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使用VSCode打造APM飞控的编译+烧录+调试一体的终极开发环境
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日期：2019.05.08 前言APM（Ardupilot）和PX4是当今世界上最为流行和活跃的两大开源飞控软件项目，它们均在Linux下基于gcc编译工具链开发，对于那些习惯与在Windows下使用Keil MDK开发单片机的童鞋，无疑带来了一定的门槛，除了编译环境搭建较为麻烦之外，还有一个最主要的原因便是难以实现类似Keil上的在线硬件调试（Debug）功能。 而本文的主要目的在于引导读者，在Ubuntu系统下为APM飞控搭建一个类似Keil的编译、烧录和调试一体的开发环境，降低开源飞控的入门和开发门槛。 QQ：562983648 前期准备 硬件 飞控板：本教程中必须是基于STM32单片机并支持APM固件的飞控板，如pixhawk，pixhawk2等等，而作者本人则使用的是之前自己制作的一款基于STM32F405的飞控板，因此中间还有一段移植APM固件到第三方飞控板的教程，如果手上已经有官方飞控的童鞋可以直接跳过。J-Link OB调试器：烧录和调试必备工具，淘宝上十几元一个，没有的话先准备一个吧。 系统环境ubuntu 18.04 软件这里先列出后续会使用到的软件工具版本： VSCode : 1.33.1OpenOCD : 0.10.0Cortex-Debug : 0.2.3gcc-arm-none-eabi : 6.3.1python : 2.7.15ArduCopter : 3.7.0-dev (fd19b257) 为什么使用VSCodeVSCode是微软在2015年发布的一个现代化跨平台开源编辑器，原生支持Git，并拥有着最强大的插件社区，被称之为史上最好用的编辑器。在越来越多各种强大的插件支持下，你可以将VSCode演变成支持绝大多数语言的IDE，当然包括了我们做嵌入式开发常用的C/C++。
随着时代的发展，Keil之类的IDE，虽然上手简单，但是其编辑器功能已经远远落后与时代，还有着收费、不开源、不支持跨平台等各种问题。而VSCode正好弥补了这些缺点，并有着无比强大的编辑器功能与丰富插件支持。结合插件，我们可以将VSCode打造成一个有史以来最强大的飞控开发IDE，有着比拟Keil的硬件Debug功能，还有秒杀Keil几条大街的编辑器，那么我们还有什么理由不投入VSCode的怀抱呢？ 邂逅VSCode 1.安装在ubuntu上安装VSCode的方法有很多种，可自行百度。比较简单的一种方式是访问官网，直接下载deb包到本地，双击安装。 丰富的插件是VSCode的灵魂，也是短短两三年内造就了VSCode霸主地位的主要原因之一，不安装插件的VSCode比咸鱼好不了多少。。。 安装插件的方法是点击左侧的”Extensions“图标，或使用快捷键ctrl+shit+x打开插件搜索栏，输入名称查找插件，并点击install，如下图：
喜欢原生英文界面的可跳过这一步。。。 快捷键ctrl+shift+p打开命令面板，输入language，选择"Configure Display Language"，然后点击"zh-cn"，软件重启之后便切换至中文界面。 下载并编译APM 1.下载代码在你的工程目录下打开终端，克隆代码到本地 git clone https://github.com/ArduPilot/ardupilot进入代码目录 cd ardupilot更新子模块 git submodule update --init --recursive 2.安装工具链及python包项目提供了环境部署脚本，可以直接安装所有所需工具和包 Tools/environment_install/install-prereqs-ubuntu.sh -y理论上这样就可以了，但实际上由于gcc-arm-none-eabi工具链体积比较大，通过wget方式下载速度过慢，实在没有耐心等待，于是我选择手动安装工具链。 注意的是工具链版本很重要，过低和过高的版本都可能导致编译失败，一般部署脚本里提供的版本不会存在问题，所以我选择这个版本来下载。 打开链接https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads ，选择gcc-arm-none-eabi-6-2017-q2-update，Linux 64-bit进行下载，使用一些多线程下载工具速度会快很多。 进入opt目录，并解压 cd /opt sudo tar -jxvf gcc-arm-none-eabi-6-2017-q2-update-linux.tar.bz2配置工具链路径为环境变量 exportline="export PATH=/opt/gcc-arm-none-eabi-6-2017-q2-update/bin:\$PATH" if grep -Fxq "$exportline" ~/.profile; then echo nothing to do ; else echo $exportline >> ~/.profile; fi . ~/.profile检测gcc-arm-none-eabi是否已正确安装 arm-none-eabi-gcc --version应该输出以下内容 启动VSCode，并打开ardupilot文件夹，快捷键Ctrl+Shift+`打开终端。 为保险起见，让读者能够按照此教程顺利实现，请使用本文中编译的分支 git checkout fd19b257编译适配fmuv5硬件的所有飞机类型的固件 make fmuv5编译成功后如下图所示。
由于手上并没有pixhawk系列的飞控硬件，只能为已有的F405飞控板实现APM的适配。 我将自己手上的飞控板命名为bluesky（天穹飞控），后续编译飞控代码都将会使用这个名称，而读者们则需要根据自己的硬件来更改为相对应的型号进行编译，如fmuv2，fmuv3之类的。 1.增加编译配置文件进入ardupilot/libraries/AP_HAL_ChibiOS/hwdef目录下，新建文件夹，命名为blueksy，在bluesky目录下新建两个名为hwdef.dat、hwdef-bl.dat的文件，它们分别为飞控主程序和Bootloader的编译配置文件，这两个文件的内容如下： hwdef.dat # hw definition file for bluesky hardware # MCU class and specific type MCU STM32F4xx STM32F405xx # board ID for firmware load APJ_BOARD_ID 888 # crystal frequency OSCILLATOR_HZ 8000000 STM32_PLLM_VALUE 8 define STM32_ST_USE_TIMER 4 define CH_CFG_ST_RESOLUTION 16 FLASH_SIZE_KB 1024 # board voltage STM32_VDD 330U # only one I2C bus I2C_ORDER I2C1 # order of UARTs (and USB) UART_ORDER OTG1 USART1 USART3 UART4 USART6 # LEDs PA6 LED_BLUE OUTPUT LOW GPIO(0) PC4 LED_GREEN OUTPUT LOW GPIO(1) PC5 LED_RED OUTPUT LOW GPIO(2) define HAL_GPIO_A_LED_PIN 0 define HAL_GPIO_B_LED_PIN 1 define HAL_GPIO_C_LED_PIN 2 # buzzer #PC13 BUZZER OUTPUT GPIO(80) LOW #define HAL_BUZZER_PIN 80 #define HAL_BUZZER_ON 1 #define HAL_BUZZER_OFF 0 # spi1 bus for IMU PB13 SPI2_SCK SPI2 PC2 SPI2_MISO SPI2 PC3 SPI2_MOSI SPI2 PA5 ICM20689_CS CS PA4 MS5611_CS CS # only one I2C bus in normal config PB6 I2C1_SCL I2C1 PB7 I2C1_SDA I2C1 # analog pins PC0 BATT_VOLTAGE_SENS ADC1 SCALE(1) PC1 BATT_CURRENT_SENS ADC2 SCALE(1) # define default battery setup # PC5 - ADC12_CH15 define HAL_BATT_VOLT_PIN 15 # PC4 - ADC12_CH14 define HAL_BATT_CURR_PIN 14 define HAL_BATT_VOLT_SCALE 10.1 define HAL_BATT_CURR_SCALE 17.0 # USART1 PA9 USART1_TX USART1 PA10 USART1_RX USART1 # rcinput PA8 TIM1_CH1 TIM1 RCININT FLOAT LOW # USART3 PB10 USART3_TX USART3 PB11 USART3_RX USART3 # UART4 PA0 UART4_TX UART4 PA1 UART4_RX UART4 # UART6 PC7 USART6_RX USART6 PC6 USART6_TX USART6 # PA10 IO-debug-console PA11 OTG_FS_DM OTG1 PA12 OTG_FS_DP OTG1 # USB detection #PB12 VBUS INPUT OPENDRAIN # debug PA13 JTMS-SWDIO SWD PA14 JTCK-SWCLK SWD # PWM out pins. Note that channel order follows the ArduPilot motor # order conventions PA2 TIM2_CH3 TIM2 PWM(1) GPIO(50) PA3 TIM2_CH4 TIM2 PWM(2) GPIO(51) PB0 TIM3_CH3 TIM3 PWM(3) GPIO(52) PB1 TIM3_CH4 TIM3 PWM(4) GPIO(53) PA15 TIM2_CH1 TIM2 PWM(5) GPIO(54) PB3 TIM2_CH2 TIM2 PWM(6) GPIO(55) define HAL_STORAGE_SIZE 15360 define STORAGE_FLASH_PAGE 2 # reserve 32k for bootloader and 32k for flash storage FLASH_RESERVE_START_KB 64 define HAL_INS_DEFAULT HAL_INS_ICM20689_SPI define HAL_INS_DEFAULT_ROTATION ROTATION_ROLL_180_YAW_270 # no built-in compass, but probe the i2c bus for all possible # external compass types define ALLOW_ARM_NO_COMPASS define HAL_COMPASS_DEFAULT HAL_COMPASS_NONE define HAL_PROBE_EXTERNAL_I2C_COMPASSES define HAL_I2C_INTERNAL_MASK 0 define HAL_COMPASS_AUTO_ROT_DEFAULT 2 define HAL_BARO_DEFAULT HAL_BARO_MS5611_SPI # SPI devices SPIDEV icm20689 SPI2 DEVID1 ICM20689_CS MODE3 2*MHZ 8*MHZ SPIDEV ms5611 SPI2 DEVID2 MS5611_CS MODE3 20*MHZ 20*MHZ # filesystem setup on sdcard #define HAL_OS_FATFS_IO 1 #define HAL_BOARD_LOG_DIRECTORY "/APM/LOGS" #define HAL_BOARD_TERRAIN_DIRECTORY "/APM/TERRAIN" # 8 PWM available by default define BOARD_PWM_COUNT_DEFAULT 8 # uncomment the lines below to enable strict API # checking in ChibiOS define CH_DBG_ENABLE_ASSERTS TRUE define CH_DBG_ENABLE_CHECKS TRUE define CH_DBG_SYSTEM_STATE_CHECK TRUE define CH_DBG_ENABLE_STACK_CHECK TRUE hwdef-bl.dat # hw definition file for processing by chibios_pins.py # for minimal F405 bootloader # MCU class and specific type MCU STM32F4xx STM32F405xx # board ID for firmware load APJ_BOARD_ID 888 # crystal frequency OSCILLATOR_HZ 8000000 STM32_PLLM_VALUE 8 FLASH_SIZE_KB 1024 # bootloader is installed at zero offset FLASH_RESERVE_START_KB 0 # LEDs PA6 LED_BOOTLOADER OUTPUT LOW PC5 LED_ACTIVITY OUTPUT LOW define HAL_LED_ON 0 # the location where the bootloader will put the firmware FLASH_BOOTLOADER_LOAD_KB 64 # board voltage STM32_VDD 330U # order of UARTs UART_ORDER OTG1 PA11 OTG_FS_DM OTG1 PA12 OTG_FS_DP OTG1 define HAL_USE_EMPTY_STORAGE 1 define HAL_STORAGE_SIZE 15360 # debug PA13 JTMS-SWDIO SWD PA14 JTCK-SWCLK SWDhwdef.dat中HAL_INS_ICM20689_SPI这个宏定义在飞控代码中是不存在的，因为飞控的IMU安装方向已经被固化在代码中，因此我需要针对我的飞控板对代码进行一定修改： 打开ardupilot/libraries/AP_InertialSensor目录下的AP_InertialSensor.cpp，在大约845行下面增加如下代码 #elif HAL_INS_DEFAULT == HAL_INS_ICM20689_SPI && defined(HAL_INS_DEFAULT_ROTATION) ADD_BACKEND(AP_InertialSensor_Invensense::probe(*this, hal.spi->get_device("icm20689"), ROTATION_ROLL_180));定义了我的IMU安装方向为ROTATION_ROLL_180。
OpenOCD是被VSCode的Cortex-Debug插件调用于烧录和调试STM32的软件。 1.安装 sudo apt install openocd查看版本 openocd -v
我使用的是J-Link OB调试器，需要修改OpenOCD的jlink配置为swd接口 sudo gedit /usr/share/openocd/scripts/interface/jlink.cfg打开jlink.cfg文件进行修改，在其中加入一行并保存 transport select swd
将jlink调试器连接飞控并接入PC，输入以下命令测试是否能正确识别jlink及单片机 openocd -f interface/jlink.cfg -f target/stm32f4x.cfg如果提示“Warn : Failed to open device: LIBUSB_ERROR_ACCESS.”之类的错误，说明当前用户没有usb端口权限，需要使用 sudo usermod -a -G dialout user_name重启后会将当前用户加入dialout组，注意user_name为你的用户名称。 输出下图信息，说明OpenOCD能够识别到单片机了。 OpenOCD无法识别单片机：如果你的飞控中已经烧录过某些程序，则存在禁用SWD接口的可能性，导致调试器无法连接单片机，这时候需要将BOOT0引脚拉高后再上电。 OpenOCD端口被占用：如果提示"Error: couldn’t bing xxx to socket: Address aleady in use"这个错误，可能是因为OpenOCD需要监听的端口已经被占用，其中xxx可能是telnet_port、gdb_port、tcl_port三者之一，这三个默认端口分别为4444、3333、6666。比如如果tcl_port被占用（这个是我在windows下经常碰到的情况），可以在.cfg文件中加入一行：tcl_port 19998，修改端口为19998，以解决这个问题。 4.烧录BootloaderBootloader只需要烧录一次，如果是pixhawk之类的已经烧写过程序的板子，那便可跳过此步骤。 连接单片机 openocd -f interface/jlink.cfg -f target/stm32f4x.cfg打开另一个终端，通过telnet连接openocd telnet localhost 4444烧录Bootloader，注意这里要把Bootloader文件路径修改成你自己的 program /home/bluesky/Project/ardupilot/build/bluesky/bootloader/AP_Bootloader复位单片机 reset
重头戏来了，但是要实现这一步必须要保证以下几点： 编译正常通过，并生成了飞控固件openocd正常工作，能够连接并识别到单片机VSCode上已经安装了Cortex-Debug插件 1.增加Debug配置文件在VSCode中打开ardupilot项目后，点击左侧图标或者使用快捷键Ctrl+Shift+D打开Debug界面，如下图
前面编译飞控固件时不带有Debug信息，这样会导致调试时无法识别到源代码文件，编译时加入--debug参数来增加debug信息。 ./waf configure --debug --board bluesky ./waf copter增加debug参数后编译出现了一个错误： 修改为 uint32_t compressed_size = 0;
注意如果前面在其它终端中使用openocd连接了单片机，此时需要将其关闭。 一切都准备就绪。 在VSCode的菜单栏->调试中点击“启动调试”，或者直接按下F5，将会进入到Debug状态，中间出现一个Debug菜单栏。 断点 可以在代码左侧单击放置断点，右键编辑断点属性，还可以设置条件断点： 使用过Keil的童鞋都知道，调试程序前会先自动编译当前程序，在VSCode中我们也可以利用Task功能来实现一键自动编译+调试。 创建tasks.json快捷键Ctrl+Shift+p打开命令面板，输入task，选择Tasks:Configure Task（配置任务），在弹出来的选项中随便选择一个，将会自动生成一个tasks.json文件，然后将下面代码复制（覆盖）进去并保存： { "version": "2.0.0", "tasks": [ { "type": "shell", "label": "build", "command": "./waf copter", } ] }其中 "command"就是我们定义的要运行的命令，这里你可以根据自己的需求来改动。 绑定task然后再打开先前的launch.json文件，在其中加入一行，表示在Debug之前先运行定义好的编译任务： "preLaunchTask": "build",
当再次按下F5开始烧录和调试的时候，会先进行固件编译。 总结理论上所有基于STM32并使用gcc编译的项目，均可以使用这种方式进行开发、烧录和调试，比如我的上一篇博文就说明了如何用这种方式来调试Betaflight飞控：Ubuntu下使用VSCode编译调试Betaflight飞控。 随着插件的进一步丰富与完善，未来VSCode会有着更强大的功能和更便捷的使用性，所以，现在可能会是你入手VSCode的最佳时间。 如果想在Win10下开发，也可以利用WSL子系统实现编译，Windows上运行VSCode配合win版的gcc-arm-none-eabi和openocd来实现同样的烧录及调试功能。 |
下载完毕后，移动压缩包至opt目录下
重启使该环境变量应用到所有终端
通常我们只想编译多旋翼的固件，以节省时间，可以使用waf命令。
注意这里的hwdef.dat只是我临时修改的一个配置文件，还不够完善，后续再补充。针对不同的飞控板，可以参考文件夹下其他相近的配置文件来编写你自己的。
注意版本必须是0.10.0（对于本教程而言）。
点击小齿轮图标，并选择“Cortex-Debug"，将会添加一个launch.json的配置文件，将下面的代码复制（覆盖）到launch.json并保存：
其中"executable"和"configFiles"要根据自己的实际情况修改，比如飞控是基于STM32F7单片机的，那么 “target/stm32f4x.cfg"要修改为"target/stm32f7x.cfg”。
从错误提示上来看是因为AP_ROMFS.cpp中有一个compressed_size变量在使用前未初始化，于是打开libraries/AP_ROMFS目录下的AP_ROMFS.cpp文件，将第50行中的
重新进行编译 
可以看到重新编译的固件要比之前的大上少许。
首先VSCode会给飞控板烧录固件，需要等待数秒钟（APM固件体积较大因此烧录时间较长），调试控制台中出现下图信息时说明固件已经加载完毕，再次按下F5，程序开始运行。 
现在可以开始愉快地调试飞控程序了，可以在代码中放断点，查看变量等等。 
主要调试快捷键说明
查看变量 将鼠标悬停在变量上面，可以显示变量的数值，也可以在左侧监视窗口中手动输入变量名以同时观察多个变量数据。有个缺陷是似乎在运行的时候无法查看变量数据，而在Keil的调试窗口中是能够支持全局变量和静态变量实时刷新的。
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