内容介绍

任务介绍

本项目实现了Funpack第4-2期活动SAME51J20A Curiosity Nano板卡的自命题任务，基于SAME51开发板实现了对RT-Thread操作系统的移植，并在此软硬件基础上控制OLED屏幕，实现了一个简易游戏机，支持通过扩展板按键进行游戏操作，同时与OLED屏幕联动显示游戏画面和状态信息。

硬件平台

本次使用Microchip推出的SAME51J20A Curiosity Nano开发板，是一款面向嵌入式开发的高性能评估平台。该开发板搭载了基于ARM Cortex-M4内核的SAME51系列MCU，具备丰富的外设资源，包括多个I2C接口、SPI接口、ADC/DAC模块等，非常适合用于实时嵌入式系统的开发。开发板集成了调试器接口、USB接口、用户可编程LED与按键，便于快速搭建原型系统。

在软件方面，本项目采用RT-Thread实时操作系统作为底层运行环境。RT-Thread以其轻量级、高可扩展性和良好的跨平台支持而著称，适用于资源受限的嵌入式设备。通过将RT-Thread移植至SAME51平台，实现了多线程调度、设备驱动管理以及图形界面显示等功能。

主控设备：Microchip SAME51J20A Curiosity Nano开发板

搭载SAME51 MCU（ARM Cortex-M4F）
集成USB-C接口与调试器
板载2个用户可编程LED指示灯
支持多线程实时操作系统（RT-Thread）

传感执行器扩展板

128x64 SSD1306 OLED显示屏
按键

任务分析与实现

本系统实现了基于RT-Thread实时操作系统的嵌入式游戏平台，主要功能包括：

三通道数据交互：

游戏输入采集
- 方向按键扫描频率：10Hz
- 支持四向移动输入
OLED显示控制
- 显示刷新率：15Hz
- 图形化界面渲染
RTOS任务调度
- 多线程架构保障响应实时性
- 系统资源动态管理

方案框图：

RT-Thread 的移植过程

本项目基于 Microchip SAME51J20A Curiosity Nano 开发板完成了 RT-Thread 操作系统的成功移植，并在此基础上实现了对 OLED 屏幕的控制与简易游戏机功能。以下详细描述了 RT-Thread 移植的关键流程和核心要点。

一、移植前的准备

1. 硬件环境

主控芯片：Microchip SAME51J20A（ARM Cortex-M4F 内核）
开发板：SAME51J20A Curiosity Nano
外设资源：
- I2C 接口用于驱动 SSD1306 OLED 显示屏
- GPIO 控制方向按键输入
- USART 串口调试输出

2. 软件环境

RT-Thread 版本：RT-Thread Master 分支（实时更新版）
编译工具链：GCC ARM Embedded (arm-none-eabi-gcc)
构建工具：env 命令行工具 + RT-Thread Studio
底层支持库：Atmel START 提供 HAL 支持

二、移植的核心步骤

1. BSP（Board Support Package）创建

BSP 是 RT-Thread 针对特定硬件平台的支持包，主要包括启动代码、CPU 初始化、中断向量表、时钟配置以及设备驱动适配。

a. 启动文件配置 (`startup_same51.c`)

定义中断向量表（包括异常处理和外设中断）
设置堆栈指针、初始化 .data 和 .bss 段
调用 rtthread_startup() 进入 RT-Thread 内核

void Reset_Handler(void)
{
        uint32_t *pSrc, *pDest;

        /* Initialize the relocate segment */
        pSrc  = &_etext;
        pDest = &_srelocate;

        if (pSrc != pDest) {
                for (; pDest < &_erelocate;) {
                        *pDest++ = *pSrc++;
                }
        }

        /* Clear the zero segment */
        for (pDest = &_szero; pDest < &_ezero;) {
                *pDest++ = 0;
        }

        /* Set the vector table base address */
        pSrc      = (uint32_t *)&_sfixed;
        SCB->VTOR = ((uint32_t)pSrc & SCB_VTOR_TBLOFF_Msk);


#if __FPU_USED
        /* Enable FPU */
        SCB->CPACR |= (0xFu << 20);
        __DSB();
        __ISB();
#endif

        /* Initialize the C library */
        __libc_init_array();

        /* Branch to rtthread_startup function */
        rtthread_startup();

        /* Infinite loop */
        while (1)
                ;
}

b. 内核入口函数 (`rtthread_startup`)

初始化内核对象（线程、信号量、定时器等）
创建空闲线程
启动调度器并进入 main 函数

int rtthread_startup(void)
{
    rt_hw_board_init();
    rt_system_kernel_init();
    rt_application_init();
    rt_thread_idle_init();
    rt_schedule();
    return 0;
}

2. 板级初始化 (`board.c`)

完成 CPU、内存、时钟、串口等基础资源配置：

void SystemInit(void) {
    // Keep the default device state after reset
    SystemCoreClock = __SYSTEM_CLOCK;
    return;
}

void rt_hw_board_init(void)
{
    /* Initializes MCU, drivers and middleware */
    atmel_start_init();

    /* enable USART stdout module */
    hw_board_init_usart();

    /* UART driver initialization is open by default */
#ifdef RT_USING_SERIAL
    rt_hw_uart_init();
#endif

    /* init systick */
    SysTick_Config(CONF_CPU_FREQUENCY / RT_TICK_PER_SECOND);

    /* set pend exception priority */
    NVIC_SetPriority(PendSV_IRQn, (1 << __NVIC_PRIO_BITS) - 1);

#ifdef RT_USING_HEAP
    #if defined(__ARMCC_VERSION)
        rt_system_heap_init((void*)&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit, (void*)HEAP_END);
    #elif __ICCARM__
        rt_system_heap_init((void*)HEAP_BEGIN, (void*)HEAP_END);
    #else
        /* init memory system */
        rt_system_heap_init((void*)&__bss_end, (void*)HEAP_END);
    #endif
#endif

    /* Set the shell console output device */
#if defined(RT_USING_CONSOLE) && defined(RT_USING_DEVICE)
    rt_console_set_device(RT_CONSOLE_DEVICE_NAME);
#endif


#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
    rt_components_board_init();
#endif
}

3. 设备驱动适配

a. 串口驱动 (`serial.c`)

使用 USART 异步接口实现标准输入输出
注册中断回调以支持接收数据通知机制

static int serial_putc(struct rt_serial_device *serial, char c)
{
    struct usart_async_descriptor* desc = ...;
    while (!usart_async_is_tx_empty(desc));
    _usart_async_write_byte(&TARGET_IO.device, (uint8_t)c);
    return 1;
}

b. I2C 总线驱动 (`sam_i2c.c`)

封装 struct rt_i2c_bus_device_ops 操作集
实现 master_xfer 函数用于主模式下的读写操作
注册 I2C 总线设备并初始化硬件参数

const struct rt_i2c_bus_device_ops sam_i2c_ops = {
    .master_xfer     = sam_i2c_master_xfer,
    .slave_xfer      = sam_i2c_slave_xfer,
    .i2c_bus_control = sam_i2c_bus_control,
};

int rt_hw_i2c_init(void)
{
    sam_i2c0.parent.ops = &sam_i2c_ops;
    rt_i2c_bus_device_register(&sam_i2c0.parent, "i2c0");
    i2c_m_sync_enable(sam_i2c0.i2c_desc);
    return 0;
}

4. 外设驱动注册与自动初始化

使用 RT-Thread 提供的组件自动初始化机制，确保各模块按顺序初始化：

#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_i2c_init); // 自动调用注册函数
#endif

代码详解

整体软件流程图：

一、硬件初始化与传感器配置

系统上电后首先完成外设初始化序列，关键流程如下：

配置GPIO引脚为输入/输出模式，确保按键与LED正常工作
初始化I2C接口，设置标准速率（100kHz），用于驱动OLED显示屏
启动RTOS内核并创建基础任务

void hardware_init(void)
{
    /* 初始化LED GPIO */
    gpio_set_pin_direction(LED0_PIN, GPIO_DIRECTION_OUT);
    gpio_set_pin_level(LED0_PIN, true); // 初始点亮LED表示系统运行

    /* 初始化方向按键 */
    gpio_set_pin_direction(JOY_UP_PIN, GPIO_DIRECTION_IN);
    gpio_set_pin_pull_mode(JOY_UP_PIN, GPIO_PULL_UP);

    /* 初始化I2C接口 */
    i2c_m_sync_enable(&I2C_0);
    i2c_m_sync_set_baudrate(&I2C_0, 0, 100000UL); // 设置I2C速率为100kHz

    /* 初始化OLED显示屏 */
    oled_init(&I2C_0);
}

二、游戏任务调度

#define THREAD_PRIORITY         25
#define THREAD_STACK_SIZE       1024
#define THREAD_TIMESLICE        5

static rt_thread_t tid1 = RT_NULL;

static void u8g2_game_space_trash_entry(void *parameter)
{
  u8g2.begin();
  u8g2.setFont(u8g2_font_6x10_tr);
  u8g2.setFontDirection(0);
  u8g2.setFontRefHeightAll();

  st_Setup(u8g2.getU8g2());
  for(;;)
  {
    st_Step(y, /* is_auto_fire */ 1, /* is_fire */ rt_pin_read(pin_fire));
    u8g2.firstPage();
    do
    {
      st_Draw(0);
    } while( u8g2.nextPage() );

    if ( rt_pin_read(pin_down) ) {
      y++;
    }

    if ( rt_pin_read(pin_up) ) {
      y--;
    }
  }
}

static void u8g2_game_space_trash(int argc,char *argv[])
{
  tid1 = rt_thread_create("tu8g22",
                          u8g2_game_space_trash_entry, RT_NULL,
                          THREAD_STACK_SIZE,
                          THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);

  /* 如果获得线程控制块，启动这个线程 */
  if (tid1 != RT_NULL)
    rt_thread_startup(tid1);
}
MSH_CMD_EXPORT(u8g2_game_space_trash, u8g2 game space trash sample);

效果展示

遇到的难题与解决办法

问题：新平台支持RT-Thread，遇到系统启动异常的

解法

整个移植过程中，需重点关注：

中断向量表与异常处理机制
系统时钟、滴答定时器的准确配置
核心驱动（如串口、I2C）的适配过程中，注意外设时钟开启与配置。

活动感想

通过本项目实践，深入掌握了RT-Thread操作系统在嵌入式平台上的移植方法、，深入掌握了 RT-Thread 在 Cortex-M4 架构上的启动流程、中断管理机制及设备驱动编写规范。Microchip SAME51J20A 开发板良好的硬件兼容性与 Atmel START 工具链的强大支持极大提升了开发效率。整个移植过程中，需重点关注：

中断向量表与异常处理机制
系统滴答定时器的准确配置
核心驱动（如串口、I2C）的适配与优化

I2C总线通信机制以及图形界面渲染技巧。SAME51J20A开发板出色的性能表现和Microchip官方完善的SDK文档极大提升了开发效率。整个项目过程中，体会到嵌入式系统需要硬件、固件、应用层的紧密配合，每一个细节的优化都能显著提升整体体验。

感谢硬禾学堂和得捷电子联合举办的Funpack活动，祝硬禾的活动越办越好！