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移植控制台/FinSH

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2023-12-01

本片文档分为两部分：第一部分是实现 UART 控制台，该部分只需要实现两个函数即可完成 UART 控制台打印功能。第二部分是实现移植 FinSH 组件，实现在控制台输入命令调试系统，该部分实现基于第一部分，只需要添加 FinSH 组件源码并再对接一个系统函数即可实现。下面将对这两部分进行说明。

在 Nano 上添加 UART 控制台

在 RT-Thread Nano 上添加 UART 控制台打印功能后，就可以在代码中使用 RT-Thread 提供的打印函数 rt_kprintf() 进行信息打印，从而获取自定义的打印信息，方便定位代码 bug 或者获取系统当前运行状态等。实现控制台打印（需要确认 rtconfig.h 中已使能 RT_USING_CONSOLE 宏定义），需要完成基本的硬件初始化，以及对接一个系统输出字符的函数，本小节将详细说明。

实现串口初始化

使用串口对接控制台的打印，首先需要初始化串口，如引脚、波特率等。 uart_init() 需要在 board.c 中的 rt_hw_board_init() 函数中调用。

/* 实现 1：初始化串口 */
static int uart_init(void);

示例代码：如下是基于 HAL 库的 STM32F103 串口驱动，完成添加控制台的示例代码，仅做参考。

static UART_HandleTypeDef UartHandle;
static int uart_init(void)
{
    /* 初始化串口参数，如波特率、停止位等等 */
    UartHandle.Instance = USART1;
    UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;
    UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;
    UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;
    UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
    UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

    /* 初始化串口引脚等 */
    if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
    {
        while(1);
    }

    return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);
/* board.c */
void rt_hw_board_init(void)
{
    ....
    uart_init();             // 在 rt_hw_board_init 函数中调用 串口初始化 函数
    ....
}

实现 rt_hw_console_output

实现 finsh 组件输出一个字符，即在该函数中实现 uart 输出字符：

/* 实现 2：输出一个字符，系统函数，函数名不可更改 */
void rt_hw_console_output(const char *str);

注意事项

注意：RT-Thread 系统中已有的打印均以 \n 结尾，而并非 \r\n，所以在字符输出时，需要在输出 \n 之前输出 \r，完成回车与换行，否则系统打印出来的信息将只有换行。

示例代码：如下是基于STM32F103 HAL 串口驱动对接的 rt_hw_console_output() 函数，实现控制台字符输出，示例仅做参考。

void rt_hw_console_output(const char *str)
{
    rt_size_t i = 0, size = 0;
    char a = '\r';

    __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

    size = rt_strlen(str);
    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        if (*(str + i) == '\n')
        {
            HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);
        }
        HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);
    }
}

结果验证

在应用代码中编写含有 rt_kprintf() 打印的代码，编译下载，打开串口助手进行验证。如下图是一个在 main() 函数中每隔 1 秒进行循环打印 Hello RT-Thread 的示例效果：

示例

在 Nano 上添加 FinSH 组件

RT-Thread FinSH 是 RT-Thread 的命令行组件（shell），提供一套供用户在命令行调用的操作接口，主要用于调试或查看系统信息。它可以使用串口 / 以太网 / USB 等与 PC 机进行通信，使用 FinSH 组件基本命令的效果图如下所示：

效果图

本文以串口 UART 作为 FinSH 的输入输出端口与 PC 进行通信，描述如何在 Nano 上实现 FinSH shell 功能。

在 RT-Thread Nano 上添加 FinSH 组件，实现 FinSH 功能的步骤主要如下：

  1. 添加 FinSH 源码到工程。
  2. 实现函数对接。

添加 FinSH 源码到工程

KEIL 添加 FinSH 源码

点击 Manage Run-Environment：

Manage Run-Environment

勾选 shell，这将自动把 FinSH 组件的源码到工程：

勾选 shell

Cube MX 添加 FinSH 源码

打开一个 cube 工程，点击 Additional Software，在 Pack Vendor 中可勾选 RealThread 快速定位 RT-Thread 软件包，然后在 RT-Thread 软件包中勾选 shell，即可添加 FinSH 组件的源码到工程中。

Cube MX 添加 FinSH 源码

其他 IDE 添加 FinSH 源码

其他 IDE 添加 FinSH 源码，需要手动添加 FinSH 源码以及头文件路径到工程中，以 IAR IDE 为例进行结介绍。

1、复制 FinSH 源码到目标裸机工程：直接复制 Nano 源码中 rtthread-nano/components 文件夹下的 finsh 文件夹到工程中，如图：

复制 finsh 源码

2、目标工程添加 FinSH 源码：

  • 打开工程，新建 finsh 分组，添加工程中 finsh 文件夹下的所有. c 文件，如下图；
  • 添加 finsh 文件夹的头文件路径（点击 Project -> Options... 进入弹窗进行添加，如下图）；
  • 在 rtconfig.h 中添加 #define RT_USING_FINSH 宏定义，这样 FinSH 将生效，如下图。

添加 finsh 源码

添加 finsh 头文件路径

添加 finsh 所需宏定义

实现 rt_hw_console_getchar

要实现 FinSH 组件功能：既可以打印也能输入命令进行调试，控制台已经实现了打印功能，现在还需要在 board.c 中对接控制台输入函数，实现字符输入：

/* 实现 3：finsh 获取一个字符，系统函数，函数名不可更改 */
char rt_hw_console_getchar(void)；
  • rt_hw_console_getchar()：控制台获取一个字符，即在该函数中实现 uart 获取字符，可以使用查询方式获取（注意不要死等，在未获取到字符时，需要让出 CPU），也可以使用中断方式获取。

示例代码：如下是基于 STM32F103 HAL 串口驱动对接的 rt_hw_console_getchar()，完成对接 FinSH 组件，其中获取字符采用查询方式，示例仅做参考。

char rt_hw_console_getchar(void)
{
    int ch = -1;

    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {
        ch = UartHandle.Instance->DR & 0xff;
    }
    else
    {
        if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_ORE) != RESET)
        {
            __HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(&UartHandle);
        }
        rt_thread_mdelay(10);
    }
    return ch;
}

结果验证

编译下载代码，打开串口助手，可以在串口助手中打印输入 help 命令，回车查看系统支持的命令：

下载验证 finsh

如果没有成功运行，请检查对接的函数实现是否正确。

移植示例代码

中断示例

如下是基于 STM32F103 HAL 串口驱动，实现控制台输出与 FinSH Shell，其中获取字符采用中断方式。原理是，在 uart 接收到数据时产生中断，在中断中把数据存入 ringbuffer 缓冲区，然后释放信号量，tshell 线程接收信号量，然后读取存在 ringbuffer 中的数据。示例仅做参考。

/* 第一部分：ringbuffer 实现部分 */
#include <rtthread.h>
#include <string.h>

#define rt_ringbuffer_space_len(rb) ((rb)->buffer_size - rt_ringbuffer_data_len(rb))

struct rt_ringbuffer
{
    rt_uint8_t *buffer_ptr;

    rt_uint16_t read_mirror : 1;
    rt_uint16_t read_index : 15;
    rt_uint16_t write_mirror : 1;
    rt_uint16_t write_index : 15;

    rt_int16_t buffer_size;
};

enum rt_ringbuffer_state
{
    RT_RINGBUFFER_EMPTY,
    RT_RINGBUFFER_FULL,
    /* half full is neither full nor empty */
    RT_RINGBUFFER_HALFFULL,
};

rt_inline enum rt_ringbuffer_state rt_ringbuffer_status(struct rt_ringbuffer *rb)
{
    if (rb->read_index == rb->write_index)
    {
        if (rb->read_mirror == rb->write_mirror)
            return RT_RINGBUFFER_EMPTY;
        else
            return RT_RINGBUFFER_FULL;
    }
    return RT_RINGBUFFER_HALFFULL;
}

/** 
 * get the size of data in rb 
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_data_len(struct rt_ringbuffer *rb)
{
    switch (rt_ringbuffer_status(rb))
    {
    case RT_RINGBUFFER_EMPTY:
        return 0;
    case RT_RINGBUFFER_FULL:
        return rb->buffer_size;
    case RT_RINGBUFFER_HALFFULL:
    default:
        if (rb->write_index > rb->read_index)
            return rb->write_index - rb->read_index;
        else
            return rb->buffer_size - (rb->read_index - rb->write_index);
    };
}

void rt_ringbuffer_init(struct rt_ringbuffer *rb,
                        rt_uint8_t           *pool,
                        rt_int16_t            size)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);
    RT_ASSERT(size > 0);

    /* initialize read and write index */
    rb->read_mirror = rb->read_index = 0;
    rb->write_mirror = rb->write_index = 0;

    /* set buffer pool and size */
    rb->buffer_ptr = pool;
    rb->buffer_size = RT_ALIGN_DOWN(size, RT_ALIGN_SIZE);
}

/**
 * put a character into ring buffer
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_putchar(struct rt_ringbuffer *rb, const rt_uint8_t ch)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);

    /* whether has enough space */
    if (!rt_ringbuffer_space_len(rb))
        return 0;

    rb->buffer_ptr[rb->write_index] = ch;

    /* flip mirror */
    if (rb->write_index == rb->buffer_size-1)
    {
        rb->write_mirror = ~rb->write_mirror;
        rb->write_index = 0;
    }
    else
    {
        rb->write_index++;
    }

    return 1;
}
/**
 * get a character from a ringbuffer
 */
rt_size_t rt_ringbuffer_getchar(struct rt_ringbuffer *rb, rt_uint8_t *ch)
{
    RT_ASSERT(rb != RT_NULL);

    /* ringbuffer is empty */
    if (!rt_ringbuffer_data_len(rb))
        return 0;

    /* put character */
    *ch = rb->buffer_ptr[rb->read_index];

    if (rb->read_index == rb->buffer_size-1)
    {
        rb->read_mirror = ~rb->read_mirror;
        rb->read_index = 0;
    }
    else
    {
        rb->read_index++;
    }

    return 1;
}


/* 第二部分：finsh 移植对接部分 */
#define UART_RX_BUF_LEN 16
rt_uint8_t uart_rx_buf[UART_RX_BUF_LEN] = {0};
struct rt_ringbuffer  uart_rxcb;         /* 定义一个 ringbuffer cb */
static UART_HandleTypeDef UartHandle;
static struct rt_semaphore shell_rx_sem; /* 定义一个静态信号量 */

/* 初始化串口，中断方式 */
static int uart_init(void)
{
    /* 初始化串口接收 ringbuffer  */
    rt_ringbuffer_init(&uart_rxcb, uart_rx_buf, UART_RX_BUF_LEN);

    /* 初始化串口接收数据的信号量 */
    rt_sem_init(&(shell_rx_sem), "shell_rx", 0, 0);

    /* 初始化串口参数，如波特率、停止位等等 */
    UartHandle.Instance = USART2;
    UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;
    UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;
    UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;
    UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
    UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

    /* 初始化串口引脚等 */
    if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
    {
        while (1);
    }

    /* 中断配置 */
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&UartHandle, UART_IT_RXNE);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);
    HAL_NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 3, 3);

    return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);

/* 移植控制台，实现控制台输出, 对接 rt_hw_console_output */
void rt_hw_console_output(const char *str)
{
    rt_size_t i = 0, size = 0;
    char a = '\r';

    __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

    size = rt_strlen(str);
    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        if (*(str + i) == '\n')
        {
            HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);
        }
        HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);
    }
}

/* 移植 FinSH，实现命令行交互, 需要添加 FinSH 源码，然后再对接 rt_hw_console_getchar */
/* 中断方式 */
char rt_hw_console_getchar(void)
{
    char ch = 0;

    /* 从 ringbuffer 中拿出数据 */
    while (rt_ringbuffer_getchar(&uart_rxcb, (rt_uint8_t *)&ch) != 1)
    {
        rt_sem_take(&shell_rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
    } 
    return ch;   
}

/* uart 中断 */
void USART2_IRQHandler(void)
{
    int ch = -1;
    rt_base_t level;
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter();          //在中断中一定要调用这对函数，进入中断

    if ((__HAL_UART_GET_FLAG(&(UartHandle), UART_FLAG_RXNE) != RESET) &&
        (__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&(UartHandle), UART_IT_RXNE) != RESET))
    {
        while (1)
        {
            ch = -1;
            if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(UartHandle), UART_FLAG_RXNE) != RESET)
            {
                ch =  UartHandle.Instance->DR & 0xff;
            }
            if (ch == -1)
            {
                break;
            }  
            /* 读取到数据，将数据存入 ringbuffer */
            rt_ringbuffer_putchar(&uart_rxcb, ch);
        }        
        rt_sem_release(&shell_rx_sem);
    }

    /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();    //在中断中一定要调用这对函数，离开中断
}

#define USART_TX_Pin GPIO_PIN_2
#define USART_RX_Pin GPIO_PIN_3

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    if (huart->Instance == USART2)
    {
        __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();

        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
        /**USART2 GPIO Configuration
        PA2     ------> USART2_TX
        PA3     ------> USART2_RX
        */
        GPIO_InitStruct.Pin = USART_TX_Pin | USART_RX_Pin;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    }
}

常见问题

Q: rt_kprintf() 不能打印浮点数吗？

A: 不可以。但是可以通过其他方法实现打印浮点数的目的，比如成倍扩大数值后，分别打印整数与小数部分。

Q: 在实现 FinSH 完整功能时，却不能输入。

示例

A：可能的原因有：UART 驱动未实现字符输入函数、未打开 FinSH 组件等；如果手动开启了 HEAP，需要确定 HEAP 是否过小，导致 tshell 线程创建失败 。

Q: 出现 hard fault。

A： ps 后关注各个线程栈的最大利用率，若某线程出现 100% 的情况，则表示该线程栈过小，需要将值调大。

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