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如何使用Mac终端给树莓派pico构建C/C++程序进行开发，以及遇到各种问题该怎么处理，不使用任何IDE或编辑器（例如VS Code）

2023-11-09

写本文的原因是官方的教程已经过时了，如果你现在按照官方教程来在 Mac 上进行配置，那么会遇到一堆问题，比如我几乎把能踩的“雷”都踩了。所以这里记录了完整过程，以及各种错误的原因和处理方法，不然以后换 Mac 了或者在其他平台遇到同样的问题，忘记怎么处理的就头大了。

接下来先记录一下整体的安装流程，会介绍一些背景知识，对于一些会错误的地方会进行说明和解释。虽然文中对一些可能出现的错误进行了介绍，但是还是单独写了一篇博客进行整理，方便以后查阅：《为树莓派Pico配置交叉编译环境和工具链arm-none-eabi-gcc时可能会遇到的错误以及解决方案》

安装流程

下载 Raspberry Pi Pico SDK

Raspberry Pi Pico SDK 提供为基于 RP2040 的设备（如 Raspberry Pi Pico）编写 C/C++ 或汇编语言程序需要使用的使用的头文件、库和构建系统，这大大提升了开发效率。

这部分的方法可以和官方介绍的方法一样，但是如果你使用 HTTPS 克隆失败了很多次，那么建议使用 SSH 或者更新 Git 试试看，GitHub 在 HTTPS cloning errors 对这个问题有简单的介绍。所以这里两种地址都列出来：

# 使用https
git clone https://github.com/raspberrypi/pico-sdk.git --branch master
# 使用 SSH
git clone git@github.com:raspberrypi/pico-sdk.git --branch master

然后进入pico-sdk目录，初始化引用的子模块：

$ cd pico-sdk
$ git submodule update --init

这里可能需要等待很长时间，而且经常会出现错误，比如加载失败、连接超时等，需要多试试看，因为都是 HTTPS 下载的，建议根据上文连接中的介绍进行诊断。这部分真的需要耐心！

配置 Raspberry Pi Pico SDK

接下来需要在环境变量PICO_SDK_PATH中记录pico-sdk的根地址，这样后面 CMake 就可以找到需要的一些库、头文件等一些工具。这需要在你的 Shell 配置文件里加上这么一句：

export PICO_SDK_PATH=~/Desktop/pico/pico-sdk

接下来你可以关闭终端再次打开，或者使用source来激活这个更改，比如：

$ source .bash_profile

后面配置其他工具时也需要类似的操作，如果你想进一步了解这步的知识，可以看我的另一篇博客：《macOS在终端上如何直接使用脚本或者下载的程序》。

此外，虽然这里还没提及 CMake，但是还有另一种方法，你还可以在CMakeLists.txt中的project(...)部分之前加上这句话也可以设置环境变量PICO_SDK_PATH：

set(PICO_SDK_PATH ~/Desktop/pico/pico-sdk)

后面的路径用不用双引号包裹都行，一般不会出现解析错误，保险起见可以加。

这种方法的好处在于对不同项目可以设置不同的环境变量，你可以根据自己的需求进行选择。

安装 CMake

CMake 是一个构建、测试、打包的工具，可以生成make可以构建的makefile文件。这是因为make在所有类 Unix 都是自带的，但是makefile文件编写不是很容易。

这里我们直接使用brew进行安装即可：

brew install cmake

使用下面的命令查看版本来确认已经安装：

$ cmake --version
cmake version 3.27.1

CMake suite maintained and supported by Kitware (kitware.com/cmake).

（介绍CMake的博客还没写完，写完会贴个链接在这）

工具链

为什么需要工具链

在 Mac 上给树莓派 Pico 进行开发是需要交叉编译的。交叉编译就是在系统上编译另一种系统甚至另一个平台的程序，比如我是在 X86 架构的 macOS 上编译 Arm 架构 Linux 的可执行程序。为了实现这个目的需要一套工具来编译，比如目标系统、目标平台的编译器、库，这套工具就是常说的工具链（Toolchain）。因为本机上的编译器clang和库是给 macOS 编译程序的，编译出来的可执行程序是Mach-O executable格式，而不是 Linux 需要的格式。顺道一提，这里树莓派 Pico 需要导入的可执行程序格式为UF2 firmware image, family Raspberry Pi RP2040。

下载工具链

给树莓派 Pico 进行交叉编译的工具链名为：arm-none-eabi-gcc，使用方法和gcc一样，但是一般很少直接使用 arm-none-eabi-gcc 进行编译，都是使用 CMake 进行安装。

需要注意的是，下载工具链不要直接使用brew下载。因为brew安装的版本可能是不是树莓派 Pico 对应的版本或者配置错误，这样会导致一些错误。比如当前brew下载的版本只有 200MB，而官网的版本有 845MB，如果使用brew下载的版本，那么虽然也是 12.3 版本，cmake构建也没有问题，但是到make这步的时候就会显示以下错误：

-- Build files have been written to: /shared/pico-setup/pico/pico-examples/build/elf2uf2
[  0%] Performing build step for 'ELF2UF2Build'
Scanning dependencies of target elf2uf2
[ 50%] Building CXX object CMakeFiles/elf2uf2.dir/main.cpp.o
[100%] Linking CXX executable elf2uf2
[100%] Built target elf2uf2
[  0%] No install step for 'ELF2UF2Build'
[  0%] Completed 'ELF2UF2Build'
[  0%] Built target ELF2UF2Build

这时候用下面的命令卸载、清理掉brew安装的内容：

# 卸载arm-none-eabi-gcc
$ brew uninstall arm-none-eabi-gcc
# 清理掉一些下载文件
$ brew cleanup arm-none-eabi-gcc
# brew默认将二进制文件安装到/usr/local/bin/目录下，虽然前面卸载了，但是可能会有一些残留，手动删一下
$ sudo rm /usr/local/bin/arm-none-eabi-*

这时候再从官网下载即可。

进入 Arm GNU Toolchain Downloads，用页面搜索功能搜一下“macOS”，因为链接太多了。你会看到光是在 macOS 下面就有这么多链接：

请添加图片描述

选择你对应平台（就是处理器架构）的AArch32 bare-metal target (arm-none-eabi)中的链接点击下载。选择AArch32因为树莓派 Pico 的微控制器 RP2040 包含的 Arm Cortex M0 是 32 位的，也就是AArch32，如果你下成AArch64 bare-metal target (aarch64-none-elf)是没法编译的。

安装工具链

如果你下载的是 tar.xz 格式的，那么使用下面的指令将其解压：

$ tar xvf arm-gnu-toolchain-版本号-darwin-arm64-arm-none-eabi.tar.xz

然后将其放在一个你喜欢但是不经常动的位置。

如果你下载的是 PKG 格式的，那么安装之后会放在“应用程序”目录/Applications/下，如下：

请添加图片描述

这时候这个目录的绝对地址就是/Applications/ArmGNUToolchain/。

配置工具链

接下来要像之前一样配置一下工具链，好让cmake构建的时候找到需要的编译器、汇编器等工具以及库。

配置方法是在环境变量PATH中添加上arm-none-eabi的二进制目录，这样就可以使用里面的工具了。

如果是使用 PKG 安装的，那么在 Shell 配置文件中添加如下语句（版本不同可以略有变化）：

export PATH="$PATH:/Applications/ArmGNUToolchain/版本号/arm-none-eabi/bin"

如果你是下载的 tar.xz，那么在 Shell 配置文件中添加如下语句（版本不同可以略有变化）：

export PATH="$PATH:~/arm-gnu-toolchain-12.3.rel1-darwin-arm64-arm-none-eabi/bin"

~/arm-gnu-toolchain-12.3.rel1-darwin-arm64-arm-none-eabi是你之前下载解压好之后放的位置，选择里面第一层的bin目录，该目录应该包含 C/C++ 的编译器arm-none-eabi-gcc和arm-none-eabi-g++，内容大致如下：

请添加图片描述

不要选择arm-none-eabi里的bin。

如果你完成了以上步骤，那么就可以为树莓派 Pico 进行交叉编译了。

构建项目

这里我们使用一个自制的例子和官方例子 pico-examples 来介绍一下构建项目中的一些命令。

首先新建一个pico目录来存放这些例子，并且进入该命令：

$ mkdir pico
$ cd pico

简单的例子

接下来介绍简单的自制例子。按照以下命令新建一个目录blink，然后在里面新建一些文件和目录：

# 新建一个`blink`目录并进入
$ mkdir blink
$ cd blink
# 创建两个空白文件 blink.c 和 CMakeLists.txt
$ touch blink.c CMakeLists.txt
# 将 pico-sdk 项目中的 pico_sdk_import.cmake 文件复制到当前目录下
# 如果你之前没有设置PICO_SDK_PATH，那么就使用你的pico-sdk路径
$ cp $PICO_SDK_PATH/external/pico_sdk_import.cmake .

然后在blink.c文件中输入以下内容，这些编译后会让树莓派 Pico 上的 LED 灯开始闪烁（如果你的是 Pico W，那么不要使用下面的代码）：

#include "pico/stdlib.h"

const uint LED_PIN = 25;

int main() {

	gpio_init(LED_PIN);
	gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
	gpio_put(LED_PIN, 0);
	
	while (true) {
		gpio_put(LED_PIN, 1);
		sleep_ms(250);
		gpio_put(LED_PIN, 0);
		sleep_ms(250);
	}
}

如果你的是 Pico W，那么使用下面的代码，而不是上面的，这是因为 Pico W 的板载 LED 没有连接到 RP2040 上，而是连接到无线芯片的 GPIO 上了，这就导致上面使用的25引脚是 Wi-Fi 而不是 LED，这种情况下使用的代码如下：

#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/cyw43_arch.h"

int main() {
    stdio_init_all();
    if (cyw43_arch_init()) {
        printf("Wi-Fi init failed");
        return -1;
    }
    while (true) {
        cyw43_arch_gpio_put(CYW43_WL_GPIO_LED_PIN, 1);
        sleep_ms(250);
        cyw43_arch_gpio_put(CYW43_WL_GPIO_LED_PIN, 0);
        sleep_ms(250);
    }
}

在CMakeLists.txt文件中输入以下内容：

cmake_minimum_required(VERSION 3.17)

include(pico_sdk_import.cmake)

# 这两个是设置目标系统和目标平台的，如果不加这两句也行，但是第一次运行 cmake 构建时会需要较长时间寻找合适的编译器，后面再构建就没区别了
set(CMAKE_SYSTEM_NAME Linux)
set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR arm)

project(blink)

pico_sdk_init()


add_executable(blink 
blink.c
)

target_link_libraries(blink pico_stdlib)

pico_add_extra_outputs(blink)

这时候新建一个名为build的目录来存放构建后的内容，然后进入。

$ mkdir build
$ cd build

这是一个良好的构建项目的习惯，因为会很方便清理一些构建后的文件，也是cmake的惯例。

然后使用以下命令进行构建：

$ cmake ..
$ make -j4

如果在构建过程中出现任何错误，都建议完全清空build目录，再进行下次构建！

这里你可能会好奇为什么使用make -j4这个命令，而不是直接使用make。其实两个都可以，但是推荐使用选项-j4，原因在“pico-examples”部分会有说明。

构建成功会显示以下内容：

请添加图片描述

而此时的build目录下内容如下：

请添加图片描述

这时候先继续讲如何构建 pico-examples，如果你想马上知道如何导入可以跳到后面。

pico-examples

回到pico目录下：

$ cd ../..

首先下载 pico-examples：

# 用 https
$ git clone https://github.com/raspberrypi/pico-examples.git
# 用 SSH
$ git clone git@github.com:raspberrypi/pico-examples.git

同样进入pico-examples目录，然后新建build目录，在进入其中：

$ cd pico-examples
$ mkdir build
$ cd build

然后就像简单的例子一样使用下面的命令来构建所有的项目：

$ cmake ..
$ make -j4

为什么make要使用选项-j

这里解释一下为什么使用make -j4而不是make：

  • 选项-j4意思是“同时运行 4 个任务或者命令”，如果直接使用make可能会出现fatal error: cannot read spec file ‘nosys.specs’: No such file or directory的错误，也就是一个好了得等另外一个。
  • 不过使用-j4的主要目的是为了加快构建速度。

二者的速度差距有多少呢？我进行了测试，可以看到实际花费的时间（real）减少到三分之一左右，你可以自己尝试看看。
请添加图片描述

这是因为-j4利用了更多的进程，而更多的进程意味着更多的线程。这样可以提升 CPU 的利用率和降低程序运行时间，所以你可以看到使用使用-j4的用户使用 CPU 时间（user）和系统使用 CPU 时间（sys）都要高于不使用-j4的情况。

这里的4可以根据你的处理器线程数进行调整，由于这个任务的 CPU 利用率很高，阻塞、睡眠的情况少，所以上限大概就是你的线程数，更高的值带来的提升比较少。但是4的个很不错的选择，因为：

  1. 如果尝试过多线程编程就知道，4线程是一个拐点，很多任务超过4之后线程数带来的性能提升曲线会放缓，之前增加一个线程带来的提升可能需要增加两到三个线程才能达到。
  2. 很多处理器可以同时运行的线程数还是不太够，而4是很多机器能接受的。

如果你拥有一个核心很多的处理器，可以试试看设置为最高的速度，用time make -jxx测试一下时间，如果可以的话评论留言让我记录一下哦。

导入编译好后的二进制文件

导入的方法很简单，首先拔下来你的树莓派 Pico，然后按住树莓派上的白色按钮“BOOTSEl”，如下：

请添加图片描述

然后插上线连接到 Mac 上。这样树莓派 Pico 会进入 USB 大容量存储模式。

这时就会发现出现了这样的一个 USB 存储装置：

请添加图片描述

然后将我们之前构建好的项目中的.uf2文件拖入这里即可。拖入后会显示“磁盘没有正常推出”，对此不要紧张，是正常的。

如果将一开始blink项目中的blink.uf2拖入，那么就可以看到树莓派 Pico 上的 LED 开始闪烁了。强调一点，如果你之前使用 MicroPython 进行编程，后面还要的话那么需要重新安装MicroPython，因为导入的文件会替换之前有的 MicroPython。

断开再次插上也会继续闪烁，如果你想重置树莓派 Pico 来让他別闪了，那么再次断开按住按钮进入 USB 存储模式就会重置清空之前的二进制文件。但是也可能会出现外围设备重置失败的情况，那么就用我另外一篇博客的办法写个程序进行重置：《如何重置树莓派 Pico（重置外围设备失败）》

最后，关于构建中还可能会出现一些问题，这些问题我会单独开一篇来进行整理（已将链接贴到开头了）。

希望能帮到有需要的人～

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