モミの木、ライトアップ！ パート2：Cソフトウェア、GPIOおよびソフトウェアPWM

こんにちは、Habr！

前回、ナノコンピューターをエグゼクティブ（クリスマスツリーガーランドなど）に簡単に接続し、そのためのC / C ++プログラムを構築するための環境を展開する方法について書きました。 今日は、OpenWRT、したがってBlack Swift用のCプログラムを作成する方法の2番目の部分です。

1. C / C ++でのOpenWRTのガーランド、Black Swift接続およびビルド環境
2. C制御プログラムと直接かつ高速なGPIO操作
3. Web UIとAndroidアプリ

2つの点に注意してください。 まず、メイン関数と#includeディレクティブの役割については説明しません-先ほど言ったように、今は原則としてプログラミングに精通しているが、コンピューターのようなものにどちらの側にアプローチするのかわからない人々に基づいて書いています組み込み用途向け。 もっと正確に言うと、今日のテキストはすでに近づいている人にとってより可能性が高いので、論理入出力ライン（GPIO）やマイクロ秒時間の操作など、いくつかの興味深い点に焦点を当てます。



第二に、もちろん、Cで書く必要はありません。 OpenWRTの下にはPerl、Python、さらにNode.jsがあります。これらは必要ありません。ソフトウェアを構築するための環境はなく、@ runをアップロードするだけです。

GPIOを使用した迅速で簡単な作業

ペアで動作する4つのハーフブリッジドライバーによって制御されるクリスマスツリーガーランドを手に持っています。1つのペアはガーランドの1つの枝の極性を設定し、極性はグローの色を決定します。 明らかに、これを使用するには、パルス幅変調が必要で、十分に具体的である必要があります-非対称、つまり各期間中に各極性が異なる時間にオンになります（最も単純な場合-極性を1つだけ与えると、ガーランドのグローの色が1つだけになります） 。

このスキームは、額に既製のPWMモジュールを適用することを困難にします（OpenWRTには1つあります）-対称的な信号を生成します。つまり、最大の最大値は、色を独立して制御することなく、すべての色でガーランド全体の明るさを同時に調整することです。 したがって、PWMは自分で行う必要があります。

PWMは、基本的なレベルでは、このサイクルでは、最も単純なケースでは、プロセッサのレッグを素早く動かすだけです。

while (true) { if (value > 0) gpioSet(GPIO_NUMBER, 1); for (int i=1; i<=100; i++) if (value == i) gpioSet(GPIO_NUMBER, 0); } 

意味は明らかだと思います。値「value」で、ガーランドのLEDの明るさで表現された目的のデューティサイクルを設定します（極性反転と色管理にはまだ触れていません）。

LinuxのgpioSet（int gpio、intレベル）関数の標準コンテンツは、標準sysfsインターフェースを介してGPIOレッグをプルします。出力Nを1に設定するには、ユニットを疑似ファイル/ sys /クラス/ gpio / gpioN /値に書き込みます。 その前に、/ sys / class / gpio / exportに数値Nを記述して、ユーザーがgpioNを使用できるようにし、/ sys / class / gpioN / directionに「out」という単語を入力して、このGPIOのモードを「出力」に設定します。

この手順には数千の説明があります 。たとえば、 そのうちの1つです 。

 void gpioSet(int gpio, int value) { sprintf(buf, "/sys/class/gpio/gpio%d/value", gpio); fd = open(buf, O_WRONLY); sprintf(buf, "%d", value); write(fd, buf, 1); } 

この方法は単純で、普遍的です（ファイルに書き込むことができない言語を見つけることは困難です）が、 非常に遅いです。 それを使用して花輪を制御する場合、最終的に4本の脚（2組のハーフブリッジ）を引くのに非常に時間がかかるため、400 MHzプロセッサを搭載したBlack SwiftのPWM周波数は約100 Hzになり、低輝度ではLEDがはっきりと点灯しますちらつくのは不快です-一般に対策をスキップし始めます。

幸いなことに、より良い方法があります。 幸いなことに、それほど難しくはありません。簡単です。 簡単です。

 void gpioSet(int gpio, int value) { if (value == 0) *(GPIO_ADDR + 4) = (1 << gpio); else *(GPIO_ADDR + 3) = (1 << gpio); } 

秘Theは、プロセッサ内のGPIOがレジスタを介して制御されることです。レジスタを使用したすべての操作はレジスタを介して行われます。 また、レジスタは通常のメモリにマップされます。 通常のメモリは、通常のデバイス/ dev / memから直接利用できます。 したがって、必要なのは、mmapを使用して目的の小さなピース/ dev / memをメモリにマップし（メモリにメモリ...まあまあ）、このピースの必要なビットをプルすることです。

 if ((m_mfd = open("/dev/mem", O_RDWR) ) < 0) return -1; m_base_addr = (unsigned long*)mmap(NULL, GPIO_BLOCK, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, m_mfd, GPIO_ADDR); close(m_mfd); 

レジスタのメモリへのマッピングは、プロセッサのデータシートに記載されています; AR9331の場合、アドレスはGPIO_ADDR = 0x18040000（ 65ページ ）で始まります 。 また、ベース1の+3および+4のアドレスにも関心があります-GPIO番号に対応するビットにユニットを書き込むと、最初のアドレスでGPIOが1に設定され、2番目のアドレスで0にリセットされます（もしあれば、+ 2のレジスタもありますGPIOをリセットしてインストールできます-目的のビットに0または1を書き込む必要があります）。 GPIOの方向は、ベースアドレスのビットで設定されます（出力の場合は1、入力の場合は0）。

注意：一部のGPIOは多機能であり、これは別のレジスタに設定されます。たとえば、GPIO 9でUARTをオフにするまで、通常の入出力のようには機能しません。 また、GPIO 13〜17は入力として使用できません。

スピード？ 二重非対称PWMの4つのGPIOによる痙攣-約4.5 kHz。 sysfsで作業しているときの約100 Hzに対して、私は思い出します。

ナノスリープによるPWM周期調整

明らかに、このような速度のデイジーチェーン制御は必要ありません。100Hzを超えるものはすべて、特に低輝度でクロックを「失わない」場合に最適です（GPIOで直接動作しません）。 遅延を導入する必要があります。 nanosleep（＆tw、NULL）関数を使用して、標準的に短い遅延が入力されます。

 struct timespec tw; tw.tv_sec = 0; //  tw.tv_nsec = 10000; //  while (true) { if (value > 0) gpioSet(1); for (int i=0; i<100; ++i) { if (value == i) gpioSet(0); nanosleep(&tw, NULL); } } 

理論的には、ここでは、各PWMクロックサイクルごとに10μsの遅延、合計100クロックサイクル-合計1 ms、または1 kHzのPWM周波数（足のけいれんのオーバーヘッドを考慮しない）を取得する必要があります。 コンパイルし、実行し、約140〜150 Hzを取得します。

問題は、OpenWRTおよびそのようなプロセッサで定期的に維持される最小のナノスリープ期間が約60μsであることです。 つまり、関数にtw.tv_nsec = 0を渡しても、スレッドは60μs遅くなります。

幸いなことに、非常に正確ではない原始的なものがありますが、これに対処するための有効な方法：nanosleep（NULL、NULL）の呼び出しには約3μsかかります。

 void nsleep(unsigned long nsecs) { if(nsecs == 0) { nanosleep(NULL,NULL); return; } struct timespec ts; ts.tv_sec=nsecs / 1000000000L; ts.tv_nsec=nsecs % 1000000000L; nanosleep(&ts,NULL); } const int nsleep0_factor=3000; const int nsleep1_factor=70; void _usleep(unsigned long usecs) { if (usecs == 0) return; unsigned long value = (usecs*1000) / nsleep0_factor; if (value > nsleep1_factor) { nsleep((value-nsleep1_factor) * nsleep0_factor); value = value % nsleep1_factor; } for (unsigned long i=0; i < value; ++i) nsleep(0); } 

その結果、_usleepを70マイクロ秒未満呼び出すと、nanosleepを通常呼び出すことはありませんが、nanosleep（NULL、NULL）を何度もスクロールするだけで、各呼び出しには3マイクロ秒かかります。 それは大まかなですが、私たちの目的のためにそれをより正確に必要としません（高品質のPWMが必要な場合、リアルタイムモードを保証するシステムですべて同じハードウェアまたはソフトウェアを行う必要があります-たとえば、UARTを介して通常のATTinyをBlack Swiftに接続する）。

さて、一般に、基本的なブリックは準備ができています-周波数が100ヘルツまたは2ヘルツの完全に安定したソフトウェアPWMを作成できます。

また、このPWMで2組のハーフブリッジを制御することも思い出せますが、これはすでに一般的です：

 for (int i = 0; i < 100; i++) { for (int j = 0; j < 2; j++) { if (i == floor((float)gpioValuePos/brightness)) { gpioSet(gpio[2*j], GPIO_OFF); gpioSet(gpio[2*j+1], GPIO_OFF); } if (i == (100 - floor(((float)gpioValueNeg/brightness)))) { gpioSet(gpio[2*j], GPIO_OFF); gpioSet(gpio[2*j+1], GPIO_ON); } } _usleep(PWM_PERIOD); } 

gpioValuePosとgpioValueNegは2つの極性の値です（もちろん、それらの合計が100を超えてはならないという条件で）、明るさ-これは、ガーランド全体の明るさをすぐに調整できるようにするために事前に定めたものです。 同じレベルの2つのGPIOにインストールすることは、ガーランドをオフにすることと同じです。

ベルとホイッスル

ガーランドを制御するアプリケーションには、他に何が必要ですか？

第一に、明るさは時間の経過とともに何らかの形で変化するはずであり、いくつかのプログラムがある方が良いです。 あなたはあなた自身のスクリプト言語を作ることができます、私はそれを簡単にしました-私はコードに3次元配列を挿入しました、その中に6つのプログラムがそれぞれ4つの段階で、それぞれの2つのペアで保存されます-1つの極性の初期輝度値とその変化の速度。 はい、ガーランドの両方のブランチは同期して動作します。

 int prg[PROGRAMS][4][4] = { { {0, 1, 0, 0}, {99, -1, 0, 0}, {0, 0, 0, 1}, {0, 0, 99, -1} }, { {0, 1, 0, 0}, {0, 0, 0, 1}, {0, 1, 0, 0}, {0, 0, 0, 1} }, { {99, -1, 0, 1}, {0, 1, 99, -1}, {99, -1, 0, 1}, {0, 1, 99, -1} }, { {99, 0, 0, 0}, {99, 0, 0, 0}, {99, 0, 0, 0}, {99, 0, 0, 0} }, { {0, 0, 99, 0}, {0, 0, 99, 0}, {0, 0, 99, 0}, {0, 0, 99, 0} }, { {49, 0, 50, 0}, {49, 0, 50, 0}, {49, 0, 50, 0}, {49, 0, 50, 0} } }; 

つまり、たとえば、最初のプログラム-「+」チャンネルの輝度が徐々に増加し、その後徐々に低下し、次に「-」チャンネルの輝度も増減します。 簡単に言えば、1つの色がフェードインおよびフェードアウトし、別の色が同様にスムーズにフェードインおよびフェードアウトします。 後者では、すべての色のすべてのLEDが常に点灯しています。

次に 、ここにはBlack Swift全体がありますので、Wi-Fi制御を行いましょう。 そして、IPアドレスのないクリスマスツリーガーランドがあっても、最終的にスマートフォンアプリケーションはどのようなオタクですか？ 一般に、通常のWebへのインターフェースを作成する必要があります。

技術的に最も簡単な方法は、UNIXソケットを介して、少なくともPHPから、少なくともコマンドラインから（socatユーティリティを使用して）プッシュできるコマンドを擬似ファイルで制御することです。

 mode_t mask = umask(S_IXUSR | S_IXGRP | S_IXOTH); int s, s2, len; unsigned int t; struct sockaddr_un local, remote; if ((s = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) == -1) { printf("Socket error\n"); return -1; } int flags = fcntl(s, F_GETFL, 0); fcntl(s, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); local.sun_family = AF_UNIX; strcpy(local.sun_path, "/tmp/treelights.sock"); unlink(local.sun_path); len = strlen(local.sun_path) + sizeof(local.sun_family); if (bind(s, (struct sockaddr *)&local, len) == -1) { printf("Socket bind failed\n"); return -1; } if (listen(s, 5) == -1) { printf("Socket listen failed\n"); return -1; } umask(mask); 

ここにあるものはすべて事実上テンプレートです。Webサーバーとアプリケーションが異なるユーザーで動作するシステムでは、最初と最後にumaskを使用した操作が必要であることのみを説明します。 OpenWRTでは、デフォルトではそうではなく、すべてがルートの下にあります。 ソケットの非ブロッキング操作も基本です。そうしないと、最初の呼び出しで全員が立ち上がり、何かがソケットに落ちるまで待機します。

PWM内に、ソケットに該当するものの処理コードを挿入します。

 s2 = accept(s, (struct sockaddr *)&remote, &t); if (s2 > 0) { int i = recv(s2, sockinput, 25, 0); sockinput[i] = 0; // null-terminated string close(s2); cmd[0] = strtok(sockinput, "- \n"); cmd[1] = strtok(NULL, "- \n"); if (strcmp (cmd[0], "brightness") == 0) // set brightness { brightness = atoi(cmd[1]); // 1 is maximum, 2 is half-brightness, etc. } } 

その考えは明確だと思います。 「brightness 2」ソケットを挿入します-花輪の明るさを半分にします。 他のコマンドの処理も同様に追加されます。

他に何を追加しますか？ デバッグ中の手動起動の便宜のために、プログラムがCtrl-Cおよびその他の移動要求に正しく応答するようにします。

 do_exit = 0; static struct sigaction act; sigemptyset (&act.sa_mask); act.sa_flags = 0; act.sa_handler = SIG_IGN; sigaction (SIGHUP, &act, NULL); act.sa_handler = cleanup; sigaction (SIGINT, &act, 0); act.sa_handler = cleanup; sigaction (SIGTERM, &act, 0); act.sa_handler = cleanup; sigaction (SIGKILL, &act, 0); while (!do_exit) { //  -    } 

そして、関数を追加します：

 void cleanup(int sig) { do_exit = 1; } 

これで、OSから割り込み要求で到着した信号がdo_exit変数を1に切り替え、PWMサイクルが終了します（もちろん、do_exitはグローバル変数として宣言するとよいでしょう）。

一般に、それですべてです。 輝度制御、複数の作業プログラム、Webベースの制御を備えた非対称PWMを構築するための既製のレンガがあります。

結果はここにあります： https : //github.com/olegart/treelights （OpenWRTおよびプロジェクト自体のMakefileを含む）（これは、Linuxでソフトウェアをビルドするための通常のMakefileと同じです）。 読者のリクエストに応じたビデオは、第3部にあります（ただし、花輪は見ていませんが、何ですか？）。

もちろん、上記のすべてはすべてのOpenWRTルーターとナノコンピューターに適用されますが、1つの注意点があります。BlackSwiftの場合、通常の100 Hzに対して1000 Hzのタイマーでプリエンプティブマルチタスクを有効にしてコアを構築します。 それがなければ-標準コアでは-PWMはシステムの負荷がかかっても遅くなるか、安定性が低下します。

ただし、OpenWRT用のファームウェアのアセンブリについては、別の機会です。