NuttX 的環境架設 QEMU + VSCode — 開發 POSIX 嵌入式系統

NuttX LOGO

為什麼用 NuttX?

使用過很多開發版，尤其有現在市面上有很多 Arduino 相容的開發板，要上手也十分容易。而最近幾年，AIoT 這個概念打得火熱，很多廠家都在 MCU 的基礎上把 WiFi 與 Bluetooth 連網的功能加上去，CPU 核心使用了 ARM Cortex-M3 或是更高級的 CPU 核心，SONY 的 Spresense 系列就用了 6 個 Cortex-M4 核心的強大處理器。對於資深的開發者來說，這個組合已經是非常強大，不過跟著原廠出來的開發工具，給 Maker 用的大多就是和 Arduino 相容，或是 FreeRTOS …沒有 POSIX 對於硬核的開發者來說，實在不會很開心。

既然如此，身為 Maker 就需要自己來解決這個問題，我想跑 POSIX 的原因單純只是因為開發 Embedded System 快 25 年經驗累積的不少軟體，從 QNX (現在在車機上大鳴大放的 OS) 到 VxWorks 到 Embedded Linux，大部分都是遵循 POSIX 標準開發的軟體體系。QNX 現在已經是著名的車載系統，現在很多的汽車電子儀表板，裡面跑就是 QNX，堪稱『隱形冠軍』。

FreeRTOS 被 Amazon 買走，我之前慣用的 ThreadX 也被 Microsoft 買走，這兩個 RTOS 在 MCU 的軟體開發上面應該算是蠻主流的 RTOS。而 FreeRTOS 和 ThreadX 上面也都有外掛的 POSIX 支援，但是 NuttX 比較不同的事情是 NuttX 就是原生的 POSIX 支援，在開發或是移植比較大型的軟體上面，這是會讓開發與移植速度更快的優勢。

要快速做到這件事情，我需要建立一個軟體模擬環境，因為我要做的是軟體架構的驗證，真的把系統弄到板子上面去是最後一個階段的工作，一開始不要自己找麻煩，因為光弄到板子，建立開發環境，並且測試就需要花很多時間了，更不用說開發的時候要跟硬體搏鬥，我想節省這個時間，所以我就先建立了 NuttX 在 Ubuntu 20.04 LTS上面的 QEMU 模擬器，並且使用 gdb 與 VSCode 去開發。

其實 NuttX 的 Build 選項內就有使用 host OS (Linux) 來模擬的選項，但是我不想用這個模式，原因是用這個模式，會導致 symbol table 管理上會混亂。試想，如果今天要使用一個 API 是 pthread_mutex_lock，我到底是使用模擬 NuttX 的 pthread_mutex_lock 還是 Linux 原生的 pthread_mutex_lock? 因此我還是希望能用 QEMU 模擬器，才能更掌握 NuttX 相關的核心調度過程。

開始動手

接下來的這個過程，其實流程和我之前寫的一篇文章有點類似 (使用 QEMU + FreeRTOS + Visual Source Code 開發嵌入式系統)，有關 GDB 和 VSCode 設定的部分我就不在這邊贅述了，我在這邊文章先描述如何在 Ubuntu 20.04 LTS 上面修改 QEMU，重新編譯與如何設定 NuttX 的組態，讓他可以在 QEMU 上面跑起來。

安裝開發工具

把慣用的開發工具一起安裝上了包含編輯器 (vim)，或是代碼管理工具 (git)，打包工具 (make / cmake / libtool)，網路工具包 (net-tools) … 等等，我們也一併安裝上去。但是和上一篇 FreeRTOS 的過程還是有一些不一樣，這邊我們不能使用 Debian Package Manger 提供的 QEMU，因為上面的 QEMU 裡面並不支援 NuttX 上面要的開發板型號，爬了一下 QEMU source code，發現其實是有支援的，不過是要悲催地自己下載編譯，而且我們想將 NuttX 的 debug console 導引到 UART1… 這也需要小小修改一下 QEMU 的 source code，稍後再說明。

打入以下指令安裝必要的工具包

$ sudo apt install git vim make cmake libtool libtool-bin libfdt-dev gcc gcc-arm-none-eabi gdb gdb-multiarch make net-tools universal-ctags kconfig-frontends -y

抓取 NuttX 代碼

接著去 GITHUB 把 NuttX 代碼抓下來，新版本的 NuttX 把 Kernel 和 APP 的目錄整個切開了，所以需要分別去把 NuttX Kernel 與 APP 抓下來。另外要注意的是，在 Build Kernel 的時候，他認得的目錄叫做 “nuttx” 與 “apps”，要如同下面的命令去把 NuttX 和 APP 放在正確的目錄內。我自己的習慣是在 $HOME 目錄下面建立一個 “work” 目錄，把 Source Code 放在裡面。

$ mkdir -p $HOME/work
$ cd $HOME/work
$ git clone https://github.com/apache/incubator-nuttx.git nuttx
$ git clone https://github.com/apache/incubator-nuttx-apps.git apps

Build Nuttx Kernel

$ cd $HOME/work/nuttx

這時候要告訴 tools/configure.sh

1. 我們是在 Linux 的環境上編譯
2. 我們的 app 目錄 (注意：app 目錄一定要是 nuttx 目錄的相對位置，在這裡就是 “../apps” )
3. 最後是開發版與 app 名字，我們選擇 ” stm32f103-minimum:nsh“

stm32f103 這個開發板就是 Ubuntu 20.04 LTS package manager 裡面的 QEMU 並沒有支援到的板子，所以等一下我們要自己抓 QEMU 下來編譯。選擇 minimum kernel 的配置，執行 NuttShell。

$ ./tools/configure.sh -E -l -a ../apps stm32f103-minimum:nsh

NuttX 會開始做配置，配置完成之後先不急著 Build，打入下面的指令進入 NuttX 的 Config 選項。

$ make menuconfig

NuttX 的整個配置的設定方式和 Linux kernel 一樣，用選的，我覺得是滿好的方式，如下圖

NuttX 的配置畫面

1. 在 “System Type” 下面選擇 “ARM” → STMicro STM32 F1/F2/F3/F4/G4/L1 這個選項。
2. 在 “Build Setup” 下面選擇 “Build Host Platform” 為 “Linux”
3. 在 “Build Setup” 下面選擇 “Debug Options” → “Enable Debug Feature”
4. 在 “Build Setup” 下面選擇 “Generate Debug Symbols”
5. 離開之前記得 <Save> 把你的 .config 儲存起來

然後你就可以 build 了…

$ make -j16

很快的 (NuttX 其實很小)，Kernel 和 Symbol Table 就 Build 出來了，在 $HOME/work/nuttx 目錄下面會產生兩個檔案，一個是 nuttx.bin，這是給 QEMU 執行的，另外一個是 nuttx，這是給 GDB 看的。

小修改一下 QEMU 並且編譯

GITHUB 上面有一個針對 STM32 ARM 出來的 QEMU https://github.com/beckus/qemu_stm32.git 雖然有點舊，但是用這個版本測試是沒有問題的，而且簡單並且上手速度快，所以我們下載這個

$ git clone https://github.com/beckus/qemu_stm32.git

下載完成之後，要小修改一下 UART 的順序，主要是我想將 NuttShell 的 console 從 UART1 打出來，我用 “-serial stdio” 就可以用 Linux 的 tty 操作，而原來的 QEMU 的順序剛好相反，所以小修一下：

$ cd $HOME/work/qemu_stm32
$ vi hw/arm/stm32_p103.c

還沒有修改前長這樣

修改前

修改之後長這樣

修改後

其實我只是把 uart2 和 uart1 顛倒過來而已 — 疑? 好像改完之後才是正確的啊…之後你就可以打下面的指令，去把 ARM 版本的 QEMU 建造出來。

$ ./configure --disable-werror
$ make -j16

順利的話，QEMU fo ARM 就已經被 build 起來成功了，現在切換到 nuttx 的目錄內：

$ cd $HOME/work/nuttx

打入下面的指令，讓 QEMU 執行 nuttx kernel，選擇 hardware 為 stm32-p103，選擇 NuttX kernel (nuttx.bin)，把第一個 serial port (UART) 轉到 stdio，並且停在第一行指令，聽 port 1234 等待 GDB 來連接。

$ ../qemu_stm32/arm-softmmu/qemu-system-arm -machine stm32-p103 -kernel ./nuttx.bin -nographic -s -S -serial stdio

執行完成之後，開啟另外一個 terminal 打入下面的命令啟動 gdb-multiarch，載入 nuttx (symbol)。

$ gdb-multiarch nuttx

在 gdb 下打入下面的指令。

(gdb) target remote localhost:1234

就可以連接到 QEMU 下的 NuttX，可以瀏覽 source code，到這裡，就完成了開發環境的設定，可以開心地研究 NuttX 了。

GDB + QEMU + NuttX

至於使用 VSCode，和我上一篇文章，使用 FreeRTOS 的時候完全一樣，請參閱 (使用 QEMU + FreeRTOS + Visual Source Code 開發嵌入式系統)。

打開 VSCode，打開目錄到 $HOME/work/nuttx 之下，選擇 VSCode 的 Run → Start Debuggin，如果是第一次執行，VSCode 會跳出 launch.json 請您修改，更改 launch.json 如下，大同小異，只是把 program 改成 $(workspaceFolder)/nuttx

// Use IntelliSense to learn about possible attributes.
// Hover to view descriptions of existing attributes.
// For more information, visit: https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=830387
{
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        {
            "name": "(gdb) Launch",
            "type": "cppdbg",
            "request": "launch",
            "program": "${workspaceFolder}/nuttx",
            "miDebuggerServerAddress": "localhost:1234",
            "args": [],
            "stopAtEntry": false,
            "cwd": "${workspaceFolder}",
            "environment": [],
            "externalConsole": false,
            "MIMode": "gdb",
            "setupCommands": [
                {
                    "description": "Enable pretty-printing for gdb",
                    "text": "-enable-pretty-printing",
                    "ignoreFailures": true
                    }
            ],
            "miDebuggerPath": "/usr/bin/gdb-multiarch",
            "miDebuggerServerAddress": "localhost:1234"
        }
    ]
}

之後就可以用 VSCode 在 QEMU 與 GDB 的環境下研究或是開發 NuttX 了。

NuttX + QEMU + VSCode Source Level Debug