開源Marlin2.x源代碼架構(gòu)學(xué)習(xí)筆記

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最近兩個(gè)月MBA美帝在職研的課程即將結(jié)束，經(jīng)過個(gè)人的努力，目前兩門課：全球商務(wù)、定量決策均分績(jī)點(diǎn)如下，基本上逼近滿分(凡爾賽了，哈哈哈)，光鮮亮麗的背后，帶領(lǐng)小組始終沖在了班級(jí)的最前面，同時(shí)也付出了不少精力和汗水，通宵了不知道多少個(gè)夜晚，交完學(xué)期項(xiàng)目以后就結(jié)課啦，開始進(jìn)入下一門課的學(xué)習(xí)！所以開始有時(shí)間可以折騰新東西啦：(不少同學(xué)應(yīng)該知道我開了個(gè)知識(shí)星球，專門分享這些內(nèi)容，這里就不好放出來啦，有興趣和我說即可)

Marlin相當(dāng)龐大，自2.x版本開始，陸陸續(xù)續(xù)開始集成了32位機(jī)，主流的STM32、LPC等高性能MCU逐漸取代了以Arduino2560等8位機(jī)的3D打印機(jī)方案。Marlin，龐大到讓每個(gè)初學(xué)者開始學(xué)習(xí)看代碼都會(huì)覺得聞風(fēng)喪膽，當(dāng)然我剛開始接觸的時(shí)候也不例外，但是不管是學(xué)什么東西，只要把大方向掌握了，那么細(xì)節(jié)的東西用到了再慢慢研究也不遲，同時(shí)，Marlin的文檔非常少，對(duì)于初學(xué)者來說，是非常不友好的！以下這些介紹也是Marlin剛開放不久的說明文檔，筆者英語水平有限，如有翻譯失誤，盡情糾正與諒解！

1、Marlin代碼工程架構(gòu)

以下是原版的Marlin固件解壓下來的顯示情況：

當(dāng)使用 PlatformIO 構(gòu)建Marlin時(shí)，它會(huì)在.pio此處創(chuàng)建一個(gè)文件夾，并且在shell中使用git的時(shí)候，這 是當(dāng)前的工作目錄，如下圖所示：

1.2、 buildroot 文件夾

該目錄包含開發(fā)人員的幫助腳本、字體工具、CI測(cè)試工具、Marlin圖標(biāo)和其它數(shù)據(jù)

1.3、 buildroot/share/PlatformIO 文件夾

電路板定義、環(huán)境變量、鏈接腳本和構(gòu)建腳本會(huì)存放在這個(gè)地方，這個(gè)文件夾內(nèi)的構(gòu)建環(huán)境會(huì)經(jīng)常引用 ini文件夾

1.4、 ini 文件夾

包含按 MCU 類型組織的所有 PlatformIO 環(huán)境設(shè)置， platformio.ini 文件將這些引入為 PlatformIO 提供構(gòu)建/上傳/調(diào)試設(shè)置，有一個(gè)文件特別有用：即是Marlin自定義構(gòu)建腳本 features.ini 在構(gòu)建開 始時(shí)用于根據(jù)啟用的功能過濾源文件，因此構(gòu)建能夠完成得更快。

1.5、 Marlin 文件夾

構(gòu)建Marlin時(shí)，配置文件就放在這個(gè)位置：

1.6、 Marlin/src 文件夾

包含Marlin應(yīng)用程序，Marlin基于 Arduino 框架進(jìn)行開發(fā)，所以它含有 Arduino 框架的setup()?和?loop()?功能。

2、Marlin應(yīng)用源代碼Marlin/src 文件夾

Marlin應(yīng)用源代碼主要由以上文件夾組成，核心的入口程序文件是?MarlinCore.cpp?，MarlinCore.h?會(huì)做一些宏和變量以及函數(shù)的聲明，在這個(gè)文件中可以找到基于?Arduino?框架的?setup()?和?loop()?函 數(shù)，其余的文件夾包含的源碼主要的作用如下：

• core文件夾

包含Marlin源文件需要的類型、宏、使用程序功能等等，大多數(shù)源文件只需要包含?inc/MarlinConfig.h?就可以確保這些文件按預(yù)期順序包含在內(nèi)。

• feature文件夾

包含一些可選功能的支持代碼，當(dāng)然這個(gè)文件夾下的代碼有些功能是非常簡(jiǎn)單的，只需要添加一個(gè) G代碼或者在公共代碼中插入更改即可完成。如果一個(gè)特性需要定義一個(gè)類或者一組函數(shù)，這些附 加的文件將放在這個(gè)位置。

• gcode 文件夾

包含GCodeParser?類的定義以及所有G代碼命令的實(shí)現(xiàn)(有一些不在這里實(shí)現(xiàn)，但大部分是的)，這 些功能都被包裝在一個(gè)名為?GcodeSuite?的類里，G代碼實(shí)現(xiàn)的文件被捆綁在多個(gè)類別的子文件夾 中，這些文件被命令為具體的G代碼，因此可以使用 IDE 的查找功能找到它們。

• HAL文件夾

每個(gè)控制器系列都提供控制硬件的功能，但并非所有控制器系列都使用相同的接口，?Marlin2.x?版本實(shí)現(xiàn)了硬件抽象層，更好的屏蔽了平臺(tái)的差異性，使其它的平臺(tái)更好的兼容?Arduino?框架。

• inc文件夾

包含了Marlin版本、配置條件等等的基本內(nèi)容，請(qǐng)注意，每個(gè)HAL還包含自己的?Conditionals*.h?和?SanityCheck.h文件 。

• lcd 文件夾

所有與?LCD、TFT、OLED、編碼器、按鈕和串行控制器的相關(guān)代碼都放在這里，語言翻譯通常僅 適用于外部控制器，因此語言翻譯也放在這里。

• libs文件夾

任何通用數(shù)據(jù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)或者與硬件庫(kù)代碼都放在這里，如蜂鳴器代碼、 CRC16 校驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)、 3X3 矩陣、數(shù)字到字符串的轉(zhuǎn)換功能、用于二進(jìn)制傳輸?shù)?HeatShrink ，甚至還有幾個(gè) EEPROM 。

• module文件夾

這里定義了機(jī)器的所有典型功能，包括 3D 打印機(jī)擁有的所有的組件，例如：加熱器和傳感器、熱 床探測(cè)、路徑規(guī)劃算法、將命令轉(zhuǎn)換為分段運(yùn)動(dòng)的高級(jí)運(yùn)動(dòng)功能、將毫米分段快速轉(zhuǎn)換為步進(jìn)塊的 運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，以及將塊段轉(zhuǎn)換為中斷時(shí)序和STEP信號(hào)的步進(jìn)器 ISR 。

• pins文件夾

Marlin所有的板定義都在這個(gè)文件夾中，這里有不同的硬件架構(gòu)，每個(gè)架構(gòu)下的每塊板都有自己獨(dú) 特的引腳文件，?pins.h?根據(jù)?MOTHERBOARD?設(shè)置進(jìn)行包含，由于?pins.h?是?MarlinConfig.h?的包 含文件注意，因此它不會(huì)包含在其它的地方。

• sd 目錄

在這里您可以找到所有實(shí)現(xiàn)實(shí)際文件和文件夾的高級(jí)文件系統(tǒng)代碼。?CardReader?類是Marlin用 于導(dǎo)航目錄、打開G-code文件和從SD卡(或其他媒體)打印的主界面。自從Marlin 2.0.8以來，所有 的媒體類型都派生自?DiskIODriver?抽象類。

3、Marlin的配置

馬林是高度可配置的。您將在源代碼的許多地方發(fā)現(xiàn)應(yīng)用配置選項(xiàng)來打開和關(guān)閉代碼、更改行為和提供 值。

• Marlin源文件如何獲得它需要的所有配置值?

首先，當(dāng)您構(gòu)建一個(gè)c 程序時(shí)，第一階段是分別構(gòu)建所有的. C和 .cpp 文件。這些文件中的每一個(gè)都 必須是完整的，并且每個(gè)文件都負(fù)責(zé)包含它需要的頭文件。在大型項(xiàng)目中，這可能會(huì)很乏味，所以很多 編譯器都允許您創(chuàng)建“預(yù)編譯頭文件”( .PCH 文件)，包括所有公共頭文件。Marlin不使用 PCH 文件，而是 使用以類似方式工作的常規(guī)頭文件。

在inc、core、HAL和pins文件夾中頭文件的包含順序很重要，因?yàn)槊總€(gè)頭文件都是建立在其前身文件之 上的。為了確保始終遵循正確的包含順序，任何需要配置和條件文件(直到conditionals_ad.h)的代碼都 必須包含?inc/ marlinconfigpreh?，而任何需要完全實(shí)現(xiàn)的硬件配置的代碼都必須包含 inc/MarlinConfig.h。

讓我們仔細(xì)看看每個(gè)文件包含的頭文件。

3.1、 MarlinConfigPre.h

3.2、 MarlinConfig.h

4、一個(gè)典型的源文件

將這些內(nèi)容放在一起，典型的源文件至少將包含 marlinconfigpreh ，以便它可以預(yù)先檢查一些配置 值。只有在需要時(shí)，才會(huì)包含其他頭文件。有些源文件包含一些特性的頭文件是很常見的。

/**
*?(c)?2021?Marlin?Firmware
*?A?typical?Marlin?source.cpp?file.
*/
#include?"inc/MarlinConfigPre.h"
#if?ENABLED(MY_COOL_FEATURE)
#if?ENABLED(EXTENSIBLE_UI)
?#include?"lcd/extui/ui_api.h"
#endif
#endif?//?MY_COOL_FEATURE


5、典型的頭文件

Marlin頭文件不會(huì)像源文件一樣使用?#if…#endif?來包裝。相反，如果不需要頭文件，那么它就不會(huì)被 包含。Marlin還避免使用c風(fēng)格的?#ifdef?包裝器，并且只在自己的頭文件上使用?#pragma?一次。

/**
*?(c)?2021?Marlin?Firmware
*?A?typical?Marlin?header.h?file.
*/
#pragma?once
extern?int?my_feature_var;
void?do_feature_stuff();
當(dāng)該特性被禁用時(shí)，一些頭文件將提供空函數(shù)。這使得在單個(gè)點(diǎn)關(guān)閉東西更容易，并且可以使其他地方 的代碼更整潔。

/**
*?(c)?2021?Marlin?Firmware
*?A?typical?Marlin?header.h?file.
*/
#pragma?once
#include?"inc/MarlinConfigPre.h"
#if?ENABLED(MY_COOL_FEATURE)
?extern?int?my_feature_var;
?void?do_feature_stuff();
#else
?inline?void?do_feature_stuff()?{}
#endif


6、Marlin的構(gòu)建過程

一個(gè)Marlin式的結(jié)構(gòu)可能需要一段時(shí)間，但它像其他任何草圖一樣工作。Marlin中的所有 .cpp 文件及 其依賴項(xiàng)都將被編譯，以及它們包含的任何內(nèi)容。使用 PlatformIO 的Marlin構(gòu)建將使用 ini 文件夾中 的文件以及?buildroot/share/PlatformIO?中的腳本，根據(jù)您的配置過濾掉未使用的源文件，從而使 其更快。

7、程序和命令流程

Marlin程序的執(zhí)行從?MarlinCore.cpp?開始，setup()函數(shù)初始化，loop()函數(shù)主循環(huán)，就像 Arduino 草 圖一樣。loop()函數(shù)非常小，主要負(fù)責(zé)調(diào)用idle()，然后在隊(duì)列前面運(yùn)行下一個(gè)G-code命令。

Marlin中的大多數(shù)任務(wù)都是通過空閑函數(shù)執(zhí)行的，該函數(shù)調(diào)用?manage_inactivity?和?thermalManager.manage_heater?。您將看到許多對(duì)空閑的調(diào)用，因?yàn)樗械却h(huán)都使用它來保持 機(jī)器運(yùn)行。如果Marlin太長(zhǎng)時(shí)間沒有呼叫空閑，看門狗就會(huì)被觸發(fā)，為了安全重新啟動(dòng)機(jī)器。

這個(gè)程序架構(gòu)需要一些注意，因?yàn)槲覀儾幌Ｍ硞€(gè)函數(shù)被idle本身調(diào)用，直到堆棧爆炸為止。在Marlin 只有少數(shù)的再入守衛(wèi)，所以在實(shí)踐中它工作得很好。

從空閑狀態(tài)跟蹤函數(shù)調(diào)用，可以很直觀地看到Marlin是如何使所有設(shè)備和特性在程序上下文中運(yùn)行的。一些特性一直在進(jìn)行活動(dòng)，但是Marlin所做的大部分工作都是由G-code命令發(fā)起的。

8、中斷服務(wù)例程

Marlin定義了一些中斷服務(wù)例程( ISRs ):

• 步進(jìn) ISR 反復(fù)運(yùn)行，通過向步進(jìn)電機(jī)的STEP和DIR引腳發(fā)送脈沖以高速移動(dòng)規(guī)劃隊(duì)列和步進(jìn)電機(jī)。這種中斷的頻率與移動(dòng)速度有關(guān)。
• 溫度 ISR 以接近 1KHz 的頻率讀取溫度傳感器，并在讀數(shù)準(zhǔn)備好時(shí)向主程序發(fā)送信號(hào)。它還管理不 需要非常高基頻的加熱器和風(fēng)扇配置的軟件/慢 PWM 。
• 終止 ISR 可以被激活，如果終止引腳是中斷能力的。它只在結(jié)束引腳的輸入狀態(tài)改變時(shí)觸發(fā)。
• Tone Timer由 Arduino 為某些平臺(tái)定義，由Marlin為其他平臺(tái)定義。它處理脈沖壓電蜂鳴器來創(chuàng) 建音調(diào)，它運(yùn)行的頻率是當(dāng)前音調(diào)的兩倍。
• 伺服定時(shí)器提供了用于伺服系統(tǒng)的 PWM 信號(hào)。

平臺(tái)還將為Serial UART和其他設(shè)備定義中斷，所以Marlin必須小心選擇它使用的中斷和計(jì)時(shí)器。

9、G代碼的處理

接下來，讓我們看看如何處理 G 代碼并遵循程序流程。

• 0.緊急解析器

當(dāng)命令隊(duì)列被阻塞，但是機(jī)器需要用戶以某種形式輸入時(shí)，您可以做什么?緊急解析器是一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)，它在串行代碼的低級(jí)別上運(yùn)行，監(jiān)視某些命令。當(dāng)它看到 M108、M112 等時(shí)，它立即采取行動(dòng)來處理代碼。

• 1.從Serial和SD讀取

manage_inactivity函數(shù)調(diào)用queue.get_available_commands()，該函數(shù)檢查即時(shí)緩沖區(qū)，查詢串行 端口，并讀取活動(dòng)的SD打印文件，將行復(fù)制到命令隊(duì)列中，目的是使其充滿。

• 2.彈出G代碼

主循環(huán)()調(diào)用queue.advance()獲取隊(duì)列前面的命令并立即運(yùn)行它。在命令完成之前，Marlin不會(huì)返回到loop()。注意```queue.advance() ````在隊(duì)列之前運(yùn)行內(nèi)部命令，因此Marlin可以命令自身在常規(guī)命令流中 執(zhí)行一些操作。

• 3.預(yù)掃描G代碼

一旦queue.advance()選擇了下一個(gè)命令，它就調(diào)用解析器對(duì)G-code行進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理程序驗(yàn)證行號(hào)和校驗(yàn)和，如果一切正常，它會(huì)在調(diào)用特定的G-code處理程序之前對(duì)參數(shù)進(jìn)行快速預(yù)掃描。

• 4.處理G代碼

所有的G-code處理程序都封裝在 GcodeSuite 類中(例如，?GcodeSuite::G28()?)，盡管有一些在其他地方實(shí)現(xiàn)。G-code處理程序是一個(gè)簡(jiǎn)單的沒有返回值的void方法。它不是從函數(shù)調(diào)用中獲取參數(shù)，而是查詢 GCodeParser 類來檢查參數(shù)并讀取它們的值。例如，處理程序使用parser.seen('X')來檢查'X'參數(shù)是否存在，然后調(diào)用parser.value_float()以浮點(diǎn)數(shù)的形式獲取其數(shù)值。請(qǐng)參閱gcode/parser.h獲取所有可用的方法。

G-code處理程序幾乎可以做任何事情，所以它們被分成單獨(dú)的文件，每個(gè)文件只包含它需要的頭文件。所有處理程序必須包括gcode.h，這將包括parser.h。

• 5.命令阻塞

當(dāng)一個(gè) G1 命令的移動(dòng)隊(duì)列被加入時(shí)，它就被認(rèn)為是完成的，所以它可以立即返回。在實(shí)踐中，特別是 在床水平啟用時(shí)，每一次線性移動(dòng)都有可能填滿規(guī)劃隊(duì)列，并阻塞長(zhǎng)時(shí)間等待空間打開。

當(dāng)一個(gè)命令需要等待計(jì)劃器或用戶反饋中的空閑空間等內(nèi)容時(shí)，它將調(diào)用空閑函數(shù)以保持機(jī)器的活動(dòng)和 運(yùn)行。idle函數(shù)甚至?xí)魅氲拿钭x取到隊(duì)列中，但是由于idle函數(shù)并不會(huì)分發(fā)g代碼或推進(jìn)隊(duì)列，所 以在處理程序結(jié)束并返回之前，隊(duì)列不能獲得任何空的命令。

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