Знакомство: BBC micro:bit и mbed OS 5 / Хабр

Как отмечалось на geektimes, микрокомпьютер BBC micro:bit ещё этой весной начали рассылать британским школьникам, а пару месяцев назад он поступил в свободную продажу по цене от £13 за штуку.

Предположим, micro:bit приобретён; что с ним делать дальше? Я решил сделать из него часы, потому что мои наручные как раз сломались.

Инструкция по использованию micro:bit со старой версией mbed OS есть на сайте Ланкастерского университета; но ARM две недели назад выпустила новую версию mbed OS 5, и с этой новой версией библиотека поддержки microbit-dal «из коробки» не работает.

Насколько я понимаю, даже в самом ARM никто ещё не пытался использовать mbed OS 5 на micro:bit; мне хотелось стать первым.

Для начала работы нужно установить среду разработки mbed CLI. Она написана на Python (для работы требуется версия 2.7.6+), и распространяется посредством PyPI:

$ sudo pip install mbed-cli

Либо, если мы работаем на машине без прав root, и даже без pip:

$ wget http://bootstrap.pypa.io/ez_setup.py
$ python ez_setup.py --user
$ ~/.local/bin/pip install virtualenv --user
$ ~/.local/bin/virtualenv venv
$ source venv/bin/activate
(venv) $ pip install mbed-cli

Кроме этого, нужно установить компилятор GNU ARM Embedded. Если tarball с компилятором распакован в /work/gcc-arm-none-eabi-5_4-2016q2/, то он регистрируется в mbed CLI командой

$ mbed config --global GCC_ARM_PATH /work/gcc-arm-none-eabi-5_4-2016q2/bin/

Теперь создаём для нашего проекта рабочее окружение:

$ mbed new mb_clock
$ cd mb_clock
$ mbed target NRF51_MICROBIT
$ mbed toolchain GCC_ARM

Если команда mbed new выполняется из-под root и/или внутри venv, то она сама доустановит в систему необходимые модули Python. В противном случае, она попросит выполнить
$ sudo pip install -r mbed-os/requirements.txt

Следующий шаг — добавим в наше рабочее окружение библиотеки поддержки micro:bit:

$ mbed add https://github.com/lancaster-university/microbit # первая ланкастерская библиотека
$ mbed add https://github.com/tyomitch/microbit-dal # мой форк второй ланкастерской библиотеки

В составе ланкастерской библиотеки есть ассемблерный файл CortexContextSwitch.s, который поставляется в двух вариантах: для GNU as и для armasm. Библиотека для mbed OS 3 включала файл CMakeLists.txt, в котором был прописан автоматический выбор нужного варианта. Увы, mbed OS 5 игнорирует CMakeLists.txt, так что вариант для GNU as придётся выбрать вручную:

$ cp microbit-dal/source/asm/CortexContextSwitch.s.gcc microbit-dal/source/asm/CortexContextSwitch.s

Кроме этого, с ланкастерской библиотекой есть ещё несколько проблем:

mbed OS 5 включает поддержку многопоточности, поэтому код microbit-dal теперь выполняется с «пользовательским» стеком (PSP), а не с «системным» (MSP), как в предыдущих версиях mbed OS;
системный API для работы с BLE в mbed OS 5 изменился;
поддержка BLE в mbed OS 5 занимает слишком много памяти, и на micro:bit с его 16 КБ RAM она просто не влезает;
размер стека по умолчанию (2 КБ) слишком велик: с таким стеком в системе не остаётся свободной памяти для динамического выделения («куча»).

Первые две проблемы исправлены в моём форке ланкастерской библиотеки; для третьей предлагается следующий низкотехнологичный воркараунд:

$ rm mbed-os/features/FEATURE_BLE/targets/TARGET_NORDIC/TARGET_MCU_NRF51822/source/nRF5xn.cpp

Последняя проблема решается настройками компиляции: чтобы кучи хватило для работы microbit-dal, системный стек должен быть размером 512 байт или меньше. (Обработчикам прерываний, которые им пользуются, хватает и половины этого.)

Теперь самое интересное — собственно реализация часов. В ней всего два нетривиальных момента:

Для того, чтобы отображать на дисплее micro:bit размером 5х5 светодиодов по две цифры одновременно, пришлось творчески подойти к созданию шрифта. Ноль я решил сделать в виде точки посередине знакоместа (похожим образом он выглядит �� арабских цифрах), восьмёрку — в виде двоеточия, по логике «два ноля один над другим». Все остальные цифры узнаются безо всякого затруднения.
У micro:bit нет энергонезависимых «часов реального времени», поэтому время отсчитывается от начальной загрузки. Начальное отображаемое значение задаётся в момент компиляции; после запуска, при помощи двух кнопок micro:bit, отображаемое время можно корректировать в ту или другую сторону, с шагом в одну минуту.

Листинг

#include "MicroBit.h"

MicroBit uBit;

const uint8_t digit_bits[10][10] = {
    { 0, 0,
      0, 0,
      0, 1,
      0, 0,
      0, 0 },
    { 0, 1,
      0, 1,
      0, 1,
      0, 1,
      0, 1 },
    { 1, 1,
      0, 1,
      1, 1,
      1, 0,
      1, 1 },
    { 1, 1,
      0, 1,
      1, 1,
      0, 1,
      1, 1 },
    { 0, 1,
      1, 1,
      1, 1,
      0, 1,
      0, 1 },
    { 1, 1,
      1, 0,
      1, 1,
      0, 1,
      1, 1 },
    { 0, 1,
      1, 0,
      1, 0,
      1, 1,
      1, 1 },
    { 1, 1,
      0, 1,
      0, 1,
      1, 0,
      1, 0 },
    { 0, 0,
      0, 1,
      0, 0,
      0, 1,
      0, 0 },
    { 1, 1,
      1, 1,
      0, 1,
      0, 1,
      1, 0 }
};
MicroBitImage digits[] = {
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[0]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[1]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[2]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[3]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[4]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[5]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[6]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[7]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[8]),
    MicroBitImage(2,5,digit_bits[9])
};

int started_at = 18*60+53;

void onButtonAClick(MicroBitEvent evt)
{   
    started_at--;
}

void onButtonBClick(MicroBitEvent evt)
{   
    started_at++;
}

int main()
{   
    uBit.init();
    uBit.messageBus.listen(MICROBIT_ID_BUTTON_A, MICROBIT_BUTTON_EVT_CLICK, onButtonAClick);
    uBit.messageBus.listen(MICROBIT_ID_BUTTON_B, MICROBIT_BUTTON_EVT_CLICK, onButtonBClick);

    while(1) {
        int cur_time = (started_at + uBit.systemTime() / 60000L) % (24*60);
        int hours = cur_time / 60;
        int minutes = cur_time % 60;
        uBit.display.image.paste(digits[hours/10],0,0,0);
        uBit.display.image.paste(digits[hours%10],3,0,0);
        uBit.sleep(300);
        uBit.display.image.paste(digits[minutes/10],0,0,0);
        uBit.display.image.paste(digits[minutes%10],3,0,0);
        uBit.sleep(300);
        uBit.display.clear();
        uBit.sleep(600);
    }
}

Когда этот код сохранён (скажем, в файл mb_clock.cpp), весь проект можно скомпилировать, и загрузить на устройство:

$ mbed compile -D __STACK_SIZE=512 -D ISR_STACK_SIZE=512 -D MICROBIT_BLE_ENABLED=0
$ cp ./.build/NRF51_MICROBIT/GCC_ARM/mb_clock.hex /media/MICROBIT

Готово!

При желании, для получившихся часов можно смастерить защитный корпус из баночки из-под витаминов и термоклея: