Bine ați venit la școala de vară IoT Summer School!

In cadrul scolii de vara, ne propunem sa va familiarizam cu sisteme de operare RTOS (NuttX) care se preteaza mai degraba microcontrollerelor decât sistemelor de tip desktop.

În acest laborator veți învăța cum să compilați și să încărcați sistemul de operare NuttX pe smartwatch-ul Hector Watch, dezvoltat in facultate si bazat pe un modul ESP32 S3 mini la care au fost adaugate:

• patru butoane externe
• un step counter
• un display cu touch
• un senzor de haptics
• un accelerometru
• un cititor de carduri microSD

Mai jos puteti vedea si o poza cu PCB-ul ceasului:

Pentru a putea fi folosit pe microcontrollere, NuttX are un memory-footprint foarte scăzut (de ordinul câtorva sutelor de kilobytes). Un alt feature care îl face potrivit sistemelor low-end este faptul că nu folosește mecanismele de memorie virtuală (mai costisitoare atat din punct de vedere hardware cat si software) în mod implicit, acest mod de operare numindu-se flat-mode addressing.

Dacă rulați pe un sistem cu Linux nativ, continuați de la pasul Compilarea și încărcarea pe placă.

Pentru a putea rula pe Windows, va trebui să vă configurați o mașină virtuală de Linux prin care să aveți acces la porturile USB ale host-ului - astfel conectarea la placă se va face direct prin USB de pe mașina virtuală. Pentru instalarea Linuxului puteți folosi mașina virtuală de la SO din anul 3 - este suficient să aveți un sistem Linux minimal, doar din linie de comandă. Alternativ, puteți instala orice altă distribuție de Linux (Ubuntu, Linux Mint, etc.).

Pentru a instala mașina virtuală, este recomandat să folosiți VMware Workstation 16 pro, deoarece este foarte ușor de configurat.

Dacă nu aveți acces la VMware (nu aveți licență), puteți să folosiți și VirtualBox, dar cu niște pași în plus pentru a-l configura.

În mod normal, o mașină virtuală prin VirtualBox nu este accesibilă direct de pe host. Totuși, pentru a vă putea conecta la mașina virtuală prin SSH (folosind MobaXterm, de exemplu), puteți urmări pașii de mai jos:

• intrați în setările mașinii virtuale și adăugați a 2a interfață de rețea. Prima va fi o interfață host-only pentru a permite conectivitatea de la host la guest (ssh), iar a 2a interfață va fi sub un NAT pentru a putea avea acces la internet.
• porniți mașina virtuală. Testați cu ping 8.8.8.8 că sunteți conectat la Internet.
• adăugați o adresă IP statică pe a 2a interfață folosind subrețeaua 192.168.56.0/24. De exemplu, puteți folosi 192.168.56.56/24. Alternativ, puteți configura un client de DHCP.

Pentru a putea avea acces la portul USB direct din mașina virtuală, din bara de sus selectați Devices > USB devices > controller-ul UART.

Momentan WSL-ul nu are suport nativ pentru interacțiunea cu diferite device-uri peste USB. Dacă doriți să folosiți totusi WSL, puteți folosi acest tool open source.

Pentru a rula pe MacOS urmariti tutorialul de aici.

Pașii de mai jos trebuie urmați ca utilizator privilegiat (root):

• instalarea pachetelor (dependințelor) pe Linux
• descărcarea unui compilator (toolchain), deoarece arhitectura target este Xtensa, deci nu putem compila cu gcc-ul default de pe distribuțiile de Linux x86
• descărcarea repository-urilor de NuttX: nuttx, apps
• compilarea în urma căreia va rezulta un binar
• încărcarea binarului pe placă

Dacă doriți să continuați ca utilizator neprivilegiat, puteți consulta tutorialul de aici.

apt-get update
# apt-get upgrade -y /* optional, realizeaza actualizarea intregului sistem */
apt-get install -y bison flex gettext texinfo libncurses5-dev libncursesw5-dev gperf automake libtool pkg-config build-essential gperf genromfs libgmp-dev libmpc-dev libmpfr-dev libisl-dev binutils-dev libelf-dev libexpat-dev gcc-multilib g++-multilib picocom u-boot-tools util-linux chrony libusb-dev libusb-1.0.0-dev kconfig-frontends python3-pip

wget https://github.com/espressif/crosstool-NG/releases/download/esp-12.2.0_20230208/xtensa-esp32s3-elf-12.2.0_20230208-x86_64-linux-gnu.tar.xz
tar -xf xtensa-esp32s3-elf-12.2.0_20230208-x86_64-linux-gnu.tar.xz
mkdir /opt/xtensa
mv xtensa-esp32s3-elf/ /opt/xtensa/
echo "export PATH=\$PATH:/opt/xtensa/xtensa-esp32s3-elf/bin" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

git clone git@github.com:radupascale/hectorwatch-nuttx.git
cd hectorwatch-nuttx
git submodule init
git submodule update

wget https://github.com/espressif/esp-nuttx-bootloader/releases/download/latest/bootloader-esp32s3.bin
wget https://github.com/espressif/esp-nuttx-bootloader/releases/download/latest/partition-table-esp32s3.bin

Pentru a configura si compila NuttX, folositi urmatoarea secventa de comenzi:

cd ~/hectorwatch-nuttx/nuttx
./tools/configure.sh -l hacktorwatch:usbnsh
make -j$(nproc)

În functie de tipul de placă pe care rulați, este posibil să fie nevoie să apăsați un buton de BOOT (IO0) atunci când încărcați NuttX. Astfel, placa intră în modul de “Download” - în mod normal, placa este în starea de “Boot”. Butonul trebuie apăsat doar atunci când se încearcă stabilirea conexiunii cu firmware-ul de pe ESP32. In cazul smartwatch-ului nostru, aveti mai jos o poza atasata care va arata ce rol are fiecare buton:

Daca vrem sa incarcam NuttX pe un ESP32S3 (microcontroller-ul care sta la baza ceasului nostru), pentru a comuta din “Boot” in “Download” nu este suficient sa apasati un singur buton, ci trebuia sa urmati o secventa de operatii: Tineti apasat BOOT → apasati RESET o singura data → ridicati degetul de pe BOOT. Acum puteti sa flash-uiti microcontroller-ul folosind comanda make flash ESPTOOL_PORT=/dev/ttyACM0 ESPTOOL_BAUD=115200 ESPTOOL_BINDIR=../esp32s3-bins.

Dupa ce ati terminat procesul de flash, este nevoie de inca un reset pentru a comuta inapoi din modul de “Download” in cel de “Boot”.

Pentru a vă conecta la placă veți folosi picocom /dev/ttyACM0 -b 115200.

./tools/configure.sh -m hacktorwatch:usbnsh
make -j$(sysctl -n hw.ncpu)
make flash ESPTOOL_PORT=/dev/cu.usbmodem101 ESPTOOL_BAUD=115200 ESPTOOL_BINDIR=../esp32s3-bins
sudo picocom -b 115200 /dev/cu.usbmodem01

În cazul în care sistemul de build nu detectează în mod automat calea către repo-ul de apps, aceasta poate fi specificată prin -a <path>. Pentru toți parametri disponibili puteți folosi ./tools/configure.sh -h. Alternativ, calea către directorul de apps poate fi configurată prin CONFIG_APPSDIR.

Dacă nu aveți erori, ar trebui să vă apară un log asemănător cu cel de mai jos:

În final, odata ce va conectati la ceas, ar trebui sa obtineti un log precum cel de mai jos:

1. Folosind sistemul de build al NuttX, activați compilarea aplicației “Hello, World!”. Codul sursă îl puteți găsi în apps/examples/hello. Odată încărcat pe placă, rulați aplicația din linie de comandă.

• Documentatia oficiala NuttX
• What is a cross-compiler?
• ESP32 toolchain