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2021年2月 4日 (木)

PicoボードにPico_SDKでC言語をビルドする

2021/2/23+
openocdのudev登録を追加。
gdbの実行例を追加。

2021/2/17
必要なライブラリのインストールの追加。

2021/2/4
初版

rpi Pico SDK C/C++

rpi Pico SDK C/C++

概要

以下のPicoボードにPico_SDKでC言語をビルドする。
(ホストPCとしてはubuntuを想定している)

・Raspberry Pi Pico

事前準備

以下の手順でツールをインストールする：


  sudo apt update
  sudo apt install gcc-arm-none-eabi build-essential
  sudo apt install curl git picocom

  # udevのrulesを登録する
  curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/platformio/platformio-core/master/scripts/99-platformio-udev.rules | sudo tee /etc/udev/rules.d/99-platformio-udev.rules

  sudo udevadm control --reload-rules

  sudo usermod -a -G dialout $USER
  sudo usermod -a -G plugdev $USER

  # 必要なライブラリのインストール
  sudo apt install libusb-dev
  sudo apt install libusb-1.0-0-dev

  # ビルド時にエラーになったのでcmake最新版をインストールする
  # 古いcmakeを削除する
  sudo apt remove cmake

  mkdir ~/cmake_latest
  cd ~/cmake_latest

  wget https://github.com/Kitware/CMake/releases/download/v3.17.1/cmake-3.17.1.tar.gz
  tar zxvf cmake-3.17.1.tar.gz

  cd cmake-3.17.1/
  ./bootstrap
  make
  sudo make install

  # gdbのインストール
  sudo apt install gdb-multiarch

Pico_SDKの準備

以下の手順で必要なものをインストールする：


  # pico SDK のダウンロード
  mkdir ~/pico
  git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-sdk.git
  cd pico-sdk
  git submodule update --init

  # picotoolのインストール
  cd ~/pico
  git clone https://github.com/raspberrypi/picotool.git
  cd picotool
  mkdir build
  cd build
  export PICO_SDK_PATH=../../pico-sdk
  cmake ..
  make

  sudo cp picotool  /usr/local/bin/

  # elf2uf2のインストール
  # (sdkの環境のまま使用するときは不要)
  cd ~/pico
  cd pico-sdk/tools/elf2uf2
  mkdir build
  cd build
  export PICO_SDK_PATH=../../../../pico-sdk
  cmake ..
  make

  sudo cp elf2uf2  /usr/local/bin/

  # pioasmのインストール
  # (sdkの環境のまま使用するときは不要)
  cd ~/pico
  cd pico-sdk/tools/pioasm
  mkdir build
  cd build
  export PICO_SDK_PATH=../../../../pico-sdk
  cmake ..
  make

  sudo cp pioasm  /usr/local/bin/

以下を.bashrcを登録する：

export PICO_SDK_PATH=~/pico/pico-sdk

サンプルプログラムのダウンロード

以下の手順でダウンロードする：


  cd ~/pico
  git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-examples.git

サンプルプログラム(blink)のビルド


  cd ~/pico
  cd pico-examples
  mkdir build
  cd build
  export PICO_SDK_PATH=../../pico-sdk
  cmake ..
  cd blink
  make -j4

  # ビルド結果を確認する
  ls
  CMakeFiles  blink.bin  blink.elf      blink.hex  cmake_install.cmake
  Makefile    blink.dis  blink.elf.map  blink.uf2  elf2uf2

別のサンプル(hello_workd)のビルド

cd ~/pico
  cd pico-examples
  # すでにあるbuildをいったん削除する
  rm -rf build/
  mkdir build
  cd build
  export PICO_SDK_PATH=../../pico-sdk
  cmake ..
  cd hello_world
  make -j4

  # この例では２つのビルド結果ができるので確認する
  # その１：
  ls serial/
  CMakeFiles           hello_serial.bin  hello_serial.elf.map
  Makefile             hello_serial.dis  hello_serial.hex
  cmake_install.cmake  hello_serial.elf  hello_serial.uf2

  # その２：
  ls usb/
  CMakeFiles           hello_usb.bin  hello_usb.elf.map
  Makefile             hello_usb.dis  hello_usb.hex
  cmake_install.cmake  hello_usb.elf  hello_usb.uf2

他のサンプルも上の手順で「cd hello_world」のところをビルドしたい サンプルのディレクトリに置き換えて実行すればビルドできる。

ビルドしたファームウェアの確認

以下のやり方でファームウェアの内容を確認できる：


  $ picotool info firmware.uf2
  File firmware.uf2:

  Program Information
   name:            MicroPython
   version:         de1239b6a
   features:        USB REPL
                    thread support
   frozen modules:  _boot, rp2, ds18x20, onewire, uasyncio, uasyncio/core,
                    uasyncio/event, uasyncio/funcs, uasyncio/lock, uasyncio/stream

ビルドしたファームウェアの書き込み

以下の手順で書き込む：(ディレクトリ位置は例)


  # BOOTSELボタンを押しながらPicoボードをホストPCにUSB接続する。
  # BOOTSELボタンを離す。
  # 書き込み用のRPI-RP2ディレクトリが現れる

  cd build
  cd hello_world
  sudo cp usb/hello_usb.uf2 /media/<USER>/RPI-RP2/

以上でファームウェア(.uf2)がPicoボードに書き込まれる。
(<USER>の部分はホストの環境に合わせる)

動作確認

picocomを使いPicoボードとPC間でUSBシリアルで通信する。
通信例：


  $ picocom  -b115200 /dev/ttyACM0
  <省略>
  Hello, world!
  Hello, world!
  Hello, world!
  Hello, world!
  Hello, world!
  Hello, world!
  Hello, world!
  Hello, world!
  <省略>

プロジェクトを自動生成する

プログラムの雛形を自動生成できるので使ってみる。
以下の手順でgeneratorを動かす：


  cd pico
  git clone https://github.com/raspberrypi/pico-project-generator.git
  cd pico-project-generator
  ./pico_project.py --gui

以上でgeneratorのGUIが起動する。

以下のようにパラメータを入力する：


  (2)Project Name:
  任意のプログラムを入力する(例：mycode)

  (2)Location:
  プロジェクトを置くディレクトリを指定する(例：~/pico_ws)

  (3)Feature:
  利用する機能にチェックを入れる

  (4)Console Option:
  arduinoボード同様にコンソールをUSBシリアルにしたい場合、以下を選択する：
  [Console over USB]

  (5)Code Option:
  そのままで良い。

  (6)Build Option:
  そのままで良い。

  (7)パラメータを入力したら
  [OK]をクリックするとプロジェクトが生成される。

  (3)generatorから抜けるとき
  [Quit]をクリックする

ビルド/書き込み 以下の手順でビルドできる：(例)


  cd ~/pico_ws/mycode
  cd build
  make
  cp mycode.uf2 /media/<USER>/RPI-RP2

この場合、ソースは~/pico_ws/mycodeにある。

実際には、ここにある雛形のソース(mycode.c)を編集してプログラムする。

picoprobe

PICOボードをデバッグ(picoprobe)ボードにするためのファームウェアが提供されているので、それをビルドする：

build


  export PICO_SDK_PATH=~/pico/pico-sdk
  cd ~/pico
  git clone https://github.com/raspberrypi/picoprobe.git
  cd picoprobe
  mkdir build
  cd build
  cmake ..
  make -j4

  # PICOボードに書き込む
  sudo cp  picoprobe.uf2 /media/<USER>/RPI-RP2/

以上で、PICOボードが以下の機能をもつデバッグボードになる。

  1. CDC UART (USBシリアル)
  2. SWD probe

picoprobe対応のOpenOCDのビルド


  cd ~/pico
  sudo apt install automake autoconf build-essential texinfo libtool libftdi-dev libusb-1.0-0-dev
  git clone https://github.com/raspberrypi/openocd.git --branch picoprobe --depth=1
  cd openocd
  ./bootstrap
  ./configure --enable-picoprobe
  make -j4
  sudo make install

openocdのudev登録
以下の手順で登録する：


  echo 'ATTRS{idVendor}=="2e8a", ATTRS{idProduct}=="0004", MODE="0666"' | sudo tee /etc/udev/rules.d/99-picoprobe.rules
  sudo udevadm trigger

この登録がないと一般ユーザーとしてのopenocdを起動した場合「Error: libusb_open() failed with LIBUSB_ERROR_ACCESS」のエラーが出る。

起動方法


  openocd -f interface/picoprobe.cfg -f target/rp2040.cfg -s tcl

  Open On-Chip Debugger 0.10.0+dev-g14c0d0d-dirty (2021-02-01-08:41)
  Licensed under GNU GPL v2
  For bug reports, read
      http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
  Info : only one transport option; autoselect 'swd'
  Warn : Transport "swd" was already selected
  adapter speed: 5000 kHz

  Info : Hardware thread awareness created
  Info : Hardware thread awareness created
  Info : RP2040 Flash Bank Command
  Info : Listening on port 6666 for tcl connections
  Info : Listening on port 4444 for telnet connections
  Info : clock speed 5000 kHz
  Info : DAP init failed 
  # ターゲットボードを接続していないのでDAPでエラーになっている

  # Connect GDB as you usually would with
  # target remote localhost:3333

ドキュメントの起動方法はミス・スペルがあったので注意のこと。

実際にターゲットボードと接続したときのgdbでの実行例


  #別のterminalで以下を実行してopenocdを起動する(サーバーとして動作する)
  openocd -f interface/picoprobe.cfg -f target/rp2040.cfg -s tcl

  #もう一つのterminalで以下を実行する：
  $ cd ~/pico/pico-examples/build/blink
  $ gdb-multiarch blink.elf
  GNU gdb (Ubuntu 9.2-0ubuntu1~20.04) 9.2
  Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.
  License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
  This is free software: you are free to change and redistribute it.
  There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.
  Type "show copying" and "show warranty" for details.
  This GDB was configured as "x86_64-linux-gnu".
  Type "show configuration" for configuration details.
  For bug reporting instructions, please see:
  <http://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>.
  Find the GDB manual and other documentation resources online at:
      <http://www.gnu.org/software/gdb/documentation/>.

  For help, type "help".
  Type "apropos word" to search for commands related to "word"...
  Reading symbols from blink.elf...
  # 以下でopenocdと接続する
  (gdb) target remote :3333
  Remote debugging using :3333
  0x100009ce in sleep_ms ()
  (gdb) mon reset init
  target halted due to debug-request, current mode: Thread 
  xPSR: 0xf1000000 pc: 0x000000ee msp: 0x20041f00
  target halted due to debug-request, current mode: Thread 
  xPSR: 0xf1000000 pc: 0x000000ee msp: 0x20041f00
  (gdb) load
  Loading section .boot2, size 0x100 lma 0x10000000
  Loading section .text, size 0x2608 lma 0x10000100
  Loading section .rodata, size 0xd8 lma 0x10002708
  Loading section .binary_info, size 0x1c lma 0x100027e0
  Loading section .data, size 0x99c lma 0x100027fc
  Start address 0x10000104, load size 12696
  Transfer rate: 7 KB/sec, 2539 bytes/write.
  # mainにブレークポイントを設定する
  (gdb) b main
  Breakpoint 1 at 0x1000037c
  # 実行する
  (gdb) c
  Continuing.
  Note: automatically using hardware breakpoints for read-only addresses.
  target halted due to debug-request, current mode: Thread 
  xPSR: 0x01000000 pc: 0x00000178 msp: 0x20041f00

  # 以下のようにブレークする
  Thread 1 hit Breakpoint 1, 0x1000037c in main ()
  # さらに実行する
  (gdb) c
  Continuing.
  ^Ctarget halted due to debug-request, current mode: Thread 
  xPSR: 0x01000000 pc: 0x00000178 msp: 0x20041f00

  Thread 1 received signal SIGINT, Interrupt.
  0x100009ce in sleep_ms ()
  <省略>

なお、targetボードには、あらかじめblink.uf2を書き込んでおく。

DebugボードとTargetボードの接続方法：
(1)DebuggerボードUSBコネクタ側 上面左側

Pin Target側Pin
GP0 NC
GP1 NC
GND GND
GP2 SWCLK
GP3 SWDIO
GP4(TX) GP1(RX)
GP5(RX) GP0(TX)


(2)DebuggerボードUSBコネクタ側 上面右側

Pin Target側Pin
VBUS(5V) NC
VSYS(IN 1.8V-5.5V) NC
GND GND
3V3EN NC
3V3(OUT) VSYS


(1) NC: None Connection
(2) VBUS(5V):
・USBコネクタの5Vに接続されているのでUSBコネクタで給電している場合、5Vが出力される。
・USBホストモードで使用する際は、ここに5Vを給電する。
(3) 配線状況：
TargetボードはDebugボードから給電される配線になっている。
したがって、USBコネクタとPCを接続するのはDebugボードのみになる。

参照情報

・How to add a reset button to your Raspberry Pi Pico
All you need to do is to wire the GND and RUN pins together and add an extra momentary contact button to your breadboard. Pushing the button will reset the board.

・Programmable I/O with Raspberry Pi Pico

・Raspberry Pi Picoスタートガイド C/C++
・Pico C/C++ SDK
・Pico SDK docs

・Raspberry Pi Pico Datasheet
・RP2040 Datasheet

・Pico Pinout

・Ubuntu 18.04 に Cmake の Latest Release をインストールする

・Ubuntu 20.04のPCでRaspberry Pi Picoを2台使ってOpenOCDによるデバッグ

以上

2021年2月 4日 (木) Pico |

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