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# 实战一｜嵌入式开发：如何使用C语言开发智能电灯？
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你好，我是郭朝斌。
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作为RISC-V开发板动手实践的第一讲，我们从智能灯的嵌入式开发开始吧。
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智能灯硬件最重要的功能是控制LED灯的颜色和开关，这就涉及到PWM信号的生成和继电器的控制。之前我们是使用Python语言在NodeMCU开发板上实现的。那么，这些功能如何在RISC-V芯片上，使用C语言实现呢？
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别着急，我来一步一步地讲解一下。
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## 开发板介绍
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[上一讲](https://time.geekbang.org/column/article/506337)已经提到，我们使用的开发板是平头哥（T-Head）公司设计开发的RVB2601 开发板。主控芯片代号是CH2601，它基于平头哥开源的玄铁E906处理器内核IP设计开发，具体的指令集架构是RV32IMACX。
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根据上节学到的RISC-V指令集知识，你可以知道这代表它采用 RISC-V 32bit 基本整数指令子集，并且包含整数乘法与除法指令子集，不可中断指令（也称作存储器原子操作指令）子集，压缩指令子集，这些标准扩展指令集。
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其中，压缩指令子集对于嵌入式芯片非常重要，它可用于提高代码密度，节省存储成本。最后的代号"X"表示玄铁E906自定义的一些扩展指令集，这也是RISC-V指令集架构可扩展性的体现。
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说了这么多，我们来看一下RVB2601开发板的实物图。
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作为一款嵌入式系统开发板，RVB2601在用户交互体验上下了一番功夫，提供了一块OLED屏幕，两个MIC输入，一个扬声器，一个三色LED灯，还有两个实体按键。基于这些器件，你可以直接动手实验很多有趣的应用。
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更重要的是，这些外围器件都是通过跳线帽与主控芯片CH2601的I/O接口相连的，这就是说我们可以把跳线帽去掉，将我们自己的传感器、继电器等器件与芯片的I/O接口连接，开发我们的特定的应用。
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当然，在这之前，我们需要先了解一下 RVB2601 开发板的I/O接口分布及功能。我绘制了一张I/O接口功能图，供你参考。[官方文档](https://occ.t-head.cn/vendor/detail/index?id=3886757103532519424&key=download&module=4&vendorId=3706716635429273600)中也有相关的描述，你也可以参考，但是介绍比较分散，你可能经常需要查看文档的多个位置来确认一个接口的功能。
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## 开发环境初体验
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了解完硬件的基本情况，我们来看一下软件的开发工具和流程。
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### 第一步 安装集成开发环境
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平头哥提供了一个集成开发环境，名称是剑池CDK。在这个软件开发环境里，图形化的操作界面更利于我们使用。
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不过，CDK只支持 Windows操作系统，如果你使用Mac电脑的话，可以像我一样使用 [VirtualBox](https://www.virtualbox.org/wiki/Downloads) 虚拟机软件，在Mac电脑上运行一个Windows虚拟机。VirtualBox是完全免费的，当然其他商用的虚拟机软件也可以使用。
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### 第二步 程序开发
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安装好IDE（集成开发环境）后，我们来创建一个工程项目。为了简便、快速地帮你理解，我们直接基于 IDE 提供的模版工程创建一个示例程序。
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在IDE的欢迎页面中，点击右上角的“新建工程”
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接着，你可以在新页面中找到顶部的搜索框，然后输入"ch2601"。
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如果IDE没有显示欢迎页面，你可以点击工具栏右侧的平头哥Logo图标，重新打开欢迎页面。
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点击搜索，你可以看到所有关于芯片CH2601的工程项目。
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我们选择与智能灯最接近的跑马灯项目作为模板。点击“ch2601\_marquee\_demo”条目右侧的“创建工程”。在弹出的“新建工程”窗口中，输入一个工程名称，比如“Led”，然后点击“确认”。
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在IDE左侧，我们可以看到新建工程“Led”的工程结构：
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* “app”目录中的文件是工程的应用代码。
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* “.gdbinit”文件是GDB调试程序的初始化参数。
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* “SConstruct”文件是[Scons](https://scons.org)软件构建工具的配置文件。
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* “sdk\_chip\_ch2601”节点中是YOC平台相关的基础库。
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### 第三步 编译
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现在我们新建的Led工程中是跑马灯应用的完整代码。我们先不做任何修改，直接编译、运行一下。你可以点击工具栏中的编译图标，启动工程编译。
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或者从“Project”菜单中选择“Build Active Project”。
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从这里我们也可以看出C语言和Python语言的不同，**C语言开发的代码在运行之前必须先进行编译，生成机器指令，而在这个过程中，编译器可以提前发现语法错误等。**
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### 第四步 烧录
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接着，我们需要将编译生成的固件文件烧录到开发板中。RVB开发板是通过JTAG接口来完成固件烧录的。你需要使用USB连接线把电脑与开发板的JTAG接口相连，然后点击工具栏中的烧录图标。
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### 第五步 运行
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烧录完成后，你需要按一下开发板上的RST按键，重置RVB2601开发板。这时就可以看到开发板上的LED灯开始三种颜色交替点亮、熄灭。
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这里提醒一下，如果LED灯的闪烁不正确，你需要查看一下开发板上PA7、PA25和PA4的跳线帽安装位置是否正确。我收到的开发板上，PA7一开始没有安装跳线帽，就导致了LED灯的红色状态不工作。
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## 智能灯的开发
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接下来，我们开始智能灯的开发。
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LED模块和继电器仍然使用我们之前实验中使用的器件。如果你是第一次接触这个实验，或者之前的器件已经不知道跑到哪里去了，也可以参考[这份文档](https://shimo.im/sheets/D3VVPdwcYRhhQRXh/MODOC)自行采购相关硬件。
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至于电路连接图，你可以参考下图。
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这里需要注意的是，最初，开发板上的J1扩展接口的15和16位、J3扩展接口的3和4位、J3扩展接口的5和6位、J3扩展接口的7和8位，还有J4扩展接口的15和16位是安装着跳线帽的，你在接线时需要把这些跳线帽去掉。
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### PWM信号生成
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在本实验中，LED模块的发光原理依然是PWM，忘记的同学可以回去[第17节](https://time.geekbang.org/column/article/322528)复习一下。LED灯的代码如下，供你参考。
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```c++
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/*********************
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* INCLUDES
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*********************/
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#define _DEFAULT_SOURCE /* needed for usleep() */
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <unistd.h>
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#include <time.h>
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#include <aos/aos.h>
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#include "app_config.h"
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#include "app_init.h"
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#include "csi_config.h"
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#include "hw_config.h"
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#include "board_config.h"
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#include "drv/gpio_pin.h"
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#include <drv/pin.h>
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#include <drv/pwm.h>
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#ifdef CONFIG_PWM_MODE
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static uint32_t g_ctr = 0;
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static csi_pwm_t r;
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void led_pinmux_init()
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{
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//7
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csi_error_t ret;
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csi_pin_set_mux(PA7, PA7_PWM_CH7);
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csi_pin_set_mux(PA25, PA25_PWM_CH2);
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||
csi_pin_set_mux(PA4, PA4_PWM_CH4);
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||
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||
ret = csi_pwm_init(&r, 0);
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||
if (ret != CSI_OK) {
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printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
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||
return ;
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}
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||
}
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void rgb_light(uint32_t red, uint32_t green, uint32_t blue)
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||
{
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||
csi_error_t ret;
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||
ret = csi_pwm_out_config(&r, 7 / 2, 300, red*300/255, PWM_POLARITY_HIGH);
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||
if (ret != CSI_OK) {
|
||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
return ;
|
||
}
|
||
ret = csi_pwm_out_start(&r, 7 / 2);
|
||
if (ret != CSI_OK) {
|
||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
return ;
|
||
}
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||
//25
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||
ret = csi_pwm_out_config(&r, 2 / 2, 300, green*300/255, PWM_POLARITY_HIGH);
|
||
if (ret != CSI_OK) {
|
||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
return ;
|
||
}
|
||
ret = csi_pwm_out_start(&r, 2 / 2);
|
||
if (ret != CSI_OK) {
|
||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
return ;
|
||
}
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||
//4
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||
ret = csi_pwm_out_config(&r, 4 / 2, 300, blue*300/255, PWM_POLARITY_HIGH);
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||
if (ret != CSI_OK) {
|
||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
return ;
|
||
}
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||
ret = csi_pwm_out_start(&r, 4 / 2);
|
||
if (ret != CSI_OK) {
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||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
return ;
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||
}
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||
}
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#endif
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#ifdef CONFIG_GPIO_MODE
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static uint32_t g_ctr = 0;
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static csi_gpio_pin_t r;
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static csi_gpio_pin_t g;
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||
static csi_gpio_pin_t b;
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||
void led_pinmux_init()
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||
{
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||
csi_pin_set_mux(PA7, PIN_FUNC_GPIO);
|
||
csi_pin_set_mux(PA25, PIN_FUNC_GPIO);
|
||
csi_pin_set_mux(PA4, PIN_FUNC_GPIO);
|
||
csi_gpio_pin_init(&r, PA7);
|
||
csi_gpio_pin_dir(&r, GPIO_DIRECTION_OUTPUT);
|
||
csi_gpio_pin_mode(&r, GPIO_MODE_PUSH_PULL);
|
||
csi_gpio_pin_init(&g, PA25);
|
||
csi_gpio_pin_dir(&g, GPIO_DIRECTION_OUTPUT);
|
||
csi_gpio_pin_mode(&g, GPIO_MODE_PUSH_PULL);
|
||
csi_gpio_pin_init(&b, PA4);
|
||
csi_gpio_pin_dir(&b, GPIO_DIRECTION_OUTPUT);
|
||
csi_gpio_pin_mode(&b, GPIO_MODE_PUSH_PULL);
|
||
g_ctr = 0;
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||
}
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||
//fake rgb, because of only high or low state of gpio
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||
void rgb_light(uint32_t red, uint32_t green, uint32_t blue)
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||
{
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||
(red < 50)?csi_gpio_pin_write(&r, GPIO_PIN_LOW):csi_gpio_pin_write(&r, GPIO_PIN_HIGH);
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||
(green < 50)?csi_gpio_pin_write(&r, GPIO_PIN_LOW):csi_gpio_pin_write(&g, GPIO_PIN_HIGH);
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||
(blue < 50)?csi_gpio_pin_write(&r, GPIO_PIN_LOW):csi_gpio_pin_write(&b, GPIO_PIN_HIGH);
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||
}
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#endif
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```
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在代码中，我们主要使用了 CSI 接口规范中的相关接口函数，你可以参考[接口规范文档](https://yoc.docs.t-head.cn/yocbook/Chapter3-AliOS/CSI%E8%AE%BE%E5%A4%87%E9%A9%B1%E5%8A%A8%E6%8E%A5%E5%8F%A3/CSI2/PWM.html)进一步了解具体细节。
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比对规范文档，你可能会有一个疑问：接口PA7、PA25和PA4对应的PWM输出接口编号分别是CH7、CH2和CH4，为什么接口函数csi\_pwm\_out\_config和csi\_pwm\_out\_start的channel（通道号）入参中填写的是编号除以2的得数取整，而不是编号本身呢？
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这涉及到CH2601芯片对于PWM的内部具体设计。
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CH2601芯片内部有6个PWM发生器，对应着编号0～5的通道。每个PWM发生器对应2个输出接口，这两个接口的PWM信号波形是完全一致的。通道编号与输出接口的具体关系如下表。
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从表格中，你可以直观地看到PWM输出接口编号数字需要除以2，并取整，才可以得到PWM的通道编号。这就是上面代码处理方式的来源。
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另外，在上面表格中，我还列出了PWM通道对应的GPIO接口。这是为了方便你在以后的应用中选择合适的PWM接口。比如，在本实验的智能灯应用中，我们需要三个独立的PWM通道来控制LED模块的R、G、B接口，那么我们就不能选择表格里面同一格的多个GPIO接口。显然，我们选择的PA7、PA25和PA4是满足这个原则的。
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同时，我也使用GPIO的高低电平模式实现了LED模块的控制逻辑，便于你对比两种方式的异同。
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### 继电器的控制
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接下来我们看继电器控制的部分是怎么实现的。继电器的驱动同样是通过GPIO口，通过输出高低电平，实现它的通断控制。代码如下。
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```c++
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/*********************
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||
* INCLUDES
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*********************/
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#define _DEFAULT_SOURCE /* needed for usleep() */
|
||
#include <stdio.h>
|
||
#include <stdlib.h>
|
||
#include <unistd.h>
|
||
#include <time.h>
|
||
#include <aos/aos.h>
|
||
#include "app_config.h"
|
||
#include "app_init.h"
|
||
#include "csi_config.h"
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||
#include "hw_config.h"
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#include "board_config.h"
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||
#include "drv/gpio_pin.h"
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||
#include <drv/pin.h>
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static csi_gpio_pin_t relay;
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||
void relay_pinmux_init()
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||
{
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||
csi_error_t ret;
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||
csi_pin_set_mux(PA26, PIN_FUNC_GPIO);
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||
csi_gpio_pin_init(&relay, PA26);
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||
csi_gpio_pin_dir(&relay, GPIO_DIRECTION_OUTPUT);
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||
}
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void relay_toggle(bool on)
|
||
{
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||
if(on)
|
||
{
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||
csi_gpio_pin_write(&relay, GPIO_PIN_HIGH);
|
||
}
|
||
else
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||
{
|
||
csi_gpio_pin_write(&relay, GPIO_PIN_LOW);
|
||
}
|
||
}
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||
```
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||
### 主逻辑编写
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最后是程序的主逻辑。我们需要先初始化LED模块和继电器使用的I/O接口，然后调用LED代码的接口，点亮LED灯。在主循环中，我们周期性地打开、关闭继电器，实现LED灯闪烁的效果。
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注：其中lv和oled开头的函数，是显示屏相关的代码。你暂时不需要关心它们，我会在后面的实验中详细讲解。
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```c++
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||
/*********************
|
||
* INCLUDES
|
||
*********************/
|
||
#define _DEFAULT_SOURCE /* needed for usleep() */
|
||
#include <stdio.h>
|
||
#include <stdlib.h>
|
||
#include <unistd.h>
|
||
#include <time.h>
|
||
#include <aos/aos.h>
|
||
#include "aos/cli.h"
|
||
|
||
#include "app_config.h"
|
||
#include "app_init.h"
|
||
#include "csi_config.h"
|
||
#include "hw_config.h"
|
||
#include "lvgl.h"
|
||
#include "lv_label.h"
|
||
#include "oled.h"
|
||
|
||
#include "board_config.h"
|
||
#include "drv/gpio_pin.h"
|
||
#include <drv/pin.h>
|
||
#include <drv/pwm.h>
|
||
|
||
/*********************
|
||
* DEFINES
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||
*********************/
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||
#define TAG "app"
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||
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||
/**********************
|
||
* TYPEDEFS
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||
**********************/
|
||
|
||
/**********************
|
||
* STATIC PROTOTYPES
|
||
**********************/
|
||
static void led_task(void *arg);
|
||
|
||
/**********************
|
||
* STATIC VARIABLES
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||
**********************/
|
||
|
||
/**********************
|
||
* MACROS
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||
**********************/
|
||
|
||
/**********************
|
||
* GLOBAL FUNCTIONS
|
||
**********************/
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||
volatile uint32_t g_debug = 0;
|
||
volatile uint32_t g_debug_v = 0;
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||
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||
#include "csi_core.h"
|
||
/**
|
||
* main
|
||
*/
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int main(void)
|
||
{
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||
board_yoc_init();
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||
|
||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
printf("===%s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
|
||
aos_task_new("demo", led_task, NULL, 10 * 1024);
|
||
return 0;
|
||
}
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static void lable_test(void)
|
||
{
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lv_obj_t *p = lv_label_create(lv_scr_act(), NULL);
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||
lv_label_set_long_mode(p, LV_LABEL_LONG_BREAK);
|
||
lv_label_set_align(p, LV_LABEL_ALIGN_CENTER);
|
||
lv_obj_set_pos(p, 0, 4);
|
||
lv_obj_set_size(p, 128, 60);
|
||
lv_label_set_text(p, "THEAD\nMARQUEE\nDEMO");
|
||
}
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||
static void led_task(void *arg)
|
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{
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||
lv_init();
|
||
oled_init();
|
||
lable_test();
|
||
led_pinmux_init();
|
||
relay_pinmux_init();
|
||
rgb_light(255,255,0);
|
||
|
||
while (1)
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{
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||
relay_toggle(true);
|
||
lv_task_handler();
|
||
udelay(1000 * 1000);
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||
lv_tick_inc(1);
|
||
relay_toggle(false);
|
||
udelay(1000 * 1000);
|
||
}
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||
}
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```
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## 云上实验室
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如果你暂时没有RVB2601开发板，是不是就只能干看了呢？我发现有一个备选方案可以让你体验一下RVB2601开发板，甚至其他型号的RISC-V芯片的开发板：你可以访问平头哥开发者社区提供的[“云上实验室”](https://occ.t-head.cn/community/cloudlab/home)服务。
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具体怎么做呢？
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首先，在云上实验室页面的筛选条件区域中，直接选择“开发板型号”为 RVB2601，如图所示，你可以看到可供申请的所有开发板。然后点击“申请评估”，可以看到这个开发板可供选择的空闲日期。你可以根据自己的需求，选择一个合适的时间区间进行申请。
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当申请通过后，你会收到一条短信提醒。这时，打开云上实验室页面中“我的设备”标签，就可以看到可以使用的开发板了。
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点击“进入云评估”，你会进入评估控制台，页面中有详细的使用介绍。
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除了体验平台提供的几个demo程序，我们也可以尝试修改一下代码来运行。比如在ch2601\_gui\_demo 的程序，尝试修改一下屏幕显示的文字。命令可参考图片。
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我改为了下图的内容：
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然后，在 Host Terminal 命令行输入 make all 编译固件。
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接着，输入 make flashall 烧录固件文件到开发板中。
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最终的运行情况，我们可以通过摄像头来查看。
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## 小结
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到这里，我们已经熟悉了RVB2601开发板的开发环境，并且完成了智能灯的硬件搭建和嵌入式软件开发。
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你可以看到，当面对一个新的芯片和新的开发板时，我们需要根据GPIO接口的功能来选择合适的接口，比如选择具备PWM功能的接口连接LED模块的R、G、B通道。
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针对RVB2601开发板，PWM输出接口的选择还需要注意一个点——通道（Channel）的选择。CH0/CH1、CH2/CH3、CH4/CH5、CH6/CH7、CH8/CH9和CH10/CH11分别对应编号0～5的6个PWM通道。
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另外，因为现在的实验使用C语言，嵌入式系统应用的开发步骤与之前使用Python语言是不同的，包括下图所示的步骤。
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如果你暂时没有开发板，可以申请体验一下云上实验室。除了可以像我上面提到的那样修改代码来运行，我还推荐你来动手实践一下Linux环境下的开发工具[YocTools](https://yoc.docs.t-head.cn/yocbook/Chapter2-%E5%BF%AB%E9%80%9F%E4%B8%8A%E6%89%8B%E6%8C%87%E5%BC%95/YocTools.html)的使用方法。
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## 思考题
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最后，我想提出一个挑战，当你完成本节的实验后，是否可以为开发板上自带的用户按键开发代码，实现按键控制继电器通断的功能呢？
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欢迎你在评论区分享自己的挑战成果。基于你完成的智能灯，下一节中，我将介绍一下连接物联网平台，并实现联网控制的方法。同时，也欢迎你把今天的内容分享给你的朋友，一起来“极客”一把。
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