,否则系统打印出来的信息将只有换行。

示例代码:如下是基于STM32F103 HAL 串口驱动对接的 rt_hw_console_output() 函数,实现控制台字符输出,示例仅做参考。

void rt_hw_console_output(const char *str)
{
    rt_size_t i = 0, size = 0;
    char a = '\r';

    __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

    size = rt_strlen(str);
    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        if (*(str + i) == '\n')
        {
            HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);
        }
        HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);
    }
}

结果验证

在应用代码中编写含有 rt_kprintf() 打印的代码,编译下载,打开串口助手进行验证。如下图是一个在 main() 函数中每隔 1 秒进行循环打印 Hello RT-Thread 的示例效果:

示例

在 Nano 上添加 FinSH 组件

RT-Thread FinSH 是 RT-Thread 的命令行组件(shell),提供一套供用户在命令行调用的操作接口,主要用于调试或查看系统信息。它可以使用串口 / 以太网 / USB 等与 PC 机进行通信,使用 FinSH 组件基本命令的效果图如下所示:

效果图

本文以串口 UART 作为 FinSH 的输入输出端口与 PC 进行通信,描述如何在 Nano 上实现 FinSH shell 功能。

在 RT-Thread Nano 上添加 FinSH 组件,实现 FinSH 功能的步骤主要如下:

  1. 添加 FinSH 源码到工程。
  2. 实现函数对接。

添加 FinSH 源码到工程

KEIL 添加 FinSH 源码

点击 Manage Run-Environment:

Manage Run-Environment

勾选 shell,这将自动把 FinSH 组件的源码到工程:

勾选 shell

Cube MX 添加 FinSH 源码

打开一个 cube 工程,点击 Additional Software,在 Pack Vendor 中可勾选 RealThread 快速定位 RT-Thread 软件包,然后在 RT-Thread 软件包中勾选 shell,即可添加 FinSH 组件的源码到工程中。

Cube MX 添加 FinSH 源码

其他 IDE 添加 FinSH 源码

其他 IDE 添加 FinSH 源码,需要手动添加 FinSH 源码以及头文件路径到工程中,以 IAR IDE 为例进行结介绍。

1、复制 FinSH 源码到目标裸机工程:直接复制 Nano 源码中 rtthread-nano/components 文件夹下的 finsh 文件夹到工程中,如图:

复制 finsh 源码

2、目标工程添加 FinSH 源码:

  • 打开工程,新建 finsh 分组,添加工程中 finsh 文件夹下的所有. c 文件,如下图;
  • 添加 finsh 文件夹的头文件路径(点击 Project -> Options... 进入弹窗进行添加,如下图);
  • 在 rtconfig.h 中添加 #define RT_USING_FINSH 宏定义,这样 FinSH 将生效,如下图。

添加 finsh 源码

添加 finsh 头文件路径

添加 finsh 所需宏定义

实现 rt_hw_console_getchar

要实现 FinSH 组件功能:既可以打印也能输入命令进行调试,控制台已经实现了打印功能,现在还需要在 board.c 中对接控制台输入函数,实现字符输入:

/* 实现 3:finsh 获取一个字符,系统函数,函数名不可更改 */
char rt_hw_console_getchar(void);
  • rt_hw_console_getchar():控制台获取一个字符,即在该函数中实现 uart 获取字符,可以使用查询方式获取(注意不要死等,在未获取到字符时,需要让出 CPU),也可以使用中断方式获取。

示例代码:如下是基于 STM32F103 HAL 串口驱动对接的 rt_hw_console_getchar(),完成对接 FinSH 组件,其中获取字符采用查询方式,示例仅做参考。

char rt_hw_console_getchar(void)
{
    int ch = -1;

    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {
        ch = UartHandle.Instance->DR & 0xff;
    }
    else
    {
        if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_ORE) != RESET)
        {
            __HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(&UartHandle);
        }
        rt_thread_mdelay(10);
    }
    return ch;
}

结果验证

编译下载代码,打开串口助手,可以在串口助手中打印输入 help 命令,回车查看系统支持的命令:

下载验证 finsh

如果没有成功运行,请检查对接的函数实现是否正确。

移植示例代码

轮询示例

如下是基于 STM32F103 HAL 串口驱动,实现控制台输出与 FinSH Shell,其中获取字符采用查询方式,示例仅做参考。

/* 初始化串口 */
static UART_HandleTypeDef UartHandle;
static int uart_init(void)
{
    /* 初始化串口参数,如波特率、停止位等等 */
    UartHandle.Instance = USART1;
    UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;
    UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;
    UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;
    UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
    UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

    /* 初始化串口引脚等 */
    if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
    {
        while(1);
    }

    return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);

/* 移植控制台,实现控制台输出, 对接 rt_hw_console_output */
void rt_hw_console_output(const char *str)
{
    rt_size_t i = 0, size = 0;
    char a = '\r';

    __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

    size = rt_strlen(str);
    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        if (*(str + i) == '\n')
        {
            HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);
        }
        HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);
    }
}

/* 移植 FinSH,实现命令行交互, 需要添加 FinSH 源码,然后再对接 rt_hw_console_getchar */
/* 查询方式 */
char rt_hw_console_getchar(void)
{
    int ch = -1;

    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {
        ch = UartHandle.Instance->DR & 0xff;
    }
    else
    {
        if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_ORE) != RESET)
        {
            __HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(&UartHandle);
        }
        rt_thread_mdelay(10);
    }
    return ch;
}

中断示例

如下是基于 STM32F103 HAL 串口驱动,实现控制台输出与 FinSH Shell,其中获取字符采用中断方式。原理是,在 uart 接收到数据时产生中断,在中断中把数据存入 ringbuffer 缓冲区,然后释放信号量,tshell 线程接收信号量,然后读取存在 ringbuffer 中的数据。示例仅做参考。

/* 第一部分:ringbuffer 实现部分 */
#include <rtthread.h>
#include <string.h>

#define rt_ringbuffer_space_len(rb) ((rb)->buffer_size - rt_ringbuffer_data_len(rb))

struct rt_ringbuffer
{
    rt_uint8_t *buffer_ptr;

    rt_uint16_t read_mirror : 1;
    rt_uint16_t read_index : 15;
    rt_uint16_t write_mirror : 1;
    rt_uint16_t write_index : 15;

    rt_int16_t buffer_size;
};

enum rt_ringbuffer_state
{
    RT_RINGBUFFER_EMPTY,
    RT_RINGBUFFER_FULL,
    /* half full is neither full nor empty */
    RT_RINGBUFFER_HALFFULL,
};

rt_inline enum rt_ringbuffer_state rt_ringbuffer_status(struct rt_ringbuffer *rb)
{
    if (rb->read_index == rb->write_index)
    {
        if (rb->read_mirror == rb->write_mirror)
            return RT_RINGBUFFER_EMPTY;
        else
            return RT_RINGBUFFER_FULL;
    }
    return RT_RINGBUFFER_HALFFULL;
}

/** 
 * get the size of data in rb 
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_data_len(struct rt_ringbuffer *rb)
{
    switch (rt_ringbuffer_status(rb))
    {
    case RT_RINGBUFFER_EMPTY:
        return 0;
    case RT_RINGBUFFER_FULL:
        return rb->buffer_size;
    case RT_RINGBUFFER_HALFFULL:
    default:
        if (rb->write_index > rb->read_index)
            return rb->write_index - rb->read_index;
        else
            return rb->buffer_size - (rb->read_index - rb->write_index);
    };
}

void rt_ringbuffer_init(struct rt_ringbuffer *rb,
                        rt_uint8_t           *pool,
                        rt_int16_t            size)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);
    RT_ASSERT(size > 0);

    /* initialize read and write index */
    rb->read_mirror = rb->read_index = 0;
    rb->write_mirror = rb->write_index = 0;

    /* set buffer pool and size */
    rb->buffer_ptr = pool;
    rb->buffer_size = RT_ALIGN_DOWN(size, RT_ALIGN_SIZE);
}

/**
 * put a character into ring buffer
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_putchar(struct rt_ringbuffer *rb, const rt_uint8_t ch)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);

    /* whether has enough space */
    if (!rt_ringbuffer_space_len(rb))
        return 0;

    rb->buffer_ptr[rb->write_index] = ch;

    /* flip mirror */
    if (rb->write_index == rb->buffer_size-1)
    {
        rb->write_mirror = ~rb->write_mirror;
        rb->write_index = 0;
    }
    else
    {
        rb->write_index++;
    }

    return 1;
}
/**
 * get a character from a ringbuffer
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_getchar(struct rt_ringbuffer *rb, rt_uint8_t *ch)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);

    /* ringbuffer is empty */
    if (!rt_ringbuffer_data_len(rb))
        return 0;

    /* put character */
    *ch = rb->buffer_ptr[rb->read_index];

    if (rb->read_index == rb->buffer_size-1)
    {
        rb->read_mirror = ~rb->read_mirror;
        rb->read_index = 0;
    }
    else
    {
        rb->read_index++;
    }

    return 1;
}


/* 第二部分:finsh 移植对接部分 */
#define UART_RX_BUF_LEN 16
rt_uint8_t uart_rx_buf[UART_RX_BUF_LEN] = {0};
struct rt_ringbuffer  uart_rxcb;         /* 定义一个 ringbuffer cb */
static UART_HandleTypeDef UartHandle;
static struct rt_semaphore shell_rx_sem; /* 定义一个静态信号量 */

/* 初始化串口,中断方式 */
static int uart_init(void)
{
    /* 初始化串口接收 ringbuffer  */
    rt_ringbuffer_init(&uart_rxcb, uart_rx_buf, UART_RX_BUF_LEN);

    /* 初始化串口接收数据的信号量 */
    rt_sem_init(&(shell_rx_sem), "shell_rx", 0, 0);

    /* 初始化串口参数,如波特率、停止位等等 */
    UartHandle.Instance = USART2;
    UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;
    UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;
    UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;
    UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
    UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

    /* 初始化串口引脚等 */
    if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
    {
        while (1);
    }

    /* 中断配置 */
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&UartHandle, UART_IT_RXNE);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);
    HAL_NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 3, 3);

    return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);

/* 移植控制台,实现控制台输出, 对接 rt_hw_console_output */
void rt_hw_console_output(const char *str)
{
    rt_size_t i = 0, size = 0;
    char a = '\r';

    __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

    size = rt_strlen(str);
    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        if (*(str + i) == '\n')
        {
            HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);
        }
        HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);
    }
}

/* 移植 FinSH,实现命令行交互, 需要添加 FinSH 源码,然后再对接 rt_hw_console_getchar */
/* 中断方式 */
char rt_hw_console_getchar(void)
{
    char ch = 0;

    /* 从 ringbuffer 中拿出数据 */
    while (rt_ringbuffer_getchar(&uart_rxcb, (rt_uint8_t *)&ch) != 1)
    {
        rt_sem_take(&shell_rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
    } 
    return ch;   
}

/* uart 中断 */
void USART2_IRQHandler(void)
{
    int ch = -1;
    rt_base_t level;
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter();          //在中断中一定要调用这对函数,进入中断

    if ((__HAL_UART_GET_FLAG(&(UartHandle), UART_FLAG_RXNE) != RESET) &&
        (__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&(UartHandle), UART_IT_RXNE) != RESET))
    {
        while (1)
        {
            ch = -1;
            if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(UartHandle), UART_FLAG_RXNE) != RESET)
            {
                ch =  UartHandle.Instance->DR & 0xff;
            }
            if (ch == -1)
            {
                break;
            }  
            /* 读取到数据,将数据存入 ringbuffer */
            rt_ringbuffer_putchar(&uart_rxcb, ch);
        }        
        rt_sem_release(&shell_rx_sem);
    }

    /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();    //在中断中一定要调用这对函数,离开中断
}

#define USART_TX_Pin GPIO_PIN_2
#define USART_RX_Pin GPIO_PIN_3

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    if (huart->Instance == USART2)
    {
        __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();

        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
        /**USART2 GPIO Configuration
        PA2     ------> USART2_TX
        PA3     ------> USART2_RX
        */
        GPIO_InitStruct.Pin = USART_TX_Pin | USART_RX_Pin;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    }
}

常见问题

Q: rt_kprintf() 不能打印浮点数吗?

A: 不可以。但是可以通过其他方法实现打印浮点数的目的,比如成倍扩大数值后,分别打印整数与小数部分。

Q: 在实现 FinSH 完整功能时,却不能输入。

示例

A:可能的原因有:UART 驱动未实现字符输入函数、未打开 FinSH 组件等;如果手动开启了 HEAP,需要确定 HEAP 是否过小,导致 tshell 线程创建失败 。

Q: 出现 hard fault。

A: ps 后关注各个线程栈的最大利用率,若某线程出现 100% 的情况,则表示该线程栈过小,需要将值调大。

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