Laboratorul 01. NuttX - Configurare și instalare

Bine ați venit la școala de vară IoT Summer School!

În cadrul școlii de vară, ne propunem să vă familiarizăm cu sisteme de operare RTOS (Real time operating system) - NuttX - care se pretează mai degrabă microcontrolerelor decât sistemelor de tip desktop.

În acest laborator veți învăța cum să compilați și să încărcați sistemul de operare NuttX pe smartwatch-ul Hacktor Watch, dezvoltat în facultate și bazat pe un microprocesor ESP32 S3 la care au fost adăugate:

  • doua butoane externe
  • un display cu touch
  • un senzor de haptics
  • un accelerometru si giroscop

Mai jos puteți vedea diagrama hardware a ceasului:

hacktor_watch_2.0.jpg

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

Setup

Linux

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

Windows

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.

MacOS

Pentru a rula pe MacOS, urmăriți tutorialul de aici.

Compilarea și încărcarea pe placă

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.

Instalarea pachetelor lipsă

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

Descărcarea toolchain-ului

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

Descărcarea repository-urilor

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

NuttX folosește două directoare separate:

  • nuttx, care conține sistemul de operare: scheduler, drivere, sisteme de fișiere, etc.
  • nuttx-apps, care conține aplicațiile.

Una din etapele compilării presupune ca sistemul de build să creeze o bibliotecă statică denumită libapps.a care va fi adăugată la binarul de NuttX în etapa de linking.

Repository-ul hectorwatch-nuttx conține nuttx și apps ca submodule care trebuie inițializate (descărcate) separat.

Pentru a putea rula NuttX, este nevoie să încărcați bootloader-ul și tabela de partiții în memoria flash a ESP32-ului. Acestea pot fi compilate manual (dacă aveți nevoie de modificări la bootloader, de exemplu), dar există și binare precompilate pe care le puteți descărca de pe github:

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

Cu toate acestea, Hectorwatch-nuttx conține deja binarele precompilate in esp32s3-bins.

Compilarea și rularea

Pentru a configura si compila NuttX, folosiți următoarea secvență 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. În cazul smartwatch-ului nostru, aveți mai jos o poză atașată care vă arată ce rol au cele doua butoane disponibile pe carcasa:

hacktor_buttons.jpg

Dacă vrem să încărcăm NuttX pe un ESP32S3 (microcontroller-ul care stă la baza ceasului nostru), pentru a comuta din “Boot” in “Download” nu este suficient să apăsați un singur buton, ci trebuie să urmați o secvență de operații: Țineți apăsat BOOTapăsați RESET o singură datăridicați degetul de pe BOOT. Acum puteți să flash-uiți microcontroller-ul folosind comanda make flash ESPTOOL_PORT=/dev/ttyACM0 ESPTOOL_BAUD=115200 ESPTOOL_BINDIR=../esp32s3-bins.

După ce ați terminat procesul de flash, este nevoie de încă un reset pentru a comuta înapoi din modul de “Download” in cel de “Boot”.

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

Pentru macOS, folositi următoarele comenzi:

./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

Observați flag-ul ”-m” și denumirea diferită a portului usb.

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, odată ce vă conectați la ceas, ar trebui să obțineți un log precum cel de mai jos:

Exerciții

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.

  • pentru a putea compila “Hello, World!” trebuie să activați config-ul CONFIG_EXAMPLES_HELLO folosind make menuconfig. Căutarea unui anume config se poate face la fel ca in VIM, folosind / urmat de string-ul dorit.
  • odată compilat și încărcat NuttX, utilizați comanda ? pentru a vedea cum se poate rula aplicația.

2. (Bonus) Compilați NuttX pentru plăcile Sparrow folosind config-ul esp32-sparrow-kit:nsh și nu uitați să ștergeți mai întâi config-ul deja existent pentru hacktorwatch.

In NuttX, există două operații de clean-up, spre deosebire de Makefile-urile clasice care oferă o singură operație:

  • make clean - șterge doar fișierele obiect compilate
  • make distclean - șterge orice fișier asociat cu config-ul actual pentru a putea reinițializa sistemul de build de la zero.

Resurse

si/iot2025/lab01.txt · Last modified: 2025/08/11 12:50 by dan.tudose
CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported
www.chimeric.de Valid CSS Driven by DokuWiki do yourself a favour and use a real browser - get firefox!! Recent changes RSS feed Valid XHTML 1.0