[工具] 在 Arduino IDE 環境下，也能編譯其他廠商的開發板

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        Arduino 開發板發行多年了，也是 DIY maker 很喜歡拿來開發的板子之一，主要是板子的周邊介面讓入門者簡易明白，加上 IDE (Integrated Develop Environment) 這套工具介面簡潔且非常容易上手，這些優點讓 DIY maker 能夠很快驗證某些電路或功能和應用。另外，在教育方面，由於免費的開發工具以及初學者能負擔的板子價格，所以在理工科系也會拿 Arduino 做為課程，設計各類嵌入式系統的應用。不過，本文並不打算介紹 Arduino 開發板如何使用，而是介紹 Arduino IDE 這套工具如何編譯 ⌈非⌋ Arduino 板子，借用 IDE 來開發第三方的板子。

        隨著 Arduino 這個生態系統發展多年後，使用者越來越多，在 DIY maker 的討論越來越火熱的情況下，吸引來自 ⌈非⌋ Arduino 生態的廠商也希望用 IDE 工具來編譯自家的板子。既然 IDE 是編譯工具，能直接編譯其他 ⌈非⌋ Arduino 廠商的晶片嗎？答案當然是不行了，因為每家晶片的核心不見得相同 (Arduino 是 Atmel AVR 核心)，不能用同一套 compiler tool-chain 工具，有興趣可以參考前面的 "漫談 ARM cross compiler 環境" 一文。因此，在 IDE 裡面提供一個欄位，讓使用者輸入網址，並自動下載第三方開發板的開發工具 (tool-chain)，該工具會自動整合到 IDE 裡面，使用者也可以非常便利地在 Arduino IDE 開發第三方的程式。下圖一所示為支援樂鑫 ESP32 的網址，以及瑞昱阿米巴 Ameba 開發板的網址。


圖一：額外開發板的下載網址


        IDE 自動下載並安裝後，我們在下圖的目錄中能找到第三方廠商的工具包，明顯看出工具包都包含了 hardware 和 tools 資料夾。其中，tools 裡面就是編譯的工具程式 (包括 compile 和 link...)，還有燒錄韌體到板子的程式。以 EPS32 為例，這晶片的核心是 Xtensa 處理器，原廠用開源的 gcc 製作了一套屬於這顆處理器的編譯工具，在目錄底下就找到 "xtensa-esp32-elf-c++.exe" .... 等編譯或 link 的執行檔，能在 Windows 環境下編譯 source code 成為 ESP32 處理器能運行的韌體。燒錄工具為 esptool.py，工具包裡也有提供。

        同樣在 realtek 目錄下，也能找到編譯工具程式，瑞昱的阿米巴系列開發板上面的核心晶片採用 ARM Cortex，所以瑞昱公司用開源的 gcc 製作了能編譯 ARM 晶片的工具，我們也能在目錄下找到如 "arm-none-eabi-c++.exe"....等在 Windows 環境下的執行檔，工具包也提供了燒錄上傳韌體的工具。上述的這些執行檔已經被整合到 Arduino IDE 裡了，因此 IDE 根據使用者設定的板子來執行適當的編譯工具，經過 compile、link 後，並燒錄上傳 firmware image 到開發板子上。

        在工具包的 hardware 目錄，主要是開發板的驅動程式和廠商提供的範例程式，我們在 IDE 畫面上看到的範例都是來自這個目錄裡面。有些廠商也會把 SDK source code 放到這個目錄底下，所以我們想要找尋 *.ino 函數或宣告的源頭，倒是可以從這目錄開始找起。

圖二：額外開發板的編譯工具目錄


        如果對於其他 IDE 還有興趣的話，可以安裝 Visual Studio Code (VS Code)，在這套 IDE 環境中，安裝 PlatformIO 插件，這個插件支援很多板子，如：Arduino、STM 系列板子、ESP32...等，因此會下載第三方廠商的編譯和燒錄工具，像圖三所示為 ARM 的工具和 ESP32 的工具包。編譯工具能在 Windows 環境下執行，如果是 Linux 作業系統，插件就會下載 Linux 環境的編譯工具，這能滿足各類使用者。最後，IDE 的選擇還是以自己熟悉方便為主。

圖三：PlatformIO 插件的編譯工具


        每次在 Arduino IDE 的程式中，總會記得最重要的兩個起始函數：setup( ) 和 loop( )，為何每次開啟程式要先呼叫這兩個呢？首先，我們打開第三方廠商的 hardware 目錄下，應該能搜尋到 main.cpp 檔案，檢查這個路徑看看吧。

            \esp32\hardware\esp32\1.0.6\cores\esp32
            \realtek\hardware\AmebaD\3.1.0\cores\arduino

看完後，清楚明白它是一個 FreeRTOS 作業系統，然後創建一個 main task，先呼叫 setup 函數當作初始化，然後進入一個迴圈後，再呼叫 loop 函數。挖掘這些底層的程式碼後，我們就能更清楚整個系統運行的架構了。
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