用 Raspberry Pi 體驗嵌入式系統開發

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1. 用 Raspberry Pi 體驗嵌入式系統開發 - 自己動手做無線路由器 台灣樹莓派 <sosorry@piepie.com.tw> Oct 28, 2013/Raspberry Pi #01
2. • Raspberry Pi 好好玩 - 應用篇 • Raspberry Pi 好好玩 - GPIO 篇 相關議程
3. • 信用卡大小般的電腦 Raspberry Pi 是什麼 ? http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/
4. • SoC Broadcom BCM2835 • CPU: ARM11 family, 700 MHz • GPU: Broadcom VideoCore IV, OpenGL ES 2.0, 1080p30 H.264/MPEG-4 AVC decoder • Memory: 512 Mb SDRAM • Video outputs: Composite, HDMI • Audio outputs: 3.5 mm jack, HDMI • Onboard storage: SD, MMC, SDIO card slot • Onboard 10/100 Ethernet RJ45 Raspberry Pi 硬體規格 (Model B)
5. 週邊 + OS http://www.raspberrypi-tutorials.co.uk/starting-up-your-raspberry-pi-device/set-raspberry-pi/
6. Raspberry Pi 怎麼玩 ?
8. Raspberry Pi 還可以怎麼玩 ?
11. 看了很多 還是不知道怎麼開始
12. Raspberry Pi 的軟硬整合之道
13. 用 Raspberry Pi 體驗嵌入式系統開發 - 自己動手做無線路由器
14. • 為特定應用而設計的專用計算機系統 • 通常執行的是帶有特定要求的預先定義的任務 - wikipedia • 常見作法 : 特製硬體 + 嵌入式 Linux+Driver+ 客製 化應用程式 嵌入式系統
15. • 硬體設計 & 驗證 • 軟體開發 & 系統整合 • 測試 嵌入式系統開發流程
16. • 無線 (wireless) + 路由器 (router) 無線路由器
17. 使用情境 http://www.techiestate.com/how-to-set-up-a-wireless-router/
18. 使用情境 http://www.techiestate.com/how-to-set-up-a-wireless-router/ 實做目標
19. • 取得對外網路 • 有線 / 無線？ • 如何發射訊號？ • 網路的分配？ • 使用者介面？ • … 未知的問題 情境 = 問題
20. 使用情境 http://www.techiestate.com/how-to-set-up-a-wireless-router/ 1. 取得對外網路 2. 有線 / 無線介接 3. 發射無線訊號 5. 使用者介面 4. 網路的分配
21. 使用情境 http://www.techiestate.com/how-to-set-up-a-wireless-router/ 1. 取得對外網路 2. 有線 / 無線介接 3. 發射無線訊號 4. 網路的分配 5. 使用者介面 + 很多未知的問題
22. 一個我們熟悉的裝置 背後是許多知識 & 功能的集合
23. • 建構嵌入式系統開發環境 • 設定無線 / 有線封包轉送 • 設定 DHCP/Wireless Access Point • 移植小型的網頁伺服器 • 撰寫 CGI 程式 • 以 Python 控制硬體 學習目標
24. 體驗 1 - 建構嵌入式系統開發環境
25. • x86, ARM, MIPS, PowerPC • 效能 ? 省電 ? 價格 ? • 一個 ARM 架構 • 有 ARMv1, ARMv2..., ARMv8 • ARM v6: Raspberry Pi Broadcom BCM2835 指令集架構 真八核 PS2 Power Macintoshes 80386
26. • 同樣的程式碼在不同的平台 ( 架構 ) 上執行 • 問題？ • addressing space • little endian/big endian • alignment • … • 編譯器 ( 們 ) 會幫我們解決一切？ Porting( 移植 )
27. • 一堆工具 + library • Compiler • Linker • Assembler • Debugger • Libraries • ... Toolchain http://www.aboutdebian.com/compile.htm
28. • 在完善的開發平台下開發其他平台的軟體 • Ex: 在 x86 平台下開發 ARM 的軟體 • gcc foo.c -o foo • arm-linux-gnueabi-gcc foo.c -o foo Cross Compile 交叉式編譯
29. • ./configure --build --host --target • --build: the architecture of the build machine • --host: the architecture that you want the file to run on • --target: the machine that GCC will produce code for • 在 build 下編好 , 在 host 執行 target 版本 Ex: ./configure --build=i686-pc-linux-gnu --host=arm-linux --target=mips-linux 利用 autotools
30. • 下載 Raspberry Pi 的 toolchain • https://github.com/raspberrypi/tools • 三個選擇 • arm-bcm2708-linux-gnueabi • arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi • gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian( 推薦 ) • 加到環境變數 • echo 'export PATH=\$PATH:/path/to/toolchain' >> ~/.bashrc 建構 cross-compiling 環境
31. 體驗 2 - 開發嵌入式系統所需功能
32. • 假設 • 有一個東西可以介接有線和無線 • 有一個東西可以發射無線網路的訊號 • 有一個東西可以分配網路 • 做一個控制的使用者介面 想像所需要的功能
33. • 假設 • 有一個東西可以介接有線和無線 – iptables & ip forwarding • 有一個東西可以發射無線網路的訊號 • 有一個東西可以分配網路 • 做一個控制的使用者介面 想像所需要的功能
34. iptables
35. • netfilter( 封包過濾機制 ) • 根據封包的表頭採取動作 • iptables( 用戶空間程式 ) • 封包過濾軟體 Linux 封包過濾概念
36. 封包過濾規則動作與分析流程 http://linux.vbird.org/linux_server/0250simple_firewall.php
37. iptables http://linux.vbird.org/linux_server/0250simple_firewall.php
38. • NAT = Network Address Translation • 來源與目的之間的 IP 和 port 轉換 • POSTROUTING – SNAT/MASQUERADE NAT Table
39. • iptables -A INPUT -i wlan0 -j ACCEPT • iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.77.0/24 -o eth0 -j MASQUERADE • sysctl net.ipv4.ip_forward=1 封包轉送規則
40. • 假設 • 有一個東西可以介接有線和無線 – iptables & ip forwarding • 有一個東西可以發射無線網路的訊號 – AP mode • 有一個東西可以分配網路 • 做一個控制的使用者介面 想像所需要的功能
41. • Station (STA) infrastructure mode • AccessPoint (AP) infrastructure mode • Monitor (MON) mode • Ad-Hoc (IBSS) mode • Wireless Distribution System (WDS) mode • Mesh 無線網卡工作模式 http://wireless.kernel.org/en/users/Documentation/modes
42. • AP(Master) mode • Ralink rt2400 / rt2500 • Broadcom 43xx • Realtek RTL8180 • Texas Instruments ACX100/ACX111 • Intel PRO/Wireless (ipwXXXX) series • ZyDAS ZD1211 • ... 選擇可以做 AP 的無線網卡 https://help.ubuntu.com/community/WifiDocs/MasterMode
43. • User space daemon for access point • Support IEEE 802.1X/WPA/WPA2/EAP • 硬體的支援 + 軟體的實做 hostapd http://www.netzmafia.de/skripten/unix/linux-daemon-howto.html
44. • 下載 hostapd(RTL8188CUS) • http://bit.ly/t0HWH1 • 設定編譯參數 configure • CC=arm-linux-gnueabihf-gcc ./configure --host=arm-linux --prefix=/path/to/install • 編譯 • make && make install Cross Compile hostapd
45. • 假設 • 有一個東西可以介接有線和無線 – iptables & ip forwarding • 有一個東西可以發射無線網路的訊號 – AP mode • 有一個東西可以分配網路 – dhcp daemon • 做一個控制的使用者介面 想像所需要的功能
46. • 分派 IP, 給予相關資訊 • 管理租約 • isc-dhcp-server DHCP Daemon http://linux.vbird.org/linux_server/0340dhcp.php
47. • 下載 dhcpd • wget ftp://ftp.isc.org/isc/dhcp/4.1-ESV-R8/dhcp-4.1-ESV-R8.t ar.gz • 設定編譯參數 configure • CC=arm-linux-gnueabihf-gcc ./configure --host=arm- linux --prefix=/path/to/install • 編譯 • make && make install Cross Compile dhcpd
48. • 假設 • 有一個東西可以介接有線和無線 – iptables & ip forwarding • 有一個東西可以發射無線網路的訊號 – AP mode • 有一個東西可以分配網路 – dhcp daemon • 做一個控制的使用者介面 想像所需要的功能
49. 體驗 3 – 在適合的環境下開發 UI
50. App 在嵌入式系統是如何顯示的 ? Framebuffer Hardware Application GUI-ToolKit
51. Native App vs. Browser Based App /dev/fb driver SoC
52. Native App /dev/fb driver SoC 1. 根據 toolkit 寫 ap 2. 執行速度快 3. 可以和系統直接以 IPC 溝通
53. Browser Based App /dev/fb driver SoC 1. 可支援 HTML5 和 CSS3 2. 開發速度快 3. 需要以 plugin 方式擴充
54. 看看別人怎麼做
55. 主要功能表
56. Browser based = web server + 程式
57. • 一個軟體 • 回應從 80/8080 port 進來的 HTTP 要求 • 可透過 CGI 或 module 方式擴充 • 如 Apache, Nginx, Boa 網頁伺服器 http://www.resultantsys.com/index.php/general/what-is-a-web-application-server/
58. • 一個小型的網頁伺服器 • 優點 • 小 , 25 支 C 共 6899 行 • 缺點 • 沒有 access control(authentication) • 無法 chroot • 不支援 SSL • GPLv2 License Boa Web Server (~2005)
59. • 下載 boa • wget http://www.boa.org/boa-0.94.13.tar.gz • 設定編譯參數 configure • CC=arm-linux-gnueabihf-gcc ./configure --host=arm-linux • 編譯 • make && make install Cross Compile Boa
60. 有了 web server 再找一個配合的動態語言
62. • Raspberry Pi 內建 • Script 語言 • 強大的數學功能 • 穩定的套件管理 • 可結合多種 web server • 以 CGI 方式執行 , 存取硬體資源 Python
63. • CGI = Common Gateway Interface • 一個讓程式可以在 web server 被執行的標準 • C, Perl, Python, PHP... • 輸出 / 輸入轉向 • Python CGI CGI
64. 體驗 4 - 存取硬體資源
65. • 控制硬體 (GPIO) • 讀寫 shell command • 用 AJAX 做畫面 以 Python 做控制
66. • A generic pin on an IC General Purpose Input Output(GPIO) http://raspberrypihobbyist.blogspot.tw/2012/09/so-many-inputs-so-few-gpio-pins.html
67. Raspberry Pi 的 GPIO http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals SPI / I2C / UART / PWM
68. 線路圖
69. • Import module • Define pin numbering • Setup up a channel • Input/Output • Cleanup Python Code Flow
70. green = 26 , red = 24 # Define pin numbering try: import RPi.GPIO as GPIO # Import module except RuntimeError: print ("import RPi.GPIO error!!") GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # Setup up a channel cmd = "sudo sysctl net.ipv4.ip_forward=1" result = commands.getstatusoutput(cmd) GPIO.output(green, GPIO.HIGH) # Input/Output GPIO.output(red, GPIO.LOW) # # Input/Output Python Code Example
71. DEMO
72. • 建構嵌入式系統開發環境 • 開發嵌入式系統所需功能 • 設定 iptables 和封包轉送 ( 介接有線和無線 ) • 交叉編譯 hostapd( 發射無線網路的訊號 ) • 交叉編譯 isc-dhcp-server( 分配網路 ) • 在適合的環境下開發 UI • 交叉編譯 Boa( 使用者介面 ) • 交叉編譯 Python( 動態語言 ) • 存取硬體資源 • 接線 , 用 Python 存取硬體 (GPIO) 總結
73. Raspberry Pi Rocks the World Thanks