简介

在工业领域，很多时候会遇到实时任务和主控界面同时需要的场景，比如工业自动化的控制器等，通常情况下传统做法是分别使用两个独立的处理器，比如一个 Cortex-M4 Arm 处理器来完成实时任务，另外再使用一个 Cortex-A 系列的 Arm 处理器来处理主控界面和命令控制，两个处理器之间再通过某种通讯总线来互联互通，比如串口，SPI之类。

这样做的好处是两个处理器相对分隔独立，但缺点也很明显，系统复杂性提高，数据面和控制面要单独建立，正式基于此 NX P提出了一个新的思路，就是在一个芯片中集成这两个功能核心。

而本文所演示的 Arm 平台来自于 Toradex Apalis iMX7 Arm 嵌入式平台，这是一个基于 NXP iMX7 Arm 处理器的 Arm 计算机模块，在这个芯片中，NXP 将 Cortex-A7 Arm 核心和Cortex-M4 Arm 核心集成到了同一个芯片里面，并且两个核心共享存储和外设资源，这使得对于上面提到的应用模式可以更精巧，高效的实现，接下来本文会基于这个平台进行一个简单的应用开发以及调试示例。

准备

Colibri iMX7S Arm 核心版配合 Colibri Evaluation Board，分别连接 A7 核心默认调试串口 UART1（载板X27）和 M4 核心默认调试串口 UART2（载板X25上）到开发主机方便调试，另外由于 iMX7S 只支持一个 USB 接口，需要通过载板 X30 连接一个 USB Hub 后来扩展键盘鼠标外设。更多关于 Colibri iMX7 的说明请参考 Datasheet 和 Linux 开发上手指南。

Colibri iMX7 A7 核心系统使用集成 Q t运行库的 Linux BSP V2.7 版本，如何编译和部署集成 Qt image 以及配置 Qt 开发环境请参考这里。

另外，由于本文演示示例使用到了载板上面的 LED 和按键资源，需要连接如下：
X10 SODIMM-106 -> X21 LED3
X10 SODIMM-135 -> X21 LED1
X10 SODIMM-133 -> X21 SW6
X10 SODIMM-127 -> X21 LED2

SEGGER J-Link 仿真器，USB 一端连接开发主机，JTAG一端连接载板 X13。

Colibri iMX7 M4核心FreeRTOS基本资料

Colibri iMX7 架构基本说明请参考如下：
https://developer.toradex.cn/knowledge-base/freertos-on-the-cortex-m4-of-a-colibri-imx7

本示例中 M4 核心运行 FreeRTOS v 8系统，相关的源代码和 sampl e程序请从下面 git下载：
http://git.toradex.cn/cgit/freertos-toradex.git/

基本的 SD K配置和编译请参考如下：
https://developer.toradex.cn/knowledge-base/freertos-on-the-cortex-m4-of-a-colibri-imx7#Linux_support

编译好的 M4 firmware 如何在 Colibri iMX7 上面加载运行请参考如下：
https://developer.toradex.cn/knowledge-base/freertos-on-the-cortex-m4-of-a-colibri-imx7#Running_a_Firmware_on_CortexM4

几个自带的 sample 代码简单说明请参考如下：
https://developer.toradex.com/knowledge-base/freertos-on-the-cortex-m4-of-a-colibri-imx7#Examples

Colibri iMX7 M4核心调试环境配置

在上一章节编译部分资料中有提到编译自带 sample code 只需要执行项目中的 build_all.sh 脚本，就可以生成 release 和 debug 项目，然后进入 debug 项目目录，打开“build_debug.sh” 脚本，可以看到通过 “-G” 参数指定了编译系统，这里默认是 “Eclipse CDT4 - Unix Makefiles”，支持的是 Eclipse 指定了，因此本文示例就基于 Eclipse 进行调试。

由于Ubuntu 16.04 系统自带的 Eclipse 版本比较低，不支持后续需要的 plugin，因此需要手动安装最新版本的 Eclipse：

• 首先安装最新版本的openjdk

$ sudo add-apt-repository ppa:openjdk-r/ppa
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install openjdk-8-jdk

• 从下面地址下载最新的 Eclipse CPP，解压后可以直接运行，无需安装。

http://www.eclipse.org/downloads/packages/

• 下载安装 J-Link software and documentation pack，安装好第一次运行，会自动检查 J-Link firmware 并升级到最新版本。

https://www.segger.com/products/debug-probes/j-link/

• 运行 Eclipse CPP，安装 J-Link GDB plugin

// Main menu -> Help -> install new software
// 输入下面地址
https://dl.bintray.com/gnu-mcu-eclipse/updates/ 
// 在列表里面安装下面plugin
GNU ARM C/C++ J-Link Debugging

• 在 Eclipse 中导入需要 debug 的项目

选择 File -> Import -> General -> Existing Projects into Workspace。
在 “Select root directory”，输入项目“armgcc/debug”文件夹目录地址，此时会自动识别出已经编译好的 debug 项目，完成项目导入，比如本次示例项目名字为 gpio-freertos，导入如下：

• 在 Eclipse 中进行debug GDB 参数配置

打开 Run –> Debug Configurations，可以看到左边侧栏中 GDB SEGGER J-Link Debugging 项目下一般会自动出现刚才导入的项目，右边是对应的一些选项。
Main 选项卡，一些基本名字等信息

• Debugger 选项卡

需要注意的地方：

1. Device name，Colibri iMX7 对应就是这个名字，具体的列表可以参考这里
2. Interface 选择使用的仿真器接口，我这里使用的是JTAG的
3. Other options，非常关键，-scriptfile 指定的文件请从这里下载使用即可，其他参数一样就行，当然熟悉配置的话也可以进行修改。
4. GDB Client Setup -> Executable，设定为 SDK 目录下的 bin/arm-none-eabi-gdb 文件

• Startup 选项卡

需要注意的地方：

1. 取消 Enable flash breakpoints
2. 添加命令行 monitor reset 0
3. 勾选 RAM application (reload after each reset/restart)

• 至此，GDB 配置完毕，点击 Debug 按钮即可进行 debug 了。

Colibri iMX7 M4 核心示例程序

本程序主要实现三个并行任务：

1. LED1, LED2 和 LED3 的跑马灯任务，时间间隔从最小 100ms 到最大 1000ms，每档间隔为 100ms。
2. 按键中断任务，每按键一次，跑马灯的时间间隔增加 100ms，如果已经到达 1000ms 上限，再次按键则回到 100ms 初始值。同时在每次跑马灯时间间隔更改后，给 A7 核心系统发消息通知。
3. 和 A7 核心通讯任务，当接收到 A7 发来的跑马灯时间间隔指令后，按指令配置跑马灯时间间隔，同时配置完成后给 A7 核心发消息通知。

具体代码请见如下 git 地址

https://github.com/simonqin09/iMX7_M4_Runniung_LED_Demo/tree/master/gpio_freertos

代码中对应上面三个任务分别由三个 task 实现

1. 跑马灯 – ToggleTask
2. 按键 – SwitchTask
3. 通讯 – StrEchoTask

ToggleTask 就是简单的通过 vTaskDelay 实现了跑马灯的间隔时间

SwitchTask 通过 GPIO中 断响应，来捕获按键同时更新间隔时间，并通知 A7

StrEchoTask 主要通过 OPAMP/Rpmsg 实现和A7消息的接收，另外通过 Semaphore 来实现几个 task 之间的切换，关于 Semaphore 的使用是异构双核架构下 M4 编程的重点，具体可以参考下面 FreeRTOS 官方文档说明：
https://www.freertos.org/a00113.html

Colibri iMX7 A7 核心示例程序

在展示 A7 程序代码之前需要先进行一些关于 A7 Linux 系统的说明：

由于 iMX7 A7 和 M4 是共享外设，因此在开发前需要先区分好 M4 所需要的外设，同时在 A7 Linux 的 device tree 中将这些外设 disable，以免产生冲突，比如本示例，主要就使用了几个GPIO 资源，以及 M4 调试串口，因此需要在 A7 device tree 中确保未使用对应的 GPIO 和串口资源，具体关于 device tree 的修改编译这里就不详述了，具体可以参考这里。当然，如果只是临时测试，也可以直接在 uboo t中配置，详细可以参考如下：
https://developer.toradex.cn/knowledge-base/freertos-on-the-cortex-m4-of-a-colibri-imx7#Running_a_Firmware_on_CortexM4

如果需要 M4 和 A7 通过 Rpmsg 进行通信，需要在 A7 Linux 下加载相关驱动，目前 Toradex Linux BSP V2.7 版本已经包含了驱动，只需要通过下面方式加载即可：

modprobe imx_rpmsg_tty>

另外，如果需要开机自动加载，可以增加一个 systemd 自启动项目来实现。

A7 Rpmsg 通讯的 Qt 应用代码如下：
https://github.com/simonqin09/iMX7_M4_Runniung_LED_Demo/tree/master/qt-rpmsg

程序分为两个线程，主线程 mainwindow 实现主要图形界面显示，同时实现发送消息功能；另外一个子线程主要负责实时获取 M4 发来的消息并显示在主界面的对应位置。

由于 Rpmsg Linux 驱动加载后，会虚拟出一个串口设备，因此基本的发送接收就是 Linux 下串口的基本操作，具体说明可以参考这里。

完整程序的部署测试

首先在 uboot 下通过 SD 卡或者 tftp 将编译好的 M4 核心 firmware 下载保存到 imx7 flash 里面并开机自动加载，通过 SD 卡相关命令可以参考这里。

# ubi part ubi
# tftp ${loadaddr} gpio_freertos.elf
# ubi write ${loadaddr} m4firmware ${filesize}
# setenv m4boot 'ubi read ${loadaddr} m4firmware && bootaux ${loadaddr}'
# saveenv

然后进入 Linux，创建两个开机自启动服务，一个用于加载 imx_rpmsg_tty 驱动，另外一个用于加载 Qt 应用程序 qt-rpmsg

script to start imx_rpmsg_tty

$ cd /home/root
$ vi rpmsg
#!/bin/bash
modprobe imx_rpmsg_tty
exit 0

system service file to autorun rpmsg on startup

$ cd /etc/systemd/system
$ vi rpmsg-load.service
[Unit]
Description=load Rpmsg driver
After=multi-user.target

[Service]
Type=simple
ExecStart=/home/root/rpmsg

[Install]
WantedBy=multi-user.target

$ systemctl enable rpmsg-load.service

关于 Qt 应用 qt-rpmsg 的开机自动加载请参考这里说明，这里就不赘述。

重新启动，可以看到在开机马上 uboo t启动瞬间 LED 跑马灯已经开始运转，证明 M4 firmware 已经运行起来，然后 Linux 启动后 Qt 应用起来，可以对跑马灯时间间隔进行增加和减少操作，同时按键更改跑马灯时间间隔的结果也会即时反馈到应用界面上来。

总结

通过上述示例可见，通过 iMX7 这样异构多核架构的处理器，可以更简洁高效的实现原来需要两个分立处理器来完成的任务，简化的硬件设计，软件开发也相对更统一，数据面分享可以直接通过内存共享非常方便，相信未来会有越来越多的嵌入式应用采用这样的方案。

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