BareMetalのMicropythonをRaspberryPi_Zeroにインストールしてみる

2020/2/18++++

BareMetal RpiZero MicroPython Install

BareMetal RpiZero MicroPython Install

概要

まだWiFiがサポートされていないようだがBareMetalのMicropythonをRaspberryPi_Zeroにインストールする方法について記載する。 以下、RaspberryPi_ZeroをRpiZeroとする。 (ホストPCとしてはubuntuを想定している)

事前準備

(1)ampyのインストール
AMPY_PORTは、自分の環境に合わせる。

  pip install adafruit-ampy
  export AMPY_PORT=/dev/ttyUSB0
  export AMPY_BAUD=115200
  

(2)picocomのインストール

  sudo apt-get install picocom
  

以上のうち、exportしているものは、.bashrcに登録することを勧める。

ビルド手順

以下の手順でビルドする：

  git clone https://github.com/boochow/micropython-raspberrypi.git
  cd micropython-raspberrypi
  git submodule update --init
  cd micropython; git submodule update --init; cd ..
  cd raspberrypi
  make BOARD=RPI1

  # Raspberry Pi2の場合、以下にする： 
  #make BOARD=RPI2

  # 以上で次のイメージが作成される
  build/firmware.img

  

ビルドしたファームウェアの書き込み

参照した手順ではブートできなかったので、実際にブートできたやり方を以下に記する：
(1)本家サイトで記載されたやりかたでブートSDを作成する。
headless RaspberryPiインストール方法を参照のこと。
(2)そのsdにはbootとrootfsのパーティションが作成されるが bootに上でビルドしたfirmware.imgをコピーする。
(3)bootにあるconfig.txtを編集して以下の１行を末尾に追加する。
kernel=firmware.img

参考情報：
ネット情報によれば/boot のカーネルイメージには、以下がある：
(1)kernel.img
初代Raspberry Pi/RpiZeo用でarmv6になる
(2)kernel7.img
Raspberry Pi2用/Pi3用/Pi4?用でarmv7になる。

今回のブートは、kernel.imgの代わりに firmware.imgを起動することになる。

BareMetal MicroPythonの起動

(1)シリアルをコンソールにするので、 以下のようにRpiZeroとUSBシリアルアダプターを接続する。

RpiZero	USB_serial(AE-TTL-232R)
p2(5V)	NC
p4(5V)	NC
p6(GND)	GND
p8(TXD)	RXD
p10( RXD)	TXD

NC:None Connection

接続は以下の写真が分かりやすい：
https://blog.boochow.com/wp-content/uploads/rpi-zero-serial.jpg

(2)USBシリアルをホストＰＣに接続する。(デバイス名を/dev/ttyUSB0とする)
(3)「picocom /dev/ttyUSB0 -b115200」でUSBシリアルを起動しておく。
(4)RpiZeroに上で作成したSDを刺し電源を入れる。(MicroPythonが起動する)
(5)起動しておいたUSBシリアルにMicroPythonのメッセージが出力される。

BareMetal MicroPython　ログ出力例

picocomを使いボードとシリアルで通信する。 以下、通信例：

  PYB: soft reboot

  mounting SD card...done
  MicroPython 0fb6bf7 on 2020-02-18; Raspberry Pi with ARM1176JZF-S
  Type "help()" for more information.

  >>> import gc
  >>> gc.collect()
  >>> gc.mem_free()
  65567440
  # 他のボードよりもRAMが大きいので、大きな数字になっている。
  >>> 

  >>> 
  >>> import os
  >>> os.listdir()
  ['overlays', 'bcm2708-rpi-b-plus.dtb', 'COPYING.linux', 'LICENCE.broadcom', 'bcm2708-rpi-zero-w.dtb', 'bcm2708-rpi-b.dtb', 'bcm2708-rpi-cm.dtb', 'issue.txt', 'bcm2708-rpi-zero.dtb', 'bcm2709-rpi-2-b.dtb', 'bcm2710-rpi-2-b.dtb', 'bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb', 'bcm2710-rpi-3-b.dtb', 'bcm2710-rpi-cm3.dtb', 'bcm2711-rpi-4-b.dtb', 'bootcode.bin', 'cmdline.txt', 'config.txt', 'fixup.dat', 'fixup4.dat', 'fixup4cd.dat', 'fixup4db.dat', 'fixup4x.dat', 'fixup_cd.dat', 'fixup_db.dat', 'fixup_x.dat', 'kernel.img', 'kernel7.img', 'kernel7l.img', 'kernel8.img', 'start.elf', 'start4.elf', 'start4cd.elf', 'start4db.elf', 'start4x.elf', 'start_cd.elf', 'start_db.elf', 'start_x.elf']
  # 通常のブートsdのbootが見えているので、必要ないファイルが見えている。

  >>> import sys
  >>> sys.path
  ['', '/sd/lib', '/sd']
  # パスはSD向けに設定されている
  >>> 


  >>> import os
  >>> os.uname()
  Traceback (most recent call last):
    File "<stdin>", line 1, in <module>
  AttributeError: no such attribute
  # エラーになるようだ

  >>> 
  >>> list(5 * x + y for x in range(10) for y in [4, 2, 1])
  [4, 2, 1, 9, 7, 6, 14, 12, 11, 19, 17, 16, 24, 22, 21, 29, 27, 26, 34, 32, 31, 39, 37, 36, 44, 42, 41, 49, 47, 46]
  >>> 

  >>> help('modules')
  __main__          hashlib           struct            ujson
  array             io                sys               uos
  binascii          json              time              urandom
  builtins          machine           ubinascii         ure
  cmath             math              ucollections      ustruct
  collections       mcu               uctypes           utime
  errno             micropython       uerrno            utimeq
  framebuf          os                uhashlib          uzlib
  gc                random            uheapq            zlib
  gpu               re                uio
  Plus any modules on the filesystem
  >>> 


  

ampy実行例

以下のようにampyも動作するようだ：

  $ ampy ls
  /sd

  ~$ ampy ls /sd
  /sd/COPYING.linux
  ...
  省略
  ...
  /sd/kernel.img

  

動作したスクリプト

LEDonBoard_blink.py

  import utime
  from machine import Pin
  # set gpio47 to output mode
  led=Pin(47,Pin.OUT) # LED on board
  while(1):
      led(0)  # LED on
      utime.sleep_ms(300)
      led(1)  # LED off
      utime.sleep_ms(300)
  

ボード上のLEDが点滅する。

performaceTestRpiZero.py

  # Peformace Test RpiZero
  import time
  def performanceTest():
      msec = time.ticks_ms
      endTime = msec() + 10000
      count = 0
      while msec() < endTime:
          count += 1
      print("Count: ", count)

  performanceTest()
  

以下が出力される。(数字は多少変化する)
Count: 680525

Nucleo-F446REの数字が、2825625くらいなので それに比べると随分遅い結果になる。
(CPUキャッシュが有効になっていないせいだと思われる)

https://github.com/micropython/micropython-unicorn/blob/master/www-emu/pyboard_demos.py からの抜粋：
mandel.py

  # A python Mandelbrot set courtesy of
  # http://warp.povusers.org/MandScripts/python.html
  # Try your own Python3 scripts on MicroPython!

  minX = -2.0
  maxX = 1.0
  width = 60
  height = 28
  aspectRatio = 2

  chars = ' .,-:;i+hHM$*#@ '

  yScale = (maxX-minX)*(float(height)/width)*aspectRatio

  for y in range(height):
      line = ''
      for x in range(width):
          c = complex(minX+x*(maxX-minX)/width, y*yScale/height-yScale/2)
          z = c
          for char in chars:
              if abs(z) > 2:
                  break
              z = z*z+c
          line += char
      print(line)
  

動作しなかったスクリプト(エラーが出る)

led_blink.py

  import mcu, utime
  # set gpio47 to output mode
  mcu.mem32[mcu.GPFSEL4] = 2**21
  while(1):
      mcu.mem32[mcu.GPCLR1] = 2**15
      utime.sleep_ms(300)
      mcu.mem32[mcu.GPSET1] = 2**15
      utime.sleep_ms(300)
  

mcu.mem32のところでエラーになる。

assembler.py

  # inline assembler
  @micropython.asm_thumb
  def asm_add(r0, r1):
      add(r0, r0, r1)

  print(asm_add(1, 2))
  

inline-assemblerはサポートされていない？ようだ。

備考

ブートが安定しなくて、起動しないことが多い。原因は不明。一晩おいてから電源をいれるとブートしたりする。なにかしらリセット周りの問題？
→問題解決した。(2020/2/19)
「ブート問題解決(追記)」を参照のこと。

完成度が高まり、WiFiなどが使えるようになれば、機能的にはESP32の最上位機種的なものとして使える印象がある。

ブート問題解決(追記)

通常のブートSDをそのまま流用していたので、ブート時のMicroPythonのSDのマウントにおいて、rootfsのパーティションがあるので マウントに失敗してブートしないと推測する。（そうすると、成功率が低いにせよ、マウントできてブートが正常になる理由が分からないという話になるが。。。）
そこでrootfsがないSD(普通のフォーマットのSD)に以下のファイルのみをコピーして、それをブートSDとする。

config.txt, firmware.img, start.elf, bootcode.bin
補足：start.elf, bootcode.bin は、オリジナルの/bootに含まれたもの

このブートSDを使用することで確実にブートするようになった。
以下、ブート時のREPL出力：

  mounting SD card...done
  MicroPython 0fb6bf7 on 2020-02-18; Raspberry Pi with ARM1176JZF-S
  Type "help()" for more information.

  >>> import os
  >>> os.listdir()
  ['config.txt', 'firmware.img', 'start.elf', 'bootcode.bin']

  >>> import gc
  >>> gc.collect()
  >>> gc.mem_free()
  65565504
  >>> 

  >>> import sys
  >>> sys.path
  ['', '/sd/lib', '/sd']
  >>> 

  

なお、同じブートSDで初代Raspberry-PiでもMicroPythonが起動した。

参照情報

MicroPython on bare metal Raspberry Pi Zero / Zero W / 2
PiZero pinout
AE-TTL-232R-PINSOCKET

Quick reference for the Raspberry Pi Zero W MicroPython

ベアメタルRaspberry Pi用MicroPythonが公開
ベアメタルRaspberry Pi用MicroPythonをv1.11ベースに

USB版
HDMIディスプレイとUSBキーボードが使えるUSB版:
試していないが以下で使用できるようだ。
(1)microSDカードへ展開
(2)main.pyを開き、コメントアウトを外し（’# ‘を削除）て保存
(3)HDMIディスプレイとUSBキーボード（US配列のみ）を接続して起動

以上