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在 RT-Thread Nano 上添加控制台与 FinSH

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本文包含源代码、原理图、PCB、封装库、中英文PDF等资源

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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。

  1. /* 实现 1：初始化串口 */

  2. static int uart_init(void);
复制代码



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。


  1. static UART_HandleTypeDef UartHandle;

  2. static int uart_init(void)

  3. {

  4.     /* 初始化串口参数，如波特率、停止位等等 */

  5.     UartHandle.Instance = USART1;

  6.     UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;

  7.     UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;

  8.     UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;

  9.     UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

  10.     UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

  11.     UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;

  12.     UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

  13. 

  14.     /* 初始化串口引脚等 */

  15.     if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)

  16.     {

  17.         while(1);

  18.     }

  19. 

  20.     return 0;

  21. }

  22. INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);
复制代码


  1. /* board.c */

  2. void rt_hw_board_init(void)

  3. {

  4.     ....

  5.     uart_init();             // 在 rt_hw_board_init 函数中调用 串口初始化 函数

  6.     ....

  7. }
复制代码





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：
  1. /* 实现 2：输出一个字符，系统函数，函数名不可更改 */

  2. void rt_hw_console_output(const char *str);
复制代码



93d221bc3e48e4e501909e50f5f72828.png

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。 
  1. void rt_hw_console_output(const char *str)

  2. {

  3.     rt_size_t i = 0, size = 0;

  4.     char a = '\r';

  5. 

  6.     __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

  7. 

  8.     size = rt_strlen(str);

  9.     for (i = 0; i < size; i++)

  10.     {

  11.         if (*(str + i) == '\n')

  12.         {

  13.             HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);

  14.         }

  15.         HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);

  16.     }

  17. }
复制代码



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：


5d39d80a0a53c41cd4fff9bca6c673b3.png



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：

9eb7d0c2f1a672abf8193608e79f4037.gif

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：
  • 添加 FinSH 源码到工程
  • 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：
1a4345ed2057a402611c481f9edb8c88.png

勾选 shell，这将自动把 FinSH 组件的源码到工程：


cc948c7f947ff6524baa24cb68799276.png



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。
ba69ff15079171781f7b7a08ada861d3.png

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：

ea0730fc5b97bff0e538a438f5bfc8ac.png


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。



d653b8b73bf6ae410c674c533de1e971.png
ffffe2c04e6eaad19a14af68383d39df.png
27dab120796fa9286068c4548b8356bd.png

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：
  1. /* 实现 3：finsh 获取一个字符，系统函数，函数名不可更改 */

  2. char rt_hw_console_getchar(void)；
复制代码




  • 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。
  1. char rt_hw_console_getchar(void)

  2. {

  3.     int ch = -1;

  4. 

  5.     if (__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_RXNE) != RESET)

  6.     {

  7.         ch = UartHandle.Instance->DR & 0xff;

  8.     }

  9.     else

  10.     {

  11.         if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_ORE) != RESET)

  12.         {

  13.             __HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(&UartHandle);

  14.         }

  15.         rt_thread_mdelay(10);

  16.     }

  17.     return ch;

  18. }
复制代码



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：


e4ac6090a66704610e8e0dbc84a1a1a4.png


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

轮询示例
如下是基于 STM32F103  HAL 串口驱动，实现控制台输出与 FinSH Shell，其中获取字符采用查询方式，示例仅做参考。 
  1. /* 初始化串口 */

  2. static UART_HandleTypeDef UartHandle;

  3. static int uart_init(void)

  4. {

  5.     /* 初始化串口参数，如波特率、停止位等等 */

  6.     UartHandle.Instance = USART1;

  7.     UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;

  8.     UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;

  9.     UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;

  10.     UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

  11.     UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

  12.     UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;

  13.     UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

  14. 

  15.     /* 初始化串口引脚等 */

  16.     if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)

  17.     {

  18.         while(1);

  19.     }

  20. 

  21.     return 0;

  22. }

  23. INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);

  24. 

  25. /* 移植控制台，实现控制台输出, 对接 rt_hw_console_output */

  26. void rt_hw_console_output(const char *str)

  27. {

  28.     rt_size_t i = 0, size = 0;

  29.     char a = '\r';

  30. 

  31.     __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

  32. 

  33.     size = rt_strlen(str);

  34.     for (i = 0; i < size; i++)

  35.     {

  36.         if (*(str + i) == '\n')

  37.         {

  38.             HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);

  39.         }

  40.         HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);

  41.     }

  42. }

  43. 

  44. /* 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 */

  45. /* 查询方式 */

  46. char rt_hw_console_getchar(void)

  47. {

  48.     int ch = -1;

  49. 

  50.     if (__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_RXNE) != RESET)

  51.     {

  52.         ch = UartHandle.Instance->DR & 0xff;

  53.     }

  54.     else

  55.     {

  56.         if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_ORE) != RESET)

  57.         {

  58.             __HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(&UartHandle);

  59.         }

  60.         rt_thread_mdelay(10);

  61.     }

  62.     return ch;

  63. }
复制代码


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，在中断中释放信号量，tshell 线程接收信号量，然后读取 uart 接收到的数据。示例仅做参考。实际使用时可以自定义一个接收缓冲区，将数据存入缓冲区，防止一次性读入数据过多，造成数据覆盖的现象。 
  1. /* 定义一个静态信号量 */

  2. static struct rt_semaphore shell_rx_sem;

  3. /* 初始化串口，中断方式 */

  4. static UART_HandleTypeDef UartHandle;

  5. static int uart_init(void)

  6. {

  7.     /* 初始化串口接收数据的信号量 */

  8.     rt_sem_init(&(shell_rx_sem), "shell_rx", 0, 0);

  9. 

  10.     /* 初始化串口参数，如波特率、停止位等等 */

  11.     UartHandle.Instance = USART2;

  12.     UartHandle.Init.BaudRate   = 115200;

  13.     UartHandle.Init.HwFlowCtl  = UART_HWCONTROL_NONE;

  14.     UartHandle.Init.Mode       = UART_MODE_TX_RX;

  15.     UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

  16.     UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

  17.     UartHandle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;

  18.     UartHandle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;

  19. 

  20.     /* 初始化串口引脚等 */

  21.     if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)

  22.     {

  23.         while(1);

  24.     }

  25. 

  26.     /* 中断配置 */

  27.     __HAL_UART_ENABLE_IT(&UartHandle, UART_IT_RXNE);

  28.     HAL_NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);                 

  29.     HAL_NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 3, 3);         

  30. 

  31.     return 0;

  32. }

  33. INIT_BOARD_EXPORT(uart_init);

  34. 

  35. /* 移植控制台，实现控制台输出, 对接 rt_hw_console_output */

  36. void rt_hw_console_output(const char *str)

  37. {

  38.     rt_size_t i = 0, size = 0;

  39.     char a = '\r';

  40. 

  41.     __HAL_UNLOCK(&UartHandle);

  42. 

  43.     size = rt_strlen(str);

  44.     for (i = 0; i < size; i++)

  45.     {

  46.         if (*(str + i) == '\n')

  47.         {

  48.             HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&a, 1, 1);

  49.         }

  50.         HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)(str + i), 1, 1);

  51.     }

  52. }

  53. 

  54. /* 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 */

  55. /* 中断方式 */

  56. char rt_hw_console_getchar(void)

  57. {

  58.     int ch = -1;

  59. 

  60.     rt_sem_take(&shell_rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);  //接收信号量

  61.     ch = UartHandle.Instance->DR & 0xff;             //读取数据

  62. 

  63.     return ch;

  64. }

  65. 

  66. /* 在中断服务例程中释放信号量 */

  67. void USART2_IRQHandler(void)

  68. {   

  69.     if((__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_RXNE) != RESET) &&

  70.             (__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&(UartHandle), UART_IT_RXNE) != RESET)) //接收中断

  71.     {      

  72.         __HAL_UART_CLEAR_FLAG(&(UartHandle), UART_FLAG_RXNE);  //清除中断

  73.         rt_sem_release(&shell_rx_sem);                         //释放信号量

  74.     }

  75. }
复制代码



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。

5d39d80a0a53c41cd4fff9bca6c673b3.png


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。
Q: 使用 AC6 编译的问题。
A： FinSH 移植完成后，使用 AC5 编译并下载是没有问题的，但是使用 AC6 编译会有问题，出现控制台不能输入的情况。这是由于 __CLANG_ARM 这个宏未被定义，造成 FinSH 组件在 rtconfig.h 中没有被打开，可以直接在 rtconfig.h 中定义该宏，如下： 
  1. // 方法一，定义 __CLANG_ARM 宏

  2. #if defined (__ARMCC_VERSION) && (__ARMCC_VERSION >= 6010050)

  3. #define __CLANG_ARM

  4. #endif

  5. 

  6. #if defined(__CC_ARM) || defined(__CLANG_ARM)

  7. #include "RTE_Components.h"

  8. 

  9. #if defined(RTE_USING_FINSH)

  10. #define RT_USING_FINSH

  11. #endif //RTE_USING_FINSH

  12. 

  13. #endif //(__CC_ARM) || (__CLANG_ARM)
复制代码

  1. // 方法二，直接定义 RT_USING_FINSH 宏

  2. #define RT_USING_FINSH
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