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[开发工具]

使用CMake构建APM32工程

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susutata|  楼主 | 2024-1-29 14:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 susutata 于 2024-1-29 14:38 编辑

#申请原创# @21小跑堂

使用CMake构建APM32工程


# 01 前言
一般嵌入式开发都是用集成 IDE 工具,IDE 的好处是集成了编辑器、编译器、调试器等工具,可以一站式开发。但是 IDE 也有很多缺点,比如不跨平台、不开源等。如果想要摆脱 IDE 的束缚,就需要手动编写编译规则,比如 Makefile 构建工程,但是 Makefile 语法比较复杂,很多时候手动编写 Makefile 比较繁琐,工作量也比较大。

CMake 是一个比较流行的跨平台构建工具,它可以自动生成 Makefile,本篇文章主要介绍怎么用 CMake 和 MinGW-w64 构建 APM32 工程,编译器使用 gcc-arm-none-eabi,调试器使用 DAPLink。

# 02 环境搭建
## 软件环境准备
- Windows 10/11
- CMake 3.28.0-rc5
- MinGW-w64 8.1.0
- gcc-arm-none-eabi 10.3.1

## 搭建 MinGW-w64 环境
### 安装 CMake
[CMake](https://cmake.org/download/) 是一个开源的跨平台构建工具,可以用简单的语句来描述所有平台的安装(编译过程)。它能够输出各种各样的 makefile 或者 project 文件。到官网找到二进制版本的 CMake,本篇文章使用的是 `cmake-3.28.0-rc5-windows-x86_64.zip`。
Pasted image 20240126175823.png

下载压缩包并解压到自己喜欢的位置,这里解压到 `E:\ToolChain\`。
Pasted image 20240126183818.png

### 配置环境变量
将 `E:\ToolChain\cmake-3.28.0-rc5-windows-x86_64\bin` 添加到环境变量 `Path` 中。
Pasted image 20240126184045.png

### 验证 CMake 是否安装成功
打开 CMD,输入 `cmake -version`,如果出现如下信息,则说明 CMake 安装成功。
Pasted image 20240126184501.png

### 安装 MinGW-w64
[MinGW-W64](https://sourceforge.net/projects/mingw-w64/files/mingw-w64/) 全称为 Minimalist GNU for Windows,是一个在 Windows 平台上编译 32 位和 64 位应用程序的工具集。
Pasted image 20240126092429.png

下载 `x86_64-win32-seh` 并 解压压缩包中的 mingw64 文件夹到自己喜欢的位置,这里解压到 `E:\ToolChain\`。
Pasted image 20240126101116.png

### 配置环境变量
将 `E:\ToolChain\mingw64\bin` 添加到环境变量 `Path` 中。
Pasted image 20240126101324.png

### 验证 MinGW-w64 是否安装成功
打开 CMD,输入 `gcc -v`,如果出现如下信息,则说明 MinGW-w64 安装成功
Pasted image 20240126101407.png

## 搭建 gcc-arm-none-eabi 环境
### 安装 gcc-arm-none-eabi
[gcc-arm-none-eabi](https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads) 是 ARM 官方提供的一款免费的编译器,支持多种操作系统,包括 Windows、Linux 和 macOS。

Pasted image 20240126103336.png

从上面的链接下载压缩包后,同样解压到 `E:\ToolChain\`。
Pasted image 20240126103405.png

### 配置环境变量
将 `E:\ToolChain\gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10\bin` 添加到环境变量 `Path` 中。
Pasted image 20240126103845.png

### 验证 gcc-arm-none-eabi 是否安装成功
打开 CMD,输入 `arm-none-eabi-gcc -v`,如果出现如下信息,则说明 gcc-arm-none-eabi 安装成功。
Pasted image 20240126104353.png

# 03 构建工程
## 准备 APM32 工程
从 [APM32 DAL SDK](https://www.geehy.com/support/apm32?id=311) 下载 APM32_DAL_SDK_V1.0,这里使用 GPIO_Toggle 工程进行构建。

## 编写 CMakeLists.txt
在 `GPIO_Toggle` -> `Project` 目录下新建 `CMake` 目录并新增 `CMakeLists.txt` 文件,如下图所示。
Pasted image 20240126185600.png

CMake 的语法可以参考 [CMake Documentation and Community](https://cmake.org/documentation/),这里只介绍一些常用和关键的语法。

### 指定 CMake 最低版本和项目名称
`cmake_minimum_required` 用于指定构建此项目所需的 CMake 的最低版本,`project` 用于指定项目名称。
```cmake
cmake_minimum_required(VERSION 3.21) # 指定构建此项目所需的 CMake 的最低版本
project(GPIO_Toggle C CXX ASM) # 指定项目名称和编程语言
```

### 指定编译器
`set` 用于设置变量,`CMAKE_C_COMPILER` 用于指定 C 语言编译器,`CMAKE_CXX_COMPILER` 用于指定 C++ 语言编译器,`CMAKE_ASM_COMPILER` 用于指定汇编语言编译器。

`CMAKE_OBJCOPY` 用于指定生成二进制文件的工具,`CMAKE_OBJDUMP` 用于指定生成汇编文件的工具,`CMAKE_SIZE` 用于指定生成大小报告的工具。
```cmake
set(CMAKE_C_COMPILER "arm-none-eabi-gcc") # 指定 C 语言编译器
set(CMAKE_ASM_COMPILER "arm-none-eabi-gcc") # 指定汇编语言编译器
set(CMAKE_OBJCOPY arm-none-eabi-objcopy) # 指定生成二进制文件的工具
set(SIZE arm-none-eabi-size) # 指定生成大小报告的工具
```

### 配置设备 ID
`set` 用于设置变量,`DEVICE_ID` 用于指定设备 ID,`BSP_DEFINE` 用于指定 BSP 宏定义,`BSP_DIR_NAME` 用于指定 BSP 目录名称。
```cmake
# device settings
set(DEVICE_ID "APM32F407xx")
set(BSP_DEFINE BOARD_APM32F407_MINI)
set(BSP_DIR_NAME Board_APM32F407_Mini)

# select startup file
if ("${DEVICE_ID}" STREQUAL "APM32F405xx")
    set(STARTUP_FILE startup_apm32f405xx.S)
    set(LINKER_FILE apm32f405xg_flash.ld)
    set(DEVICE_DEFINE APM32F405xx)
elseif ("${DEVICE_ID}" STREQUAL "APM32F407xx")
    set(STARTUP_FILE startup_apm32f407xx.S)
    set(LINKER_FILE apm32f407xg_flash.ld)
    set(DEVICE_DEFINE APM32F407xx)
elseif ("${DEVICE_ID}" STREQUAL "APM32F417xx")
    set(STARTUP_FILE startup_apm32f417xx.S)
    set(LINKER_FILE apm32f417xg_flash.ld)
    set(DEVICE_DEFINE APM32F417xx)
else()
    message(FATAL_ERROR "Please select first the target APM32F4xx device")
endif ()
```

### 添加编译选项
`add_compile_options` 用于添加编译选项,`-mcpu=cortex-m4` 用于指定 CPU 架构,`-mthumb` 用于指定 Thumb 指令集,
`-mthumb-interwork` 用于指定 Thumb 指令集兼容 ARM 指令集。
```cmake
add_compile_options(-mcpu=cortex-m4 -mthumb -mthumb-interwork)
add_compile_options(-ffunction-sections -fdata-sections -fno-common -fmessage-length=0)
```

### 配置宏定义
`add_definitions` 用于添加宏定义,`-D${DEVICE_DEFINE}` 用于指定设备宏定义,`-D${BSP_DEFINE}` 用于指定 BSP 宏定义,`-DUSE_DAL_DRIVER` 用于指定使用 DAL 库。
```cmake
add_definitions(
        -DUSE_DAL_DRIVER
        -D${DEVICE_DEFINE}
        -D${BSP_DEFINE}
)
```

### 添加头文件和源文件路径
`include_directories` 用于添加头文件路径,`file(GLOB_RECURSE SOURCES)` 用于添加源文件路径。
```cmake
# add include file
include_directories(
        ../../Include
        ../../Config/Include
        ../../../../../../Libraries/CMSIS/Include
        ../../../../../../Libraries/Device/Geehy/APM32F4xx/Include
        ../../../../../../Libraries/APM32F4xx_DAL_Driver/Include
        ../../../../../../Boards/${BSP_DIR_NAME}/Include
)

# add source file
file(GLOB_RECURSE SOURCES
        "${STARTUP_FILE}"
        "../../Source/*.c"
        "../../Config/Source/*.c"
        "../../../../../../Libraries/APM32F4xx_DAL_Driver/Source/*.c"
        "../../../../../../Boards/${BSP_DIR_NAME}/Source/*.c"
        )
```

PS: GCC编译器可以输出静态库、动态库和可执行文件,理论上来说可以将所有的源文件都放在一起编译,但是这样做的话,每次编译都会编译所有的源文件,这样会导致编译时间过长,所以一般情况下,我们会将源文件分成多个库,然后再将这些库链接到一起,这样可以减少编译时间。这样就会用到 `add_library`。比如将LwIP库编译成静态库,然后将静态库链接到主程序中。比如将 LwIP 编译成静态库:
```cmake
add_library(lwip
        ../../../../../../Middlewares/lwip-2.1.2/src/api/api_lib.c
        ...
        )
```

### 添加链接脚本
`add_link_options` 用于添加链接脚本。
```cmake
set(LINKER_SCRIPT ${CMAKE_SOURCE_DIR}/${LINKER_FILE})
add_link_options(-T ${LINKER_SCRIPT})
```

### 添加链接选项
`-gc-sections`:这是一个链接器选项,用于在链接过程中删除未使用的代码和数据,有助于减小最终生成的二进制文件的大小。
`--print-memory-usage`:这是一个链接器选项,用于在链接过程结束后打印内存使用情况。
`-Map=${PROJECT_BINARY_DIR}/firmware.map`:这是一个链接器选项,用于生成一个map文件,该文件包含了链接过程的详细信息,如各个函数和变量在内存中的位置等。
```cmake
add_link_options(-Wl,-gc-sections,--print-memory-usage,-Map=${PROJECT_BINARY_DIR}/firmware.map)
add_link_options(-mcpu=cortex-m4 -mthumb -mthumb-interwork)
```

### 添加可执行文件
`add_executable` 用于添加可执行文件,`${SOURCES}` 用于指定源文件,`${LINKER_SCRIPT}` 用于指定链接脚本。
```cmake
add_executable(firmware.elf ${SOURCES} ${LINKER_SCRIPT})
```

### 添加生成二进制文件和汇编文件的命令
`add_custom_command` 用于添加自定义命令,`TARGET firmware.elf POST_BUILD` 用于指定在生成可执行文件后执行命令,`COMMAND ${CMAKE_OBJCOPY} -Oihex $<TARGET_FILE:firmware.elf> ${HEX_FILE}` 用于生成 HEX 文件,`COMMAND ${CMAKE_OBJCOPY} -Obinary $<TARGET_FILE:firmware.elf> ${BIN_FILE}` 用于生成 BIN 文件。
```cmake
set(HEX_FILE ${PROJECT_BINARY_DIR}/firmware.hex)
set(BIN_FILE ${PROJECT_BINARY_DIR}/firmware.bin)

add_custom_command(TARGET firmware.elf POST_BUILD
        COMMAND ${CMAKE_OBJCOPY} -Oihex [        DISCUZ_CODE_420        ]lt;TARGET_FILE:firmware.elf> ${HEX_FILE}
        COMMAND ${CMAKE_OBJCOPY} -Obinary [        DISCUZ_CODE_420        ]lt;TARGET_FILE:firmware.elf> ${BIN_FILE}
        COMMENT "Building ${HEX_FILE}
Building ${BIN_FILE}")
```

## 编译工程
### 生成 Makefile
用下面的命令生成 Makefile。
```bash
$ cd .\Project\CMake
$ mkdir cmake-build
$ cmake -G "MinGW Makefiles" -B cmake-build
```

创建 `cmake-build` 目录用于存放生成的 Makefile。
Pasted image 20240126194141.png

生成 Makefile。
Pasted image 20240126194349.png

PS: `cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -B cmake-build` 可用于指定编译类型为 Debug。

### 生成可执行文件
用下面的命令编译工程。

```bash
$ cd .\Project\CMake\cmake-build
$ make (or mingw32-make)
```


编译完成后,会在 `cmake-build` 目录下生成 `firmware.elf`、`firmware.hex` 和 `firmware.bin` 文件。
Pasted image 20240126194910.png

PS: `make clean` 用于清除编译生成的文件。
PS:`make -j` 用于指定使用多线程编译。`-j`后面还可以跟一个数字来指定线程数。例如,`make -j4`会使用4个线程进行编译。

到此就完成了用 CMake 构建 APM32 工程并输出可执行文件, 接着就可以用 OpenOCD 或 PyOCD 配合 DAPLink 进行下载、调试了。

# 参考资料
[CMake Documentation and Community](https://cmake.org/documentation/)

APM32F4xx_DAL_SDK_V1.0(CMake).zip (9.18 MB)

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21小跑堂 打赏了 100.00 元 2024-01-30
理由:恭喜通过原创审核!期待您更多的原创作品~

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21小跑堂 2024-1-30 17:08 回复TA
非常详细清晰的构建过程,一步步使用CMake构建APM32工程,整合的结构十分紧凑合理,版面爽洁,可阅读性较好。(原创文章满3篇后可申请蓝v达人https://bbs.21ic.com/icview-3279072-1-1.html,后续可获取更高的奖励) 
kai迪皮| | 2024-1-31 18:16 | 显示全部楼层
学习了

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