开源Marlin2.x源代码架构学习笔记

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最近两个月MBA美帝在职研的课程即将结束，经过个人的努力，目前两门课：全球商务、定量决策均分绩点如下，基本上逼近满分(凡尔赛了，哈哈哈)，光鲜亮丽的背后，带领小组始终冲在了班级的最前面，同时也付出了不少精力和汗水，通宵了不知道多少个夜晚，交完学期项目以后就结课啦，开始进入下一门课的学习！所以开始有时间可以折腾新东西啦：(不少同学应该知道我开了个知识星球，专门分享这些内容，这里就不好放出来啦，有兴趣和我说即可)

Marlin相当庞大，自2.x版本开始，陆陆续续开始集成了32位机，主流的STM32、LPC等高性能MCU逐渐取代了以Arduino2560等8位机的3D打印机方案。Marlin，庞大到让每个初学者开始学习看代码都会觉得闻风丧胆，当然我刚开始接触的时候也不例外，但是不管是学什么东西，只要把大方向掌握了，那么细节的东西用到了再慢慢研究也不迟，同时，Marlin的文档非常少，对于初学者来说，是非常不友好的！以下这些介绍也是Marlin刚开放不久的说明文档，笔者英语水平有限，如有翻译失误，尽情纠正与谅解！

1、Marlin代码工程架构

以下是原版的Marlin固件解压下来的显示情况：

当使用 PlatformIO 构建Marlin时，它会在.pio此处创建一个文件夹，并且在shell中使用git的时候，这 是当前的工作目录，如下图所示：

1.2、 buildroot 文件夹

该目录包含开发人员的帮助脚本、字体工具、CI测试工具、Marlin图标和其它数据

1.3、 buildroot/share/PlatformIO 文件夹

电路板定义、环境变量、链接脚本和构建脚本会存放在这个地方，这个文件夹内的构建环境会经常引用 ini文件夹

1.4、 ini 文件夹

包含按 MCU 类型组织的所有 PlatformIO 环境设置， platformio.ini 文件将这些引入为 PlatformIO 提供构建/上传/调试设置，有一个文件特别有用：即是Marlin自定义构建脚本 features.ini 在构建开 始时用于根据启用的功能过滤源文件，因此构建能够完成得更快。

1.5、 Marlin 文件夹

构建Marlin时，配置文件就放在这个位置：

1.6、 Marlin/src 文件夹

包含Marlin应用程序，Marlin基于 Arduino 框架进行开发，所以它含有 Arduino 框架的setup() 和 loop() 功能。

2、Marlin应用源代码Marlin/src 文件夹

Marlin应用源代码主要由以上文件夹组成，核心的入口程序文件是 MarlinCore.cpp ，MarlinCore.h 会做一些宏和变量以及函数的声明，在这个文件中可以找到基于 Arduino 框架的 setup() 和 loop() 函 数，其余的文件夹包含的源码主要的作用如下：

• core文件夹

包含Marlin源文件需要的类型、宏、使用程序功能等等，大多数源文件只需要包含 inc/MarlinConfig.h 就可以确保这些文件按预期顺序包含在内。

• feature文件夹

包含一些可选功能的支持代码，当然这个文件夹下的代码有些功能是非常简单的，只需要添加一个 G代码或者在公共代码中插入更改即可完成。如果一个特性需要定义一个类或者一组函数，这些附 加的文件将放在这个位置。

• gcode 文件夹

包含GCodeParser 类的定义以及所有G代码命令的实现(有一些不在这里实现，但大部分是的)，这 些功能都被包装在一个名为 GcodeSuite 的类里，G代码实现的文件被捆绑在多个类别的子文件夹 中，这些文件被命令为具体的G代码，因此可以使用 IDE 的查找功能找到它们。

• HAL文件夹

每个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 版本实现了硬件抽象层，更好的屏蔽了平台的差异性，使其它的平台更好的兼容 Arduino 框架。

• inc文件夹

包含了Marlin版本、配置条件等等的基本内容，请注意，每个HAL还包含自己的 Conditionals*.h 和 SanityCheck.h文件 。

• lcd 文件夹

所有与 LCD、TFT、OLED、编码器、按钮和串行控制器的相关代码都放在这里，语言翻译通常仅 适用于外部控制器，因此语言翻译也放在这里。

• libs文件夹

任何通用数据函数实现或者与硬件库代码都放在这里，如蜂鸣器代码、 CRC16 校验和实现、 3X3 矩阵、数字到字符串的转换功能、用于二进制传输的 HeatShrink ，甚至还有几个 EEPROM 。

• module文件夹

这里定义了机器的所有典型功能，包括 3D 打印机拥有的所有的组件，例如：加热器和传感器、热 床探测、路径规划算法、将命令转换为分段运动的高级运动功能、将毫米分段快速转换为步进块的 运动路径规划，以及将块段转换为中断时序和STEP信号的步进器 ISR 。

• pins文件夹

Marlin所有的板定义都在这个文件夹中，这里有不同的硬件架构，每个架构下的每块板都有自己独 特的引脚文件， pins.h 根据 MOTHERBOARD 设置进行包含，由于 pins.h 是 MarlinConfig.h 的包 含文件注意，因此它不会包含在其它的地方。

• sd 目录

在这里您可以找到所有实现实际文件和文件夹的高级文件系统代码。 CardReader 类是Marlin用 于导航目录、打开G-code文件和从SD卡(或其他媒体)打印的主界面。自从Marlin 2.0.8以来，所有 的媒体类型都派生自 DiskIODriver 抽象类。

3、Marlin的配置

马林是高度可配置的。您将在源代码的许多地方发现应用配置选项来打开和关闭代码、更改行为和提供 值。

• Marlin源文件如何获得它需要的所有配置值?

首先，当您构建一个c 程序时，第一阶段是分别构建所有的. C和 .cpp 文件。这些文件中的每一个都 必须是完整的，并且每个文件都负责包含它需要的头文件。在大型项目中，这可能会很乏味，所以很多 编译器都允许您创建“预编译头文件”( .PCH 文件)，包括所有公共头文件。Marlin不使用 PCH 文件，而是 使用以类似方式工作的常规头文件。

在inc、core、HAL和pins文件夹中头文件的包含顺序很重要，因为每个头文件都是建立在其前身文件之 上的。为了确保始终遵循正确的包含顺序，任何需要配置和条件文件(直到conditionals_ad.h)的代码都 必须包含 inc/ marlinconfigpreh ，而任何需要完全实现的硬件配置的代码都必须包含 inc/MarlinConfig.h。

让我们仔细看看每个文件包含的头文件。

3.1、 MarlinConfigPre.h

3.2、 MarlinConfig.h

4、一个典型的源文件

将这些内容放在一起，典型的源文件至少将包含 marlinconfigpreh ，以便它可以预先检查一些配置 值。只有在需要时，才会包含其他头文件。有些源文件包含一些特性的头文件是很常见的。

/**
* (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、典型的头文件

Marlin头文件不会像源文件一样使用 #if…#endif 来包装。相反，如果不需要头文件，那么它就不会被 包含。Marlin还避免使用c风格的 #ifdef 包装器，并且只在自己的头文件上使用 #pragma 一次。

/**
* (c) 2021 Marlin Firmware
* A typical Marlin header.h file.
*/
#pragma once
extern int my_feature_var;
void do_feature_stuff();
当该特性被禁用时，一些头文件将提供空函数。这使得在单个点关闭东西更容易，并且可以使其他地方 的代码更整洁。

/**
* (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的构建过程

一个Marlin式的结构可能需要一段时间，但它像其他任何草图一样工作。Marlin中的所有 .cpp 文件及 其依赖项都将被编译，以及它们包含的任何内容。使用 PlatformIO 的Marlin构建将使用 ini 文件夹中 的文件以及 buildroot/share/PlatformIO 中的脚本，根据您的配置过滤掉未使用的源文件，从而使 其更快。

7、程序和命令流程

Marlin程序的执行从 MarlinCore.cpp 开始，setup()函数初始化，loop()函数主循环，就像 Arduino 草 图一样。loop()函数非常小，主要负责调用idle()，然后在队列前面运行下一个G-code命令。

Marlin中的大多数任务都是通过空闲函数执行的，该函数调用 manage_inactivity 和 thermalManager.manage_heater 。您将看到许多对空闲的调用，因为所有等待循环都使用它来保持 机器运行。如果Marlin太长时间没有呼叫空闲，看门狗就会被触发，为了安全重新启动机器。

这个程序架构需要一些注意，因为我们不希望某个函数被idle本身调用，直到堆栈爆炸为止。在Marlin 只有少数的再入守卫，所以在实践中它工作得很好。

从空闲状态跟踪函数调用，可以很直观地看到Marlin是如何使所有设备和特性在程序上下文中运行的。一些特性一直在进行活动，但是Marlin所做的大部分工作都是由G-code命令发起的。

8、中断服务例程

Marlin定义了一些中断服务例程( ISRs ):

• 步进 ISR 反复运行，通过向步进电机的STEP和DIR引脚发送脉冲以高速移动规划队列和步进电机。这种中断的频率与移动速度有关。
• 温度 ISR 以接近 1KHz 的频率读取温度传感器，并在读数准备好时向主程序发送信号。它还管理不 需要非常高基频的加热器和风扇配置的软件/慢 PWM 。
• 终止 ISR 可以被激活，如果终止引脚是中断能力的。它只在结束引脚的输入状态改变时触发。
• Tone Timer由 Arduino 为某些平台定义，由Marlin为其他平台定义。它处理脉冲压电蜂鸣器来创 建音调，它运行的频率是当前音调的两倍。
• 伺服定时器提供了用于伺服系统的 PWM 信号。

平台还将为Serial UART和其他设备定义中断，所以Marlin必须小心选择它使用的中断和计时器。

9、G代码的处理

接下来，让我们看看如何处理 G 代码并遵循程序流程。

• 0.紧急解析器

当命令队列被阻塞，但是机器需要用户以某种形式输入时，您可以做什么?紧急解析器是一个简单的状态机，它在串行代码的低级别上运行，监视某些命令。当它看到 M108、M112 等时，它立即采取行动来处理代码。

• 1.从Serial和SD读取

manage_inactivity函数调用queue.get_available_commands()，该函数检查即时缓冲区，查询串行 端口，并读取活动的SD打印文件，将行复制到命令队列中，目的是使其充满。

• 2.弹出G代码

主循环()调用queue.advance()获取队列前面的命令并立即运行它。在命令完成之前，Marlin不会返回到loop()。注意```queue.advance() ````在队列之前运行内部命令，因此Marlin可以命令自身在常规命令流中 执行一些操作。

• 3.预扫描G代码

一旦queue.advance()选择了下一个命令，它就调用解析器对G-code行进行预处理。预处理程序验证行号和校验和，如果一切正常，它会在调用特定的G-code处理程序之前对参数进行快速预扫描。

• 4.处理G代码

所有的G-code处理程序都封装在 GcodeSuite 类中(例如， GcodeSuite::G28() )，尽管有一些在其他地方实现。G-code处理程序是一个简单的没有返回值的void方法。它不是从函数调用中获取参数，而是查询 GCodeParser 类来检查参数并读取它们的值。例如，处理程序使用parser.seen('X')来检查'X'参数是否存在，然后调用parser.value_float()以浮点数的形式获取其数值。请参阅gcode/parser.h获取所有可用的方法。

G-code处理程序几乎可以做任何事情，所以它们被分成单独的文件，每个文件只包含它需要的头文件。所有处理程序必须包括gcode.h，这将包括parser.h。

• 5.命令阻塞

当一个 G1 命令的移动队列被加入时，它就被认为是完成的，所以它可以立即返回。在实践中，特别是 在床水平启用时，每一次线性移动都有可能填满规划队列，并阻塞长时间等待空间打开。

当一个命令需要等待计划器或用户反馈中的空闲空间等内容时，它将调用空闲函数以保持机器的活动和 运行。idle函数甚至会将传入的命令读取到队列中，但是由于idle函数并不会分发g代码或推进队列，所 以在处理程序结束并返回之前，队列不能获得任何空的命令。

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