Быстрая разработка программ управления устройствами на основе GNU/Linux

Использование одноплатных компьютеров с предустановленной ОС Linux позволяет разработчику отвлечься от тонкостей реализации работы тех или иных периферийных устройств и сконцентрироваться на алгоритме работы системы. Более того, наличие драйверов (модулей ядра) для работы с периферией и внешними интерфейсами позволяет быстро создавать прототипы системы, используя высокоуровневые скриптовые языки программирования. Особенностью таких языков является ориентированность на «склейку» уже существующих программных средств, а не на разработку новых функций и процедур. Действительно, за годы развития в ОС Linux накопилось уже достаточно утилит и программ, которые подходят для решения отдельных задач алгоритма работы системы. Ввиду небольшого количества языковых конструкций такие языки отличаются простотой освоения. Таким образом, прототип системы может быть написан гораздо быстрее, чем на более традиционном для подобных задач языке C. Наиболее естественным является использование скриптов оболочки типа Bash (стандартная оболочка Linux), Csh (оболочка с C-подобным синтаксисом) и др. Большинство пользователей Linux уже владеет на базовом уровне командным языком одной из этих оболочек.

Кроме того, в настоящее время появилось большое количество готовых программно-аппаратных решений на базе открытой ОС Linux, относящихся к так называемой «открытой аппаратуре». Этот термин означает прежде всего открытость всей документации, включая проектные файлы печатных плат. Таким образом, пользователь получает все возможности для использования и модификации не только программного, но и аппаратного обеспечения. Ядро ОС уже сконфигурировано для работы с данной платформой, прежде всего это касается необходимых для работы разнообразной периферии модулей. К наиболее популярным решениям подобного плана можно отнести Beagleboard на базе 1-Гц процессора TI DM3730 (ядро ARM Cortex-A8) [1], ECB_AT91 на базе 180-Гц процессора Atmel AT91RM9200 (ядро ARM9) [2] и др.

В настоящее время для проекта разработки альфа-дозиметра в НИЯУ МИФИ [3] в качестве блока управления используется одноплатный компьютер ACME FOX Board 20 [4]. Данная материнская плата обладает всеми типичными для подобного класса устройств интерфейсами — USB (Host и HID), Ethernet, RS-232 — и поставляется вместе с SD-картой с предустановленным дистрибутивом Debian GNU/Linux 6.0. При желании можно установить любой другой, благо конфигурационные файлы для компиляции ядра находятся в свободном доступе на сайте производителя. Например, другим популярным дистрибутивом для данной платформы является Gentoo. Используемый процессор — AT91SAM9G20. Это 32-разрядный микропроцессор компании Atmel на базе ядра ARM9, с частотой работы 400 МГц. Использование ARM-процессора позволило обеспечить весьма низкий уровень потребления — устройство потребляет около 90 мА (не достигая, правда, заявленных на сайте производителя 60 мА. Такое потребление возможно только без использования SD-карты и, соответственно, ОС). На рис. 1 представлен внешний вид платы (физические размеры — 66×66 мм). Плата доступна для заказа в магазине ООО «Терра-электроника». Для подключения к HOST-системе можно использовать COM-порт (требуется специальная распайка небольшого переходника) или Ethernet. По умолчанию поставляемый вместе с платой дистрибутив Debian сконфигурирован на работу с DHCP.

Рис. 1. Плата ACME FOX Board 20 с подключенным ЖКИ

Программирование устройства может осуществляться на любом языке, компилятор или интерпретатор для которого установлены в системе. Решением «в лоб» является использование языка оболочки Bash. Такое решение не требует дополнительной установки каких-либо пакетов. Программирование Bash-скриптов обычно интуитивно понятно любому пользователю UNIX-систем с некоторым опытом программирования. В качестве примера работы Bash-скрипта рассмотрим реализацию традиционной программы мигания светодиода, подключенного к выводу GPIO микропроцессора. Для подключения светодиода может использоваться обычная схема, приведенная на рис. 2.

Рис. 2. Схема подключения светодиода

Стандартный Linux-драйвер GPIO сопоставляет выводам процессора беззнаковые целые от 0 до MAX_INT, где MAX_INT — общее число выводов GPIO.

Конкретная привязка выводов к идентификатору является платформно-зависимой. При работе с системами с предустановленной ОС Linux необходимо обратиться к документации для определения идентификатора конкретного вывода. Для получения сведений о самостоятельном конфигурировании GPIO можно обратиться к описанию драйвера [5].

Драйвер обеспечивает возможность работы с выводами через виртуальную файловую систему sysfs, обычно монтируемую в /sys. Для работы с GPIO используется путь /sys/class/gpio. Данный каталог содержит файлы для контроля над GPIO, доступные только для записи, прежде всего это:

• export — запись идентификатора GPIO в данный файл позволяет пользователю (пользовательской программе) получить контроль над GPIO.
• unexport — запись идентификатора GPIO в данный файл лишает пользователя возможности контролировать GPIO, возвращая данный вывод обратно ядру ОС.

После записи идентификатора GPIO в файл export в каталоге /sys/class/gpio появляется каталог /sys/class/gpioN, где N — идентификатор вывода GPIO. Данный каталог также содержит несколько необходимых для управления GPIO файлов:

• direction — направление GPIO. Для настройки вывода можно записать следующие выражения: out — GPIO будет сконфигурирован как выход; in — GPIO будет сконфигурирован как вход; low или high для конфигурирования GPIO как выхода с начальным значением «0» или «1» соответственно. Данный файл доступен для чтения.
• value — значение GPIO. Если GPIO сконфигурирован как вывод, запись любого ненулевого значения в данный файл приведет к установлению на выводе GPIO «высокого» значения сигнала. Данный файл также доступен для чтения.

Файлы edge и active_low пока останутся за пределами наших интересов, они необходимы при настройке прерываний от внешних выводов.

В качестве работы с портами ввода/вывода в стандартной оболочке Bash приведем скрипт Toggle.sh, выполняющий мигание значения на выводе:

Рассмотрим данный скрипт чуть подробнее. В первой строке содержится указание необходимой для исполнения скрипта программы-интерпретатора. В строках 03–05 проверяется, не занят ли еще данный вывод какой-либо другой программой. Интерес представляет восьмая строка. Команда trap («ловушка») позволяет перехватить ввод пользователем сочетания клавиш <CTRL>+<C> (стандартное в UNIX сочетание для завершения программы). Так как далее используется «вечный» цикл, прерывание исполнения скрипта возможно только таким путем. Используя «ловушку», можно выполнить произвольную команду при получении скриптом какого-либо сигнала от операционной системы. В данном случае при получении сигнала «INT» (прерывание процесса по нажатии <CTRL>+<C>) скрипт сначала вернет вывод в пространство ядра и лишь затем завершит свою работу. В строках 10–11 происходит описанная выше настройка вывода. В 13-й строке переменной OutValue присваивается инициализирующее значение «1». Строки 15–18 реализуют вечный цикл, в процессе которого OutValue меняет свое значение с «1» на «0» и обратно на каждом шаге, а само значение записывается в файл value. Команда sleep служит для задержки выполнения на заданное пользователем в качестве аргумента скрипта время. Таким образом, для мигания светодиодом раз в 2 с необходимо ввести в консоли:

Желающим более подробно ознакомиться с программированием с использованием оболочки Bash рекомендуем ознакомиться с [6].

Однако для быстрого прототипирования и разработки более-менее сложных программ для встраиваемых систем Bash-скрипты — не самый удачный выбор ввиду очень медленного исполнения. Интерпретатор Bash последовательно выполняет все команды так, как если бы они вводились пользователем с клавиатуры. Процедурное программирование на Bash также имеет ряд ограничений.

Выходом являются скриптовые языки программирования типа Python или Tcl [7] (произносится как «тикль»), сочетающие простоту написания программ как последовательности команд со скоростью выполнения, сравнимой с компилируемыми языками типа C/C++. Кроме того, такие языки имеют расширенный по сравнению с Bash арсенал средств для классического процедурного программирования. Интерпретаторы таких языков используют предкомпиляцию, что существенно ускоряет работу программ.

Выбором автора статьи является язык Tcl ввиду его тесной интеграции со средством автоматизации работы программ Expect, рассмотренным, например, в [8]. Однако в данный момент нас скорее интересует чистый Tcl. Поддержка процедурного программирования позволяет быстро создавать пользовательские библиотеки функций. Рассмотрим библиотеку LcdTclLib, написанную автором для работы с LCD-дисплеем Winstar WH1602 со стандартным интерфейсом HD44780. Использованная схема подключения LCD показана на рис. 3. По ходу изложения мы будем пояснять требуемые конструкции языка Tcl. Первая функция, которую мы рассмотрим, выполняет инициализацию заданного в качестве аргумента вывода GPIO:

Рис. 3. Схема подключения ЖКИ

По ходу отметим, что практически все «ключевые» слова Tcl являются командами и могут выполняться непосредственно в интерпретаторе языка Tclsh. Команда proc служит для описания функции, в качестве первого аргумента команда принимает имя функции, затем следуют аргумент и тело функции. Команда set во второй строке инициализирует переменную, указанную в первом аргументе, значением, указанным в качестве второго аргумента. Квадратные скобки [] служат для подстановки возвращаемого значения. Внутри скобок может находиться любая команда, возвращающая значение. В данном случае мы использовали команду open, возвращающую идентификатор открываемого файла. Файл /sys/class/gpio/export был открыт для записи с правами доступа 0600. Подробнее о правах доступа можно узнать в любой книге по администрированию ОС Linux, например [9]. Символ «$» используется для подстановки значения переменной. Таким образом, команда puts записывает в файл с идентификатором $exportIO значение переменной $GPIO. Кстати, о переменных: как и Bash, Tcl «не знает» других типов, кроме строковых.

Команда puts использует буферизацию, это означает, что запись в файл может быть выполнена с задержкой (обычно все операции записи выполняются перед закрытием файла). В случае работы со специальными файлами типа export или unexport это недопустимо. Чтобы заставить произвести запись мгновенно, используется команда flush.

В восьмой строке происходит закрытие файла /sys/class/gpio/export командой close.

Следующая функция выполняет настройку вывода как выхода или входа:

Фигурные скобки служат для группировки, и вся комбинация {GPIO DIRECTION} воспринимается Tcl как один аргумент.

Следующая функция выполняет инициализацию всех выводов микропроцессора, к которым подключен LCD:

Точка с запятой «;» используется для принудительного завершения строки. С символа «#» начинается строка комментария.

Следующие функции служат для установки значений на выводах, подключенных ко входам RS и E жидкокристаллического дисплея:

Функция для подачи короткого импульса на вывод микропроцессора, подключенного ко входу E жидкокристаллического дисплея:

Так как данная функция не принимает аргументов, в качестве второго аргумента команды proc необходимо указать пустой аргумент {}. Команда after задерживает исполнение скрипта на время, указанное в качестве аргумента. В отличие от команды sleep, использованной нами в Bash-скрипте, здесь значение указывается в миллисекундах.

Так как LCD подключен с помощью шести сигнальных линий, контроллеру дисплея может быть отправлена только половина байта за один цикл записи. Функция, реализующая передачу:

Данная функция принимает два аргумента: пересылаемый байт и модификатор ML, который служит для отправки младшей или старшей половины байта. Команда switch реализует обычный переключатель в зависимости от значения аргумента ML. Опция команды -exact требует точного соответствия значения селектора ML одной из меток. Здесь «—» означает конец опций, следующий аргумент команды трактуется как селектор.

И, наконец, функция передачи контроллеру LCD байта данных или команды:

В зависимости от значения аргумента Mode происходит передача либо данных, либо команды контроллеру LCD.

Для использования библиотеки LcdTclLib в скрипте необходимо подключить ее с помощью команды source. Для примера рассмотрим скрипт инициализации LCD:

Данный скрипт производит инициализацию выводов GPIO, а так же базовую настройку LCD (переключение в режим работы по четырем линиям данных, отключение «мерцающего» курсора, очистку экрана). Интерпретатором данного скрипта является программа Tclsh, путь к которой должен быть указан в первой строке. Удобно сделать данный скрипт автоматически выполняемым при загрузке системы. Этого можно добиться, поместив вызов скрипта LcdInit.sh в файл /etc/rc.local.

И, наконец, рассмотрим пример скрипта, реализующего вывод на LCD строки текста:

Для преобразования символов строки в числовой ASCII-код в 18-й строке используется команда scan с аргументом %c. ASCII-код помещается в переменную Character. Команда string с аргументом index позволяет обратиться к символу строки под номером, указанным в качестве третьего аргумента.

Пример работы программы показан на рис 1. Таким образом, создание программы управления жидкокристаллическим дисплеем можно выполнить за очень небольшое количество времени, практически не вникая в тонкости C-программирования под Linux. Программы на Tcl имеют простой командный синтаксис. Отдельные места программы всегда могут быть отлажены в интерактивной оболочке Tclsh с быстрым просмотром всех необходимых результатов. Сам интерпретатор доступен для любой популярной операционной системы, таким образом, платформно-независимая часть кода всегда может быть запущена и отлажена на любом доступном компьютере.

Литература

1. http://beagleboard.org
2. http://emqbit.com/products
3. Бочаров Ю. И., Мирошниченко В. П., Онищенко Е. М. и др. Портативный прибор для детектирования источников альфа-радиоактивности // Датчики и системы. 2010. № 3 (130).
4. http://acmesystems.it/
5. GPIO Interfaces. Linux Documentation. — http://lxr.linux.no/linux+v2.6.38/Documentation/gpio.txt
6. Linux Shell Scripting with Bash. Burtch K. O. Sams Publishing. 2004.
7. Ousterhout J. K. Tcl and the Tk Toolkit // Adison-Wesley Professional. 2009.
8. Осипов Д., Бутузов В., Бочаров Ю. Автоматизация измерений с помощью программных средств Expect/Tcl на примере тестирования АЦП // Компоненты и технологии. 2011. № 8.
9. Кофлер М. Linux. Полное руководство. СПб.: Питер. 2011.