用 Raspberry Pi 體驗嵌入式系統開發

by 台灣樹莓派

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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 Oct 28, 2013/Raspberry Pi #01

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● Raspberry Pi 好好玩 - 應用篇 ● Raspberry Pi 好好玩 - GPIO 篇相關議程

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● 信用卡大小般的電腦 Raspberry Pi 是什麼 ? http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/

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● 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)

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週邊 + OS http://www.raspberrypi-tutorials.co.uk/starting-up-your-raspberry-pi-device/set-raspberry-pi/

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Raspberry Pi 怎麼玩 ?

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Raspberry Pi 還可以怎麼玩 ?

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看了很多還是不知道怎麼開始

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Raspberry Pi 的軟硬整合之道

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用 Raspberry Pi 體驗嵌入式系統開發 - 自己動手做無線路由器

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● 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

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● 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

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● 無線 (wireless) + 路由器 (router) 無線路由器

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使用情境 http://www.techiestate.com/how-to-set-up-a-wireless-router/

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使用情境 http://www.techiestate.com/how-to-set-up-a-wireless-router/ 實做目標

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● 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

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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

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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

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一個我們熟悉的裝置背後是許多知識 & 功能的集合

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● 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

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體驗 1 - 建構嵌入式系統開發環境

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● 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

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● 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 )

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● 一堆工具 + library ● Compiler ● Linker ● Assembler ● Debugger ● Libraries ● ... Toolchain http://www.aboutdebian.com/compile.htm

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● 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

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● ./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

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● 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

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體驗 2 - 開發嵌入式系統所需功能

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● 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

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● 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

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iptables

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● 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

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封包過濾規則動作與分析流程 http://linux.vbird.org/linux_server/0250simple_firewall.php

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iptables http://linux.vbird.org/linux_server/0250simple_firewall.php

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● NAT = Network Address Translation ● 來源與目的之間的 IP 和 port 轉換 ● POSTROUTING – SNAT/MASQUERADE NAT Table

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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

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體驗 3 – 在適合的環境下開發 UI

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App 在嵌入式系統是如何顯示的 ? Framebuffer Hardware Application GUI-ToolKit

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Native App vs. Browser Based App /dev/fb driver SoC

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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

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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

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看看別人怎麼做

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主要功能表

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Browser based = web server + 程式

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● 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/

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● 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)

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● 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

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有了 web server 再找一個配合的動態語言

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● 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

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● 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

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體驗 4 - 存取硬體資源

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● 控制硬體 (GPIO) ● 讀寫 shell command ● 用 AJAX 做畫面以 Python 做控制

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● 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

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Raspberry Pi 的 GPIO http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals SPI / I2C / UART / PWM

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線路圖

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● Import module ● Define pin numbering ● Setup up a channel ● Input/Output ● Cleanup Python Code Flow

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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

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DEMO

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● 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

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Raspberry Pi Rocks the World Thanks