使用 ESP8266 做為 FreeRTOS 的學習與開發環境

前言

ESP8266 是 Espressif（樂鑫信息科技有限公司） 所開發的一款 WiFi 模組，ESP8266 WiFi Module 受到開發者與自造社群的喜愛。目前可見的 ESP8266 開發模式有：

1. Microcontrollers 搭配 ESP8266 WiFi Module，使用 microcontrollers 來控制 ESP8266，例如：Arduino + ESP8266

2. 使用官方的 ESP8266-RTOS-SDK，使用 FreeRTOS 來開發 ESP8266 的應用程式，ESP8266 WiFi Module 可以做為主動方（即不需要 microcontroller 即可單獨執行）

3. 使用 NodeMCU 的 ESP8266 firmware，使用 Lua script 的方式來開發 ESP8266 應用程式；ESP8266 WiFi Module 可以做為主動方（即不需要 microcontroller 即可單獨執行）

如果要把 ESP8266 做為 FreeRTOS 的學習平台，倒底要選擇那一個 SDK 呢？

開始學習 FreeRTOS

要將 ESP8266 做為 FreeRTOS 的學習平台，如果要練習修改或閱讀 FreeRTOS kernel 程式碼，就要使用開源的 FreeRTOS 版本。以下是使用 ESP8266 做為 FreeRTOS 學習或實驗平台的要點：

• 要使用 Open Source 的 FreeRTOS 原始碼
• 要有 ESP8266 的 Portable Layer 實作，例如 pvPortMalloc()

由 SuperHouse 社群所維護的 ESP8266 SDK 正好能滿足上述要點。此外，使用 FreeRTOS 在 ESP8266 平台上，打造 IoT 應用程式時，則是要滿足以下基本條件：

• 使用 lwip 做為 TCP/IP Stacks
• 具備 CoAP 的支援
• 硬體控制部份，最好有一個 Component-based 的程式設計模式

為了方便起見，WoT.City 發起 rtos-wot 計畫，將上述開源計畫整合成一個 FreeRTOS distribution，目標是維護一個用於學習 FreeRTOS + IoT 的 FreeRTOS 特別版本（distribution）。

安裝 FreeRTOS 開發環境

以下是開發環境的架設教學，教學內容以 Mac 環境為主。

安裝 ESP Open SDK

在 MacOS 系統建置 ESP8266 的編譯環境。首先，確認是否已安裝 Xcode command line tools：

$ xcode-select --install

再使用 homebrew 安裝所需的套件：

$ brew tap homebrew/dupes
$ brew install binutils coreutils autoconf automake wget gawk libtool gperf gnu-sed --with-default-names grep bison libvorbis
$ export PATH=/usr/local/opt/gnu-sed/libexec/gnubin:/usr/local/opt/gperf/bin:$PATH

製作一個 "case-sensitive"（可區分大小寫檔名）的虛擬磁碟，大小是 8GB：

$ hdiutil create ./eos.dmg -volname "esp-open-sdk" -size 8g -fs "Case-sensitive HFS+"

將 ESP8266 Open SDK 下載至此虛擬磁碟：

$ hdiutil mount ./eos.dmg
$ cd /Volumes/esp-open-sdk
$ git clone --recursive https://github.com/pfalcon/esp-open-sdk.git
$ cd eos-open-sdk

編譯 "separated SDK"：

$ make STANDALONE=n

編譯完成後的畫面：

Xtensa toolchain is built, to use it:

export PATH=/Volumes/esp-open-sdk/esp-open-sdk/xtensa-lx106-elf/bin:$PATH

Espressif ESP8266 SDK is installed. Toolchain contains only Open Source components
To link external proprietary libraries add:

xtensa-lx106-elf-gcc -I/Volumes/esp-open-sdk/esp-open-sdk/sdk/include -L/Volumes/esp-open-sdk/esp-open-sdk/sdk/lib

根據畫面提示，修改 PATH 環境變數：

$ export PATH=/Volumes/esp-open-sdk/esp-open-sdk/xtensa-lx106-elf/bin:$PATH

完成 ESP8266 Toolchain 的安裝，接下來就可以開始編譯 rtos-wot 了。

編譯 FreeRTOS Application Firmware

安裝 pyserial 套件：

$ git clone https://github.com/pyserial/pyserial.git
$ cd pyserial/
$ sudo python setup.py install

下載 rtos-wot 原始碼：

$ git clone https://github.com/wot-sdk/rtos-wot

編輯 include/ssid_config.h 檔案，設定 WiFi 的 SSID 與密碼：

#define WIFI_SSID "<the-SSID>"
#define WIFI_PASS "<your-passworld>"

完成後，挑選一個 RTOS 應用程式，並進行 firmware 編譯：

$ cd examples/blink
$ make

編譯完成後，在目前的應用程式路徑下，得到以下二個檔案：

• firmware/0x00000.bin
• firmware/0x20000.bin

將以上二個檔案燒錄至 ESP8266 更新即可，指令如下：

$ make flash ESPPORT=/dev/cu.SLAB_USBtoUART 

使用 Linux 環境的讀者，請另行參考這篇文章的說明。

使用 esptool 更新 ESP8266 Firmware

如果要使用 esptool.py 工具，手動更新 firmware 檔案的話，指令如下：

$ esptool.py -p /dev/cu.SLAB_USBtoUART --baud 115200 write_flash -fs 32m -fm dio -ff 40m 0x20000 ./firmware/0x20000.bin 0x00000 ./firmware/0x00000.bin

在 Mac 下使用 esptool.py 更新 NodeMCU firmware 時，需額外加上 -fm 與 -fs 二個參數。

關於 RTOS WoT 計畫

本文使用的 RTOS WoT 版本，是專為 ESP8266 製作的 FreeRTOS 學習、教學與實驗平台。RTOS WoT 的目標是打造一個 Web of Things 的 RTOS SDK。

RTOS WoT 也在 RTOS Application Layer 做了一些加強，請參考以下文章：

• RTOS WoT (v0.1.0) 使用 FreeRTOS、 lwIP 與 C++ 元件重用

Reference

• http://www.allaboutcircuits.com/projects/guts-of-the-iot-part-1-building-nodemcu-from-source-for-the-esp8266/

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