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前言

现代编程有多种形式，例如 Web 开发、桌面应用程序开发、移动开发等等，其中白包括嵌入式开发。嵌入式开发是指对旨在嵌入到更大系统中的计算机进行编程，嵌入式计算机通常负责特定任务，而不是通用计算设备。

嵌入式计算机可能运行一个完整的操作系统，或者一个只提供一些实时功能调度的简约系统。在根本没有操作系统的情况下，计算机被称为裸机（bare metal），因此裸机编程是直接为缺少操作系统的（微型）计算机编程。裸机编程可能极具挑战性，并且与其他类型的编程有很大不同，代码直接与底层硬件接口相关，使用电压表和示波器等工具来调试软件的情况并不少见。

现代嵌入式硬件有多种类型，但绝大部分都包含 ARM 架构的 CPU，移动设备通常使用的高通、麒麟或苹果 A 系列 CPU 都基于 ARM 架构。本指南是 ARM 系统的 C 语言裸机编程。具体来说，使用的是 ARM Cortex-M0 架构，这是 32 位 ARM 架构.

硬件准备

我们将使用FRDM KL25Z128开发板作为核心板，具体的电路设计为清华大学Blazar开源硬件系统。

Blazar 开源硬件系统以类游戏机的功能布局，搭载了 I/O 按键、音频、视频接口，具有温度、光线、运动传感器以及标准通讯接口和扩展引脚等，这些模块中包括了 I/O、中断、时钟、PWM、通讯、数模变换等嵌入式系统学习的基本单元，可以开发完成各种趣味程序，也可以进一步拓展 GPS、蓝牙模块和各种创意应用。

Blazar 项目团队 2017 年在清华大学制作完成了 MOOC 在线开放课程 ARM微控制器与嵌入式系统。2018 年，此 MOOC 课程被评为国家精品在线开放课程，累计已有数万人次在线选课学习。

Linux 环境准备

本指南的开发将会在 Linux 环境下进行，因此需要准备好 Linux 开发环境。如果你还没有 Linux 开发环境，有三种主要方式可以选择：

  1. 在本地安装 Linux：有一台运行 Linux 的计算机，可以直接安装开发环境。
  2. 在虚拟机中安装 Linux：在 VMware、VirtualBox 或其他虚拟机软件中安装 Linux 系统。
  3. 在 Windows 系统上安装 Linux 子系统（Windows Subsystem for Linux，WSL）：Windows 10 版本 1903 及以上版本支持安装 WSL2 系统。

本地安装 Linux（待补充）

虚拟机安装 Linux（待补充）

WSL 安装 Linux（待补充）

安装结束后，由于调试过程中需要用到 USB 接口进行通信，我们需要将 USB 接口从 Windows 系统中转接到 WSL 中，使用的工具为 usbipd-win，具体可参考 连接 USB 设备。

工具配置

为继续进行，需要以下工具：

GCC交叉编译工具链

什么是交叉编译器？它在一个平台上运行，但为另一个平台创建可执行文件，在本指南中通常在 x86-64 平台上运行 Linux，得到 ARM 平台的可执行文件。GNU 构建工具，以及扩展的 GCC，使用目标三元组的概念来描述平台，三元组列出了平台的体系结构、供应商和操作系统或二进制接口类型。目标三元组的供应商部分通常是无关紧要的。你可以通过运行 gcc -dumpmachine来查找你自己机器的目标三元组，例如：

$ gcc -dumpmachine
x86_64-linux-gnu

要为 ARM 编译需要选择正确的交叉编译器工具链，即目标三元组与实际目标相匹配的工具链。相当普遍的 gcc-arm-linux-gnueabi 工具链无法满足需求，因为该名称表明该工具链旨在为运行 Linux 的 ARM 设备编译代码。本指南进行裸机编程，因此目标系统上没有运行 Linux，需要的工具链目标三元组应该为 gcc-arm-none-eabi。在 Ubuntu 上能够简单地安装工具链：

$ sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

此外也可以从 ARM GCC 下载对应的软件包，安装完成之后将安装位置加入到环境变量PATH中。

自动化构建工具 make

在 Ubuntu 中打开终端，执行：

$ sudo apt -y install make

在 MacOS 中打开终端，执行：

$ /bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
$ brew install make

烧录与调试工具 J-Link

前往 SEGGER J-Link 下载对应安装包安装好 J-Link，安装完成之后将安装位置加入到环境变量PATH中。

代码编辑与调试平台 VSCode

安装好 VSCode 本体之后，我们需要安装若干插件完善开发的体验：

  • C/C++: C/C++ IntelliSense, debugging, and code browsing.
  • Cortex-Debug: ARM Cortex-M GDB Debugger support for VSCode
  • MemoryView: Provide memory views for debuggers
  • LinkerScript: Language support for GNU linker script
  • Arm Assembly: Arm assembly syntax support for Visual Studio Code

数据手册

参考资料

  1. Visual Studio Code for C/C++ with ARM Cortex-M: Part 1 – Installation
  2. 连接 USB 设备