《STM32MP1 M4裸机HAL库开发指南》第三十四章 A7和M4联合调试

正点原子

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第三十四章  A7和M4联合调试

        我们在前面的第八章节分析STM32CubeMP1固件包的时候，固件包下有一个OpenAMP文件夹，AMP是指非对称多处理（Asymmetric Multiprocessing），非对称多处理是指各核的结构并非对称，例如STM32MP1是两个Cortex-A7内核加一个Cortex-M4内核的组合，各个核结构并非对称。OpenAMP常用于处理器间通信，OpenAMP软件框架的组件主要包括RPMsg（远程处理器消息传递）、VirtIO（虚拟化模块）和Remoteproc，为开发AMP系统提供了必要的API函数，可以实现核间通信。
OpenAMP下的Remoteproc允许本地处理器与系统上可用的远程处理器进行通信，对于STM32MP157，本地处理器就是指Cortex-A7，远程处理器指Cortex-M4，本节我们就利用Remoteproc来让Cortex-A7远程控制Cortex-M4的生命周期，即加载、启动和停止Cortex-M4上的固件（.elf或者.axf文件）。
        前面的Cortex-M4开发实验部分我们是在线仿真的，即通过ST-Link将程序下载到SRAM中运行，开发板掉电后程序就会丢失，这种方式适合在Cortex-M4开发调试阶段，也叫工程模式（Engineering Mode）。如果在核间通信的时候，我们就需要使用量产模式（Production Mode）来进行联合调试，下面我们讲解如何实现Cortex-A7和Cortex-M4联合调试。
        关于Cortex-A7和Cortex-M4双核通信的相关实验，正点原子会有独立的文档章节进行讲解。本节我们只是讲解如何在Linux操作系统中使用Cortex-A7去加载、启动和停止运行Cortex-M4的固件。
        本章将分为如下几个小节：
        34.1、Remoteproc框架简介；
        34.2、实验测试；

34.1 Remoteproc框架简介
对于具有非对称多处理的SOC，不同的核心可能跑不同的操作系统，例如STM32MP157的Cortex-A7运行Linux操作系统，Cortex-M4可以运行RTOS操作系统。为了使运行Linux的主处理器与协处理器之间能够轻松通信，Linux引入了Remoteproc框架，该框架允许不同的平台/体系结构在抽象硬件差异的同时控制那些远程协处理器，如主处理器加载协处理器固件，打开、关闭或配置协处理器等。此外，Remoteproc框架还添加了RPMsg和Virtio，所以Remoteproc驱动只需要提供一些低级处理程序，其它RPMsg驱动程序就可以正常工作。
Remoteproc驱动提供可直接调用的API，方便用户层去调用，在Linux操作系统下已经有remoteproc 的相关驱动和API，这里我们就不需要过多地去关注remoteproc 了，我们直接使用它来控制M4内核即可（Remoteproc、RPMsg和Virtio是OpenAMP下重要的框架，在后面的章节我们会对它们进行讲解）。STM32MP157的Linux下Remoteproc框架如下：

图34.1. 1 Remoteproc框架

        在Remoteproc框架框图中，我们查看两个重要的组成部分：
        remoteproc是通用远程处理框架部分，其作用是：
        1）将.axf文件加载到Cortex-M4内核中（在STM32CubeIDE下是.elf文件）；
        2）解释.axf文件资源表以设置关联的资源（例如IPC和内存分割等）；
        3）控制Cortex-M4内核启动、关闭；
        4）提供监视和调试远程服务；
        stm32_rproc是远程处理器平台（即M4）驱动程序，其作用是：
        1）向Remoteproc框架注册供应商特定的功能（如回调部分）；
        2）处理Cortex-A7和Cortex-M4关联的平台资源（例如寄存器，看门狗，复位，时钟和存储器）；
        3）通过邮箱框架将通知转发到M4；
        以上Cortex-A7称为主处理器，Cortex-M4称为协处理器，主处理器先启动，然后引导协处理器启动，主处理器再加载协处理器固件。总之，Remoteproc框架实现了对远程协处理器生命周期的控制，它允许Cortex-A7主处理器将.axf固件加载到Cortex-M4内核中，然后解析固件资源列表后再启动/关闭/配置Cortex-M4内核。而RPMsg（远程处理器消息传递，英文：Remote Processor Messaging）通过共享内存向远程CPU发送消息或从远程CPU接收消息。
        下面，我们利用Remoteproc来实现Cortex-A7加载并运行Cortex-M4固件（.axf文件）。
34.2 实验测试
        实验前，我们需要以下硬件资源：
        1）正点原子STM32MP157开发板（配套电源线）；
        2）1根Type-C线；
        3）一张TF卡或U盘；
        4）一根网线；
        以上的第3和第4项根据选择的环境不同而需求不同，例如：如果选择通过将TF卡或者U盘拷贝固件到开发板的话，则不需要网线；如果使用网络（如FTP或SSH）的方式传输固件的话，则不需要第3项。
34.2.1 硬件连接
1. 网络传输固件
        如果使用网络的方式传输固件的话，硬件连接方式如下，只需要接电源线以及在USB_TTL口接Type-C线，外加网口接一根网线（网线另一端可以接路由器或者和电脑直连，根据个人情况来选择）：

图34.2.1.1硬件连接图1

2.采用TF或者U盘卡拷贝固件
如果使用TF卡或者U盘等存储设备来拷贝的话，开发板只需要接电源线以及在USB_TTL接口接Type-C线即可，开发板就可以不接网线。
34.2.2 启动Linux操作系统
        先接好线，开发板拨码开关拨到010，即eMMC启动方式，因为开发板出厂Linux系统已经烧录在eMMC里了，接好电源线启动开发板，等待A7启动完成。判断A7是否启动完成，可以通过观察底板的LED0是否在闪烁（出厂的Linux系统在设备树里已经默认配置LED0为心跳灯，启动进入Linux系统后，LED0会闪烁），或者在串口终端查看串口的打印信息，如果开发板底板的LED0在闪烁或者串口终端已经打印“root@ATK-stm32mp1”，则说明Linux 系统已经完全启动。

图34.2.2.1串口打印信息

34.2.3 将M4固件传输到开发板
本节我们使用网络的方式将M4固件传输到开发板的Linux文件系统的“/lib/firmware”目录下，如果没有网线的小伙伴也可以将M4固件拷贝到TF卡或者U盘等存储介质中，再将TF卡或者U盘插到开发板的对应接口中，然后从TF卡或者U盘拷贝到Linux文件系统中。
        本节我们以第十六章 蜂鸣器的实验为例子，成功编译工程后，进入工程的Output下可以看到atk_mp1_m4.axf文件，同时按下Shift键并按下鼠标右键，可以打开选项界面，如下，可以看到Powershell选项，或者如果电脑安装了Git的话，可以看到Git Bash Here，这两个也就是shell终端，可以打开shell后操作Linux指令，两者选其中一个就可以，下面我们就选择使用Powershell吧。

图34.2.3.1 打开Powershell

        打开Powershell后，输入ls后按下回车，可以看见当前目录下有什么文件：

图34.2.3.2 查看文件

        开发板启动进入Linux操作系统，输入ifconfig可以查看开发板的IP地址，如下IP地址是192.168.1.241：

图34.2.3.3查看开发板的IP地址

        我们就是通过此IP将文件传输到开发板的，先检查开发板和Windows是否能正常通信，在Powershell中ping开发板IP地址可以ping通，说明两者通信正常，可以互传文件：

图34.2.3.4测试Windows和Linux通信

        执行如下指令将BEEP_CM4.elf文件传输到开发板的/lib/firmware目录下：
scp atk_mp1_m4.axf root@192.168.1.241:/lib/firmware

图34.2.3.5 将文件传输到Linux

        在开发板的“/lib/firmware”目录下可以看到已经有该文件了：

图34.2.3.6文件传输成功

34.2.4 加载固件和测试
传输atk_mp1_m4.axf文件成功后，通过执行以下指令来手动加载、运行或者关闭固件：
/* 加载固件 */
echo atk_mp1_m4.axf > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware
/* 开启，此时程序就会运行，蜂鸣器就嘀嗒嘀嗒发出响声 */
echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state
/* 关闭，停止固件运行 */
echo stop > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state
不过要注意的是，执行最后一条stop指令的时候，如果此时蜂鸣器刚好由不响到响，执行此条指令以后蜂鸣器会一直响，如果此时蜂鸣器刚好由响到不响，执行此指令以后蜂鸣器就不响了，也就是停止在执行指令的那个状态。

图34.2.4.1串口打印信息

再次输入启动指令后，蜂鸣器又会继续鸣响。
echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state
34.2.5 编写脚本
以上执行的指令是我们手动输入执行的，如果不想每次手动输入指令，我们可以自己将以上的指令写到一个shell脚本里。我们在/lib/firmware目录下新建一个test.sh脚本，脚本内容如下：
#!/bin/sh

rproc_class_dir="/sys/class/remoteproc/remoteproc0"
fmw_dir="/lib/firmware"

cd /sys/class/remoteproc/remoteproc0

if [ $1 == "start" ]
then
    /bin/echo -n $2 > $rproc_class_dir/firmware
    /bin/echo -n start > $rproc_class_dir/state
fi

if [ $1 == "stop" ]
then
    /bin/echo -n stop > $rproc_class_dir/state
fi
        编写好脚本文件后，执行如下指令给脚本文件可读可写可执行权限：
chmod 777 test.sh

图34.2.5. 1给脚本可读可写可执行权限

因为/lib/firmware目录下已经有了atk_mp1_m4.axf文件，我们可以执行如下指令来加载、运行以及停止atk_mp1_m4.axf固件：
/* 加载、启动M4固件 */
./test.sh start atk_mp1_m4.axf
/* 停止M4固件 */
./test.sh stop atk_mp1_m4.axf

图34.2.5. 2加载、运行、停止固件