Kconfig与CMake初步模块化工程

Foreword

使用CMkae+Kconfig最小化的创建一个可以模块化的工程，可以适用于大部分MCU类型的工程，并且有一定程度的扩展性。

需求环境

环境需要的东西比较多，要安装4个独立程序才行，对比IDE一键安装，是复杂了一些

Arm GNU Toolchain

https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads

Arm交叉编译的环境，这个是编译的必需品，选择10.3的经典版本，实际上选择最新版（13.3和14.2）也没问题

Version 10.3-2021.10

https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/downloads

14.2.Rel1 版本

https://developer.arm.com/-/media/Files/downloads/gnu/14.2.rel1/binrel/arm-gnu-toolchain-14.2.rel1-mingw-w64-x86_64-arm-none-eabi.exe

安装时勾选加入环境变量，省的手动添加

MinGW64

https://github.com/niXman/mingw-builds-binaries/releases

还需要mingw64的make工具链，需要手动加入环境变量，最好顺手把mingw32-make.exe改成make.exe，不然用起来很麻烦

CMake

https://cmake.org/download/

安装时勾选加入环境变量，省的手动添加

Kconfig-Python

还需要python环境和对应的包，某些情况可能会用到离线包，这里也一起说明

注意python安装时的tcl/tk 这个需要安装，否则会缺少tkinter，打不开kconfig gui

核心就是这两个包得安装

pip install kconfiglib
pip install windows-curses

如果使用whl的离线安装包，就可以这样安装

pip install windows_curses-2.4.1-cp313-cp313-win_amd64.whl
pip install kconfiglib-2.2.2-py2.py3-none-any.whl

架构

结构

核心就几个文件夹，把各个模块解耦，组合到一起就行了

application，系统的入口，启动文件，调用各个module完成业务
driver，驱动层，驱动各种具体的设备
module，任务层，实现各种业务细节
platform，硬件层，给driver层提供硬件接口，实际使用的MCU的HAL或者标准驱动层
rtos，使用的操作系统
tools，完成Kconfig转换的代码
cmake，编译器或者跨平台的相关CMake代码

这里重点是如何利用CMake和Kconfig进行组合，不是架构内的细节代码要怎么写

使用方法

配置工程

python -m guiconfig

生成头文件

python tools/kconfig.py Kconfig .config autoconf.h kconfigLog.txt .config

预设

cmake -S . -B build/Debug --preset Debug

make

cmake --build build/Debug --target project-debug-make

编译

cmake --build build/Debug --target project-debug-build

清空

cmake --build build/Debug --target project-debug-clean

解析

实现细节

如果是Makefile+Kconfig，平常也是把Kconfig的宏引入到Makefile中，同理CMake+Kconfig也需要，否则只能通过宏去括起来整个文件，那种方式就非常麻烦

ifdef CONFIG_XXX
...
endif

有很多代码都需要挨个加这个宏，那可太费劲了

最关键的点就是这里，将Kconfig生成的宏利用CMake读取进来，并且转换成CMake的宏

# Add sources and includes
file(READ "autoconf.h" config_content)
#message(STATUS "Found config macro: ${config_content}")
string(REGEX MATCHALL "CONFIG_[A-Z0-9_]+" config_macros ${config_content})

foreach(macro ${config_macros})
    #message(STATUS "Found config macro: ${macro}")
    set(${macro} ${macro})
    #target_compile_definitions(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE ${macro})
endforeach()

还有一种方式就是通过python独去Kconfig，然后转成一个CMake文件，再被主CMakeLists引入，不过这样就需要依赖python，我不太喜欢，实现代码如下

import os


def parse_config_file_cmake(config_file):
    config_vars = {}
    with open(config_file, 'r') as f:
        for line in f:
            # Skip comments and empty lines
            if line.startswith('#') or line.strip() == '':
                continue
            # Parse configuration line
            key, value = line.strip().split('=', 1)
            # Remove 'CONFIG_' prefix from the key name
            key = key[7:] if key.startswith('CONFIG_') else key
            # Handle quotes in the value
            if value.startswith('"') and value.endswith('"'):
                value = value[1:-1]
            # Add to dictionary
            config_vars[key] = value
    return config_vars


def write_cmake_file(config_vars, cmake_file):
    with open(cmake_file, 'w') as f:
        f.write('# Automatically generated by config_to_cmake.py\n')
        for key, value in config_vars.items():
            f.write('set({} "{}")\n'.format(key, value))


def convert_config_to_cmake(config_file, cmake_file):
    config_vars = parse_config_file_cmake(config_file)
    write_cmake_file(config_vars, cmake_file)


def parse_config_file_header(config_file):
    config_vars = []
    with open(config_file, 'r') as f:
        for line in f:
            # Skip comments and empty lines
            if line.startswith('#') or line.strip() == '':
                continue
            # Parse configuration line
            key, value = line.strip().split('=', 1)
            # If the value is 'y', replace it with a space
            value = value.strip()
            if value == 'y':
                value = '1'
            # Remove 'CONFIG_' prefix from the key name
            key = key[7:] if key.startswith('CONFIG_') else key
            # Add to list
            config_vars.append((key, value))
    return config_vars


def write_config_header(config_vars, header_file):
    with open(header_file, 'w') as f:
        f.write('// Automatically generated by config_to_header.py\n')
        f.write('#ifndef __KCONFIG_H__\n')
        f.write('#define __KCONFIG_H__\n\n')

        for key, value in config_vars:
            f.write('#define {} {}\n'.format(key, value))

        f.write('\n#endif // __KCONFIG_H__')


def convert_config_to_header(config_file, header_file):
    config_vars = parse_config_file_header(config_file)
    write_config_header(config_vars, header_file)


config_file = '.config'       # Path to your .config file
cmake_file = 'kconfig.cmake'  # Path to the generated kconfig.cmake file
header_file = 'kconfig.h'     # Path to the generated kconfig.h file

# Convert .config file to kconfig.cmake file
convert_config_to_cmake(config_file, cmake_file)

# Convert .config file to kconfig.h file
convert_config_to_header(config_file, header_file)

每个需要做选择的地方都放置一个kconfig，用来生成宏，在对应上级的位置引入这个kconfig

menu "Driver Configuration"
  config LED
      bool "LED"

  config Motor
      bool "Motor"
endmenu

有了宏以后就可以通过宏来控制文件编译

# sources

if(CONFIG_LED)
    target_sources(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE
        ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/driver/led.c
    )
    # include
    target_include_directories(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE 
        ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/driver
    )
endif()

if(CONFIG_MOTOR)
    file(GLOB_RECURSE DRIVER_SOURCES
        # 加入文件夹
        ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/driver/motor/*.*
    )
    target_sources(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE ${DRIVER_SOURCES})

    # include
    target_include_directories(${CMAKE_PROJECT_NAME} PRIVATE 
        ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/driver/motor
    )
endif()

小技巧

利用 dir /b指令可以快速获取当前文件夹内各文件的名称，从而给AI去帮我们写模板化的代码（AI无法获取文件结构）

不仅仅kconfig可以这么处理，实际上cmake也可以这么处理，快速将已有的文件加入到某个编译选型内

注意检查，copilot偶尔会写错，比如之前把某两个字母顺序写倒了，编译半天总是报错，才发现路径不对

其他

记录一些CMake的操作

CMake排除文件，使用正则的方式进行排除

file(GLOB_RECURSE USER_SOURCES
    "libs/*.*"
)

将含有math/vector路径、desperate的文件排除
list(FILTER USER_SOURCES EXCLUDE REGEX "desperated")
list(FILTER USER_SOURCES EXCLUDE REGEX "math/vector")

还有一种使用删除进行删除

file(GLOB_RECURSE FILE *.cpp *.c *.h)
 
file(GLOB_RECURSE WEBRTC_FILE webrtc_test.*  ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/src/webrtc_*)
 
file(GLOB_RECURSE WEBRTC_DIR ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/src/webrtc/*)
list(REMOVE_ITEM FILE ${WEBRTC_FILE})
list(REMOVE_ITEM FILE ${WEBRTC_DIR})

CMake有两种方式添加库，或者说叫添加.a文件

# Add linked libraries
target_link_libraries(${CMAKE_PROJECT_NAME}
    # Add user defined libraries
    -l:xxxx.a
    libyyyy.a
)

一种是需要你把原本的库命名为lib开头的，一种是通过-l指定非lab开头的库

.cmake和CMakeLists的区别

.cmake，是通过include()方式进行引入的，本质上是嵌入主cmake文件中的，所以是按照顺序执行的
CMakeLists，是通过add_subdirectory()方式引入，不嵌入主cmake中，执行顺序是比主cmake优先的

.cmake由于是嵌入，所以也就不存在什么局部变量全局变量一说，都是在主cmake中的，所以通用，但是CMakeLists不是，他作为子部分，默认情况下他的变量只能他自己使用，只有cmake自己的全局变量是可以被使用的，用户自定义的是无法使用的。

但是也有办法使用主cmake的变量

set(LINKER_SCRIPT ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/xxx/link.ld CACHE STRING "Linker Script Path" FORCE)

首先是将变量变成CACHE，这样这个变量就会被全局缓存，但是这种方式只是会保存这个变量，也就是子cmake可以用主cmake的这个变量的值，但是子cmake不能反过来设置这个值

如果要设置这个值，必须使用后面的FORCE关键字来修改

总而言之子CMakeLists的作用域类似于编程语言中的函数，写在其中的内容的作用域也类似于一个函数内的各种变量的作用域

Summary

还没有完全优化完成，比如同时编译四五个配置，怎么把这四五个配置暂存下来，方便后续编译，而不是每次都要切换配置去编译，还有CMake和Kconfig能不能只写其中一个，另外一个自动生成？

目前对于模块的引入能不能自动识别加入，而不用手动写引入的部分。

CMake和Kconfig这种模式还有一个小问题，生成的宏是直接文件级别跳过编译的，但是如果要同时兼容IDE或者VSCode这类的时候，能不能将这些关联导入到这些IDE里，否则IDE里总是显示不正常的，快速跳转也会跳到错误的位置上

Quote

https://github.com/LuckkMaker/apm32-kconfig-example