การเขียนโปรแกรม C/C++ ด้วย CODAL สำหรับบอร์ด Micro:bit V2#

Keywords: BBC Micro:bit, CODAL v2, VS Code IDE, On-Chip Debugging

▷ บอร์ดไมโครบิตและการเขียนโปรแกรมภาษา C/C++#

บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ได้เลือกใช้ในบทความนี้ เป็นบอร์ด Micro:bit v2 (เปิดตัวในเดือนตุลาคม ค.ศ. 2020) เนื่องจากเป็นบอร์ดเวอร์ชันใหม่กว่ารุ่นแรก และมีชิป nRF52833 (Arm Cortex-M4F, 64 MHz, 512kB Flash, 128kB SRAM) เป็นตัวประมวลผลหลัก (Application Processor หรือ Target MCU) ซึ่งมีความเร็วในการประมวลผลและมีหน่วยความจำภายในชิปมากกว่าชิป nRF51822 (Arm Cortex-M0, 16 MHz, 256kB Flash 16kB SRAM) ของบอร์ด Micro:bit v1

บทความที่เกี่ยวข้อง: "แนะนำบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ BBC Micro:bit"

รูป: บอร์ดไมโครบิต เวอร์ชัน 2

เนื่องจากบอร์ดไมโครบิต เวอร์ชัน 2 มีชิป KL27Z ที่ทำหน้าที่เป็น Interface MCU (ซึ่งจะต้องมีการติดตั้งเฟิร์มแวร์มาให้แล้ว และมีเฟิร์มแวร์อยู่หลายเวอร์ชัน สามารถอัปเกรดเป็นเวอร์ชันใหม่ได้: Micro:bit Firmware) จากรูปจะเห็นได้ว่า KL27Z ทำหน้าที่เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ nRF52833 กับคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ ผ่านทางพอร์ต USB (MicroUSB Connector)

ขา Tx/Rx ของชิป nRF582833 ซึ่งใช้สำหรับรับส่งข้อมูลแบบ Serial มีการเชื่อมต่อกับขาของชิป KL27Z ดังนั้นจึงเลือกได้ว่า จะให้รับส่งข้อมูลอีกต่อหนึ่งไปยังคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ได้ นอกจากนั้นแล้วยังมี SWD Interface ซึ่งจะใช้สำหรับการอัปโหลดไฟล์เฟิร์มแวร์จากคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ไปยังชิป nRF52833

KL27Z Firmware รองรับการทำงานตามรูปแบบของ Arm CMSIS DAPLink ดังนั้นจึงสามารถนำมาใช้ในการดีบักโปรแกรม หลังจากอัปโหลดไฟล์เฟิร์มแวร์ไปยังบอร์ดไมโครบิตได้ ขั้นตอนนี้ เรียกว่า "Source-Level On-Chip Debugger"

ข้อสังเกต: ถ้าเป็นบอร์ดรุ่นใหม่ เช่น v2.20 (เปิดตัวในเดือนเมษายน ค.ศ. 2022) จะใช้ชิปอื่น กล่าวคือ ใช้ nRF52820 แทน KL27Z เนื่องจากปัญหาชิปขาดตลาด

รูป: บล็อกไดอะแกรมของบอร์ดไมโครบิต เวอร์ชัน v2.0 (Source: https://tech.microbit.org/hardware/)

รูป: DAPLink Interface for Micro:bit v2

 

▷ ตัวเลือกสำหรับการเขียนโปรแกรม C/C++#

การเขียนโค้ดด้วยภาษา C/C++ สำหรับบอร์ดไมโครบิต มีมากกว่าหนึ่งตัวเลือกดังต่อไปนี้ แต่ในบทความนี้จะเลือกใช้และทดลองวิธีที่ 2 เท่านั้น

  1. ใช้ซอฟต์แวร์ VS Code IDE + nRF Connect SDK for VS Code ของบริษัท Nordic ผู้ผลิตชิป nRF52833 หรือใช้ nRF MDK (Microcontroller development kit) ร่วมกับ IDE อย่างเช่น SEGGER Embedded Studio (SES)
  2. ใช้ซอฟต์แวร์ CODAL v2 ที่ได้มีการพัฒนาโดยนักวิจัยของมหาวิทยาลัย Lancaster University ในประเทศอังกฤษ สำหรับบอร์ดไมโครบิต (เวอร์ชันสอง) โดยเฉพาะ และเขียนโปรแกรมด้วยภาษา C/C++ โดยใช้ API ดังกล่าวได้ง่ายขึ้น
  3. ใช้ซอฟต์แวร์ Arduino IDE และติดตั้ง Arduino Core for nRF52 และเขียนโปรแกรมด้วย Arduino Sketch

CODAL (Component-Oriented Device Abstraction Layer) ถือว่าเป็นซอฟต์แวร์ที่สำคัญสำหรับบอร์ดไมโครบิต

  • ใช้ภาษา C/C++ ในการพัฒนา
  • มีการใช้งานมาตั้งแต่บอร์ดไมโครบิตรุ่นแรก แต่ใช้ชื่อว่า DAL (Device Abstraction Layer)
  • ทำหน้าที่เป็น C++ Runtime Environment สำหรับบอร์ดไมโครบิต
  • รองรับการทำงานแบบมัลติเธรดได้ (เรียกว่า "Fiber")

รูป: เปรียบเทียบความแตกต่างระหว่าง DAL/CODAL สำหรับบอร์ดไมโครบิต v1 และ v2 (Source: https://tech.microbit.org/software/runtime/)

ข้อสังเกต:

  • DAL สำหรับ Micro:bit v1 ต้องอาศัย Arm Mbed OS 2.0 (classic) และเครื่องมืออย่างเช่น Yotta Build Tool
  • CODAL (v2) ไม่ได้ใช้ Mbed OS อีกต่อไป และมีการใช้ CMake Build Tool และ Ninja Build Tool สำหรับขั้นตอนการคอมไพล์โค้ดโดยใช้ GCC Arm Toolchain
  • CODAL ไม่ได้มีเฉพาะบอร์ดไมโครบิต แต่มีการนำไปใช้กับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์อื่น เช่น CODAL for RP2040 / Pico

รายละเอียดเพิ่มเติม สามารถศึกษาได้จากเอกสารเผยแพร่ที่ได้มีการเผยแพร่ไว้ต่อไปนี้

รูป: แผนผังแสดงองค์ประกอบที่สำคัญของซอฟต์แวร์ MakeCode / CODAL

โครงการ MakeCode เริ่มต้นเมื่อปีค.ศ. 2016 โดยบริษัทไมโครซอฟต์ และได้พัฒนาซอฟต์แวร์ Microsoft MakeCode Editor ซึ่งเป็น Web App ที่ได้เลือกใช้ Google Blockly และ Monaco Editor เป็นพื้นฐานในการพัฒนา

แอปพลิเคชันนี้ทำงานบนหน้าเว็บเบราว์เซอร์ และใช้ในการเขียนโค้ดและสามารถจำลองการทำงานของโค้ดได้ นอกจากนั้นแล้วยังทำหน้าที่แปลงบล็อกคำสั่งที่ได้จากการเขียนโค้ด ให้เป็นคำสั่งต่าง ๆ ในภาษา Static TypeScript (STS)

โค้ด STS จะถูกแปลงหรือคอมไพล์อีกขึ้นตอนหนึ่ง โดยใช้ Static TypeScript Compiler ให้เป็นไฟล์โปรแกรมที่ทำคำสั่งในระดับล่าง (Machine Code) ของชิปไมโครคอนโทรลเลอร์เป้าหมาย มีการใช้คำสั่งต่าง ๆ จาก CODAL Runtime Library และจะต้องนำร่วมเป็นไฟล์เดียวกัน (การสร้างไฟล์เฟิร์มแวร์) ซึ่งเป็นหน้าที่ของ Linker

โค้ด C/C++ ของ CODAL ได้ถูกคอมไพล์ไว้แล้ว (Pre-compiled) และเก็บไว้เป็นไฟล์ไบนารี (เรียกว่า Runtime Binary File) และถูกนำไปใช้โดย Linker ในขั้นตอนการสร้างไฟล์เฟิร์มแวร์

ในขั้นตอนสุดท้าย การเขียนโค้ดด้วยการต่อบล็อกหรือใช้ภาษา STS ก็ตาม จะถูกแปลงให้เป็นโปรแกรมอยู่ในรูปไฟล์ไบนารีที่เรียกว่า .UF2 ซึ่งสามารถนำอัปโหลดไปยังบอร์ดไมโครบิต หากมีการเชื่อมต่อบอร์ดดังกล่าวกับพอร์ต USB ของเครื่องผู้ใช้

การใช้งาน MakeCode ผู้ใช้จะไม่ต้องใช้ CODAL v2 โดยตรง แต่ถ้าจะเขียนโค้ดด้วยภาษา C/C++ ก็สามารถเรียนรู้การใช้งาน CODAL v2 API ได้ ซึ่งทำหน้าที่เป็น HAL (Hardware Abstraction Layer) สำหรับบอร์ดไมโครบิตโดยเฉพาะ

▷ ซอฟต์แวร์สำหรับการเขียนโค้ดด้วย CODAL v2#

สำหรับผู้ใช้ Ubuntu: แนะนำให้ติดตั้งโปรแกรมที่จำเป็นต้องใช้ก่อน (ลองใช้ Ubuntu 22.04 LTS)

$ sudo apt install python3 python3-pip python3-dev python3-venv
$ sudo apt install git build-essential ninja-build cmake
$ sudo apt install gcc-arm-none-eabi binutils-arm-none-eabi

ลองทำคำสั่งเพื่อตรวจสอบเวอร์ชันของโปรแกรม ตามตัวอย่างดังนี้

$ python -V
Python 3.10.6

$ git --version
git version 2.34.1

$ cmake --version
cmake version 3.22.1

$ ninja --version
1.10.1

$ arm-none-eabi-gcc --version
arm-none-eabi-gcc (xPack GNU Arm Embedded GCC x86_64) 10.3.1 20210824 (release)

สำหรับผู้ใช้ Windows: แนะนำให้ติดตั้งเพื่อใช้งานโปรแกรมต่อไปนี้

ใน Github ของ The xPack Project มีไฟล์ไบนารีสำหรับโปรแกรมที่เกี่ยวข้อง ให้นำมาติดตั้งใช้งานในเครื่องคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ Windows แนะนำให้ติดตั้งใช้งานโปรแกรมต่อไปนี้

สำหรับผู้ใช้ Windows เมื่อได้ดาวน์โหลดไฟล์ .zip มาแล้วให้แตกไฟล์ในไดเรกทอรีที่ต้องการ จากนั้นให้ตั้งค่าสำหรับตัวแปร PATH ในส่วนที่เป็น Control Panel > Edit the environment variables เพื่อให้สามารถเรียกใช้โปรแกรมแบบ CLI (Commmand Line Interface) ซึ่งไฟล์ไบนารีของแต่ละโปรแกรมจะอยู่ภายใต้ไดเรกทอรีย่อยชื่อ bin

ลองตรวจสอบการเรียกใช้โปรแกรมใน Windows Command Prompt ตามตัวอย่างดังนี้

> python -V
Python 3.10.10

> git --version
git version 2.33.1.windows.1

> cmake --version
cmake version 3.23.5

> ninja --version
1.11.1

> make --version
GNU Make 4.4
Built for x86_64-w64-mingw32

> arm-none-eabi-gcc.exe --version
arm-none-eabi-gcc.exe (xPack GNU Arm Embedded GCC, 64-bit) 10.2.1 ...

▷ โค้ดตัวอย่างเพื่อสาธิตการใช้งาน CODAL v2#

ดาวน์โหลดซอร์สโค้ดตัวอย่างจาก Github ที่สาธิตการเขียนโค้ดโดยใช้ CODAL v2 สำหรับบอร์ดไมโครบิต

$ git clone https://github.com/lancaster-university/microbit-v2-samples.git

ลองดูไดเรกทอรีและไฟล์ภายใต้ microbit-v2-samples โดยทำคำสั่ง tree (ทำคำสั่งใน Ubuntu Terminal)

$ tree -L 2 ./microbit-v2-samples/
microbit-v2-samples/
├── AUTHORS
├── build.py
├── CMakeLists.txt
├── codal.ble.json
├── codal.json
├── Dockerfile
├── LICENSE
├── module.json
├── README.md
├── source
│   ├── main.cpp
│   └── samples
└── utils
    ├── cmake
    ├── debug
    ├── esptool.py
    ├── generate_libraries.py
    ├── __init__.py
    ├── merge_hex.py
    ├── python
    ├── targets.json
    └── uf2conv.py

6 directories, 16 files

จากข้อความเอาต์พุตเมื่อได้ทำคำสั่ง tree จะเห็นได้ว่า มีไฟล์ source\main.cpp ดังนั้นถ้าจะลองเขียนหรือแก้ไขโค้ดตัวอย่าง ก็ให้ใช้ไฟล์ดังกล่าว และถ้าลองดูในไดเรกทอรี source/samples/ จะพบว่ามีไฟล์ .cpp ที่เป็นโค้ดตัวอย่างอีกหลายไฟล์ สำหรับทดสอบหรือสาธิจการทำงานของฮาร์ดแวร์ต่าง ๆ ของบอร์ดไมโครบิต

ทำคำสั่งเพื่อดาวน์โหลดไฟล์ซอร์สโค้ดที่เกี่ยวข้อง และคอมไพล์โค้ดในโปรเจกต์ตัวอย่างตามลำดับ

$ cd microbit-v2-samples/
$ python build.py

เมื่อทำคำสั่ง จะมีการดาวน์โหลดไฟล์หรือไลบรารีที่เป็น Dependencies จาก Github repos เช่น

เมื่อคอมไพล์ได้สำเร็จแล้ว จะได้ไฟล์ที่มีชื่อว่า MICROBIT.hex ซึ่งสามารถนำไปใส่ลงใน USB Drive ของบอร์ดไมโครบิตได้

รูป: ตัวอย่างการทำคำสั่งในขั้นตอน Build สำหรับผู้ใช้ Windows

▷ การใช้งาน VS Code IDE เพื่อเขียนโค้ดและดีบัก#

ถ้าจะเขียนโค้ดโดยใช้ VS Code IDE ให้ติดตั้งโปรแกรม VS Code IDE และ VS Code Extensions ต่อไปนี้ก่อนทำขั้นตอนถัดไป

ลองเปิดไฟล์ source\main.cpp แล้วแก้ไขตามโค้ดตัวอย่างนี้ ทำขั้นตอน Build และนำไฟล์ MICROBIT.hex ไปทดลองกับบอร์ดไมโครบิต

โค้ดตัวอย่างนี้ จะแสดงผลบนแผง LED Matrix ขนาด 5x5 ให้เป็นรูปสัญลักษณ์ Smile Face (หน้ายิ้ม) และตามด้วยข้อความ "Hello World" ที่จะมีการเลื่อนข้อความไปทางซ้าย

#include "MicroBit.h"

MicroBit uBit; // Create an instance of the uBit class

const char * const SMILE_FACE_STRING ="\
    000,255,000,255,000\n\
    000,000,000,000,000\n\
    255,000,000,000,255\n\
    000,255,255,255,000\n\
    000,000,000,000,000\n";

int main() {
    // Create a Microbit image from a string
    MicroBitImage smile(SMILE_FACE_STRING);
    // Initialize the Microbit CODAL runtime
    uBit.init();
    while(1) {
        // Show a smile-face image
        uBit.display.print(smile);
        // Delay for 1000 msec
        uBit.sleep(1000);
        // Clear the 5x5 LED-matrix screen
        uBit.display.clear();
        // Show a message and schroll it on the screen
        uBit.display.scroll("Hello World!");
    }
}

เปิดไดเรอรี (Folder) ใน VS Code IDE (ทดลองใช้เวอร์ชัน Windows)

รูป: ตัวอย่างการใช้งาน VS Code IDE เพื่อเขียนโค้ดและคอมไพล์โค้ด

ในกรณีที่ต้องการตั้งค่าสำหรับ IntelliSense Configurations ใน VS Code IDE ให้กด Ctrl+Shift+P เลือก C/C++: Edit Configuration (UI) และตั้งค่า เช่น การเลือกใช้คอมไพเลอร์ (Compiler Path Setting) เลือกมาตรฐานที่ใช้ในการคอมไพล์โค้ด เช่น "c17" และ "gnu++14" สำหรับ C / C++ ตามลำดับ แล้วบันทึกการตั้งค่าลงในไฟล์ .vscode\c_cpp_properties.json ภายในไดเรกทอรีของโปรเจกต์

รูป: การตั้งค่าสำหรับ IntelliSense Configurations (c_cpp_properties.json)

เมื่อเข้าสู่โหมดดีบัก ผู้ใช้สามารถเลือกและกำหนดตำแหน่งในโค้ด main.cpp เพื่อใช้เป็นตำแหน่งหยุดชั่วคราว หรือ Breakpoints และสามารถสั่งให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานจนมาหยุดที่ตำแหน่งดังกล่าวได้ หรือจะสั่งไปทำไปทีละคำสั่งในโค้ดได้ เป็นต้น

รูป: ตัวอย่างการกำหนดตำแหน่ง Breakpoints และทำขั้นตอนดีบัก โดยใช้งานร่วมกับโปรแกรม OpenOCD

ถ้าลองรันโค้ดมาถึงประโยคคำสั่ง uBit.sleep(1000); ซึ่งเป็นการเรียกใช้ฟังก์ชัน sleep() ของ uBit แล้วลองให้ดูการทำคำสั่งข้างในฟังก์ชันดังกล่าว ก็จะเห็นได้ว่า มีการเรียกคำสั่ง fiber_sleep() ตามรูปตัวอย่างดังนี้

รูป: การดีบักโค้ดที่แสดงให้เห็นการเรียกใช้ฟังก์ชันของ CODAL

 

▷ CODAL-Microbit V2 API#

โดยทั่วไปการเขียนโค้ด C/C++ โดยใช้ CODAL v2 สำหรับบอร์ดไมโครบิต จะเกี่ยวข้องกับการใช้งานคลาส (Class) ที่มีชื่อว่า MicroBit และสร้างเป็นอ็อบเจกต์ (Object) จากคลาสดังกล่าว เช่น ใช้ชื่อว่า uBit และมีสมาชิกของอ็อบเจกต์ดังต่อไปนี้ เพื่อใช้งานวงจรหรือส่วนที่เป็นองค์ประกอบทางฮาร์ดแวร์ชนิดต่าง ๆ ของบอร์ดไมโครบิต

Members Description
uBit.display 5x5 LED Matrix Display
uBit.io GPIO Pins
uBit.buttonA Onboard Button A
uBit.buttonB Onboard Button B
uBit.buttonAB Onboard Buttons A & B
uBit.serial Serial Tx/Rx Pins
uBit.thermometer Temperature Sensors
uBit.accelerometer I2C Accelerometer
uBit.compass I2C Digital Compass
uBit.messageBus Micro:bit Message Bus
uBit.audio Audio (Microphone / Speaker)
uBit.power Power Management / Deep Sleep Modes
uBit.flash USB Flash File System
uBit.storage Storage
uBit.radio 2.4GHz Radio Communication
uBit.ble Bluetooth LE

 

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอตัวเลือกในการเขียนโปรแกรมภาษา C/C++ เพื่อนำมาใช้กับบอร์ดไมโครบิตเวอร์ชัน 2 โดยได้เลือกและทดลองใช้ CODAL v2 ในเบื้องต้น นอกจากนั้นแล้ว ยังได้สาธิตการติดตั้งซอฟต์แวร์และการใช้งาน VS Code IDE เพื่อการเขียนโค้ดและดีบัก หรือรันโค้ดโดยใช้บอร์ดไมโครบิต ผู้ใช้สามารถดูการทำคำสั่งหรือฟังก์ชันต่าง ๆ ได้ทีละขั้นตอน

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2023-03-05 | Last Updated: 2023-03-07