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E-Book

Embedded Linux mit Raspberry Pi und Co.

AutorRalf Jesse
Verlagmitp Verlags GmbH & Co. KG
Erscheinungsjahr2016
Reihemitp Professional 
Seitenanzahl408 Seiten
ISBN9783958450622
FormatePUB/PDF
Kopierschutzkein Kopierschutz/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis9,99 EUR
Embedded-Linux-Kernel erzeugen Treiber und Kernelmodule entwickeln Praxisbeispiele mit LED-Matrix und LC-Displays Raspberry Pi, BeagleBone Black, CubieBoard und Co. haben dazu beigetragen, das Interesse an Embedded Linux sowie dessen Programmierung und Nutzung für alltägliche Dinge zu wecken. Es wird verstärkt immer mehr auch im industriellen Umfeld eingesetzt. Dieses Buch vermittelt die Grundlagen, die für den produktiven Einsatz von Embedded Linux notwendig sind. Ralf Jesse führt am Beispiel des beliebten Minicomputers Raspberry Pi in die Handhabung und Weiterentwicklung von Embedded Linux ein. Er behandelt alle Schritte, die für die Entwicklung von Embedded-Linux-Systemen wichtig sind: Aufsetzen und Nutzen einer sogenannten Cross-Development-Plattform auf der Basis eines in einer virtuellen Maschine ausgeführten Desktop Linux Übertragen der entwickelten Software auf das Zielsystem Grundlagen von Shellscripts für komfortablere Softwareentwicklung Vermittlung der für den Bau eines Kernels und des root-Dateisystems benötigten Kenntnisse Einfaches Starten und Testen des Kernels unter Einsatz des Bootmanagers 'Das U-Boot' instieg in die Entwicklung von Gerätetreibern und Kernelmodulen Das Buch richtet sich an alle, die 'mehr' aus ihrem Embedded System herausholen wollen. Die dafür erforderlichen Linux-Kenntnisse sind keine Voraussetzung, sondern werden im Buch erarbeitet. Alternative Ansätze auf der Basis anderer Minicomputer werden ebenfalls aufgezeigt. Somit ist das Buch für alle relevant, die Embedded Linux als Betriebssystem einsetzen wollen, unabhängig von der verwendeten Hardware. Aus dem Inhalt: Linux-Grundlagen Shell-Programmierung Netzwerkanbindung Aufbau einer Cross-Entwicklungsumgebung Erstellen eines Embedded-Linux-Kernels Erzeugen eines root-Dateisystems Der Bootprozess für verschiedene Embedded PCs: Raspberry Pi, BeagleBone Black und Cubieboard Einstieg in die Entwicklung von Treibern und Kernelmodulen Template für eigene Treiber Ansteuerung von Hardware Praxisbeispiele: Schieberegister, Ansteuerung von 8x8-LED-Matrizen, Steuerung von textbasierten LC-Displays

Ralf Jesse ist Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik mit mehr als 25 Jahren beruflicher Praxis im Einsatz von Mikroprozessoren und -controllern. Nach ersten Erfahrungen als Entwicklungsingenieur in einem Maschinenbau-Unternehmen folgten mehr als 20 Jahre als Software-Ingenieur in einem großen japanischen Konzern.

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Leseprobe

Einleitung


Embedded Linux? hat nicht zuletzt durch die Artikel in Spiegel Online (2012) und Focus Online (2013) einen sehr hohen Bekanntheitsgrad erlangt. Dass Embedded Linux Programmierern, »Makern« und professionellen Hard- und Softwareentwicklern bereits bekannt war, kann man getrost voraussetzen. Anders ist dies bei »normalen« Anwendern: Dass die Hersteller aktueller Blueray-Disk-Player oder des neuen Smart-TV sowie von Wasch- und Geschirrspülmaschinen oder Wäschetrocknern Embedded Linux sehr häufig für die Steuerung der Elektronik und die Benutzerführung einsetzen, war der Allgemeinheit vor Erscheinen dieser Artikel vermutlich nicht geläufig. Dass Android, das Betriebssystem für Smartphones, ebenfalls einen (Embedded-)Linux-Kern hat, war vielen Anwendern wahrscheinlich ebenfalls unbekannt.

Die sehr beliebten Mini-Computer Raspberry Pi?, BeagleBone Black? und »Kollegen« haben dazu beigetragen, das Interesse an den Grundlagen von Embedded Linux sowie dessen Programmierung und Nutzung für alltägliche Dinge zu wecken, wie die Steuerung von Markisen und der Wohnraum-Beleuchtung oder die Regelung von Heizungsanlagen während der Abwesenheit: Viele Anwender, die früher nicht daran gedacht haben, sich mit diesem – zugegebenermaßen – komplexen Thema zu befassen, haben in dieser Beschäftigung ein interessantes Hobby und möglicherweise den Einstieg in eine neue berufliche Herausforderung gefunden.

Dieses Buch soll Ihnen unter Einsatz des Raspberry Pi den Einstieg in die Welt von Embedded Linux ebnen. Da die vermittelten Grundlagen allgemeingültig sind, können Sie die Erkenntnisse ebenfalls auf andere Embedded PCs übertragen. Sie werden erfahren, wie Sie eine Cross-Entwicklungsumgebung aufsetzen, wie Sie Daten zwischen dem Entwicklungs-PC und dem Zielgerät (dem Embedded PC) austauschen, wie Sie den Entwicklungsaufwand durch den Einsatz von »Das U-Boot« weiter reduzieren und optimieren können, und Sie lernen den Einstieg in die Treiberprogrammierung kennen. Ein vereinfachter Einstieg in die Shellprogrammierung zeigt Ihnen die Nutzung der wichtigsten Systemkommandos, sodass Sie in die Lage versetzt werden, eigene Shellscripts zu entwickeln bzw. bereits vorhandenes Wissen aufzufrischen. Das Ende jedes Kapitels umfasst eine Übersicht über ausgewählte weiterführende Literatur zum behandelten Stoff, sodass Sie die erworbenen Kenntnisse problemlos entsprechend Ihren eigenen Wünschen und Vorstellungen vertiefen können.

Als zwingend werden mittlere bis gute Kenntnisse der Programmiersprache C und der englischen Sprache vorausgesetzt. Die Gründe hierfür sind, dass der Kernel von Embedded Linux zu einem bedeutenden Teil in dieser Programmiersprache geschrieben wurde und wesentliche weiterführende Literatur – auch in Form von Datenblättern – nur in englischer Sprache verfügbar ist. Ebenfalls vorausgesetzt wird, dass Sie wissen, wie Ihr Mini-Computer in Betrieb genommen wird: Informationen zur Beschaffung und Installation des Betriebssystems vermittelt dieses Buch nicht!

Besondere Kenntnisse der Elektronik werden nicht vorausgesetzt, obwohl gewisse Grundlagen hier sehr hilfreich sind! Sie werden später beispielsweise Leuchtdioden sowohl direkt (Kapitel 4) als auch unter Einsatz von Schieberegistern ansteuern (Teil IV, Praxisteil I): Dass ohmsche Widerstände den elektrischen Strom begrenzen und somit eine Überlastung der GPIO-Leitungen oder hieran angeschlossener elektronischer Komponenten vermeiden, sollte als Basiswissen vorhanden sein.

Zielgruppe dieses Buches


Dieses Buch richtet sich an alle, die »mehr« aus ihrem Embedded System herausholen wollen. Diese Gruppe umfasst mit Ausnahme »echter« Linux-Profis alle Anwender vom Hobbyisten und interessierten Laien über Studenten aller technischen Fachrichtungen bis hin zu denjenigen, die ihr Geld mit der Programmierung von Computern oder der Entwicklung elektronischer Schaltungen verdienen, sich aber bisher noch nicht vertiefend mit Linux oder Embedded Linux beschäftigt haben.

An der Definition der Zielgruppe für dieses Buch erkennen Sie, dass Linux-Kenntnisse nicht erforderlich sind: Die erforderlichen Grundlagen für einen erfolgreichen Einsatz sowie für die Einarbeitung in vertiefende Aspekte werden in diesem Buch erarbeitet.

Das Buch ist in vier Teile gegliedert, von denen der erste Teil einen »sanften« Einstieg in die Embedded-Linux-Welt darstellt.

Teil I

In Kapitel 1 werden Sie den Unterschied zwischen sogenannten Bare-Metal-Mikrocontroller-Systemen und Mikrocontroller-Systemen mit Betriebssystem sowie den Unterschied zwischen dem Kernel »Linux« und Linux-Distributionen kennenlernen. Sie erfahren hier auch den Unterschied zwischen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern. Im Anschluss erhalten Sie – ebenfalls noch in Kapitel 1 – einen Überblick über die grundlegende Architektur von Linux und Embedded Linux. Den Abschluss von Kapitel 1 bildet eine Beschreibung der Parallelinstallation von Linux Mint zu einem bereits vorhandenen Windows-Betriebssystem bzw. der Installation von Linux Mint in einer virtuellen Maschine. Die Durchführung einer dieser Varianten ist sehr empfehlenswert, da die »Rechenpower« des Raspberry Pi im Vergleich zu Standard-PCs – gelinde gesagt – unterdurchschnittlich ist: Wenn es später im Buch darum geht, einen eigenen Kernel zu entwickeln, werden Sie die Vorteile des sogenannten Cross-Developments zu schätzen wissen.

Kapitel 2 befasst sich im ersten Schritt mit der Installation und der Basiskonfiguration von Samba. Hierdurch lässt sich der Mini-Computer in ein bereits vorhandenes (Heim-)Netzwerk integrieren. Dies ist nicht immer erwünscht oder erforderlich. Es muss dann aber eine andere Möglichkeit vorhanden sein, um die Software vom Host auf das Target zu übertragen und dort zu testen. Für diese Anforderung liefert Kapitel 2 ebenfalls eine Antwort. Der überwiegende Teil von Kapitel 2 beschreibt die Verzeichnisstruktur eines typischen Unix- oder Linux-Betriebssystems, also auch die eines Embedded Linux.

In Kapitel 3 steht die Programmierung der Shell im Vordergrund. Die Shell ist ein wesentlicher Aspekt für die Beherrschung von Linux/Embedded Linux. Steht auf einem Desktop-Linux in der Regel eine grafische Benutzeroberfläche auch für die Systemverwaltung zur Verfügung, so existiert diese Möglichkeit auf Embedded-Systemen in der Regel aufgrund der stark eingeschränkten Ressourcen (CPU-Taktung, Mangel an Arbeitsspeicher, Festplattenspeicher etc.) nicht. Dieses Kapitel liefert eine grundlegende Einführung in die wichtigsten Aspekte der Shell-Programmierung.

Bevor der Einstieg in die Shell-Programmierung erfolgt, werden aber zunächst die Programme man und info vorgestellt, da sie sehr ausführliche Informationen zu den einzelnen Kommandos zur Verfügung stellen. Darüber hinaus geht es vorher um die Ein- und Ausgabeumlenkung. Im Anschluss werden dann aber endlich die wichtigsten Features zum Einsatz der bash beschrieben. Hierzu zählen Shell-Variablen, die Programmierung von Alternativen (if-then-elif-else-fi sowie case-esac) bzw. Abfragen sowie die Programmierung von Schleifen.

Kapitel 4 beschreibt den Aufbau einer Cross-Entwicklungsumgebung für Software, die später auf dem Embedded PC ausgeführt werden soll. Ich habe mich hier für Code::Blocks entschieden, einer integrierten Entwicklungsumgebung, die für Windows-, Linux- und Mac-OS-X-Systeme verfügbar ist. Der besondere Charme dieser Entwicklungsumgebung liegt darin, dass sie vollständig in der Programmiersprache C++ geschrieben wurde, sodass die Abhängigkeit von weiterer Software entfällt, wie einer Java-Laufzeitumgebung: Durch die Installation von systemspezifischer Software, die grundsätzlich immer für die Softwareentwicklung benötigt wird, sind alle Abhängigkeiten automatisch erfüllt. Der Brite Gordon Henderson hat für den Raspberry Pi die Bibliothek wiringPi entwickelt und als Open-Source-Software der Community zur Verfügung gestellt. Kapitel 4 beschreibt die Beschaffung dieser Bibliothek und bietet darüber hinaus einen ersten Einstieg in ihre Nutzung.

Teil II

Kapitel 5 beschreibt, wie Sie einen eigenen Embedded-Linux-Kernel bauen und in Betrieb nehmen. Hierbei handelt es sich um einen Standardkernel ohne weitere Modifikationen. Wenn Sie zu einem späteren Zeitpunkt einen eigenen Kernel entwickeln wollen, so zeigt Ihnen dieses Kapitel, worauf Sie zu achten haben. Diese Beschreibung liegt in einer Schritt-für-Schritt-Form vor, sodass Sie sie auch als eine Art Checkliste betrachten können. Dass auch Alternativen für die meisten der erforderlichen Schritte erläutert werden, erweitert den Horizont und zeigt, dass im Regelfall immer mehrere Varianten zum gewünschten Ergebnis führen.

In Kapitel 6 wird gezeigt, wie Sie ein root-Dateisystem von Hand erzeugen können. Mit dem Wissen aus Kapitel 3, dem Verstehen des Shellscripts mkrpi aus Kapitel 5 sowie der in diesem Kapitel beschriebenen Vorgehensweise sollten Sie in der Lage sein, die hier durchgeführten Schritte selbst mit einem Shellscript zu automatisieren. Der Fokus liegt hierbei auf dem...

Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Cover1
Impressum4
Inhaltsverzeichnis5
Einleitung11
Teil I: Einführung und Einrichtung einer Entwicklungsumgebung17
Kapitel 1: Embedded Linux19
1.1 Desktop-Betriebssysteme19
1.2 Bare-Metal vs. Betriebssystem20
1.2.1 Mikroprozessoren vs. Mikrocontroller21
1.3 Embedded Betriebssysteme22
1.4 Die Architektur von Linux23
1.4.1 Erläuterungen23
1.5 Beliebte Linux-Distributionen27
1.6 Linux installieren29
1.6.1 Parallele Installation von Linux Mint zum vorhandenen Betriebssystem30
1.6.2 Installation von Linux Mint in VirtualBox32
1.7 Erfahrungen Linux Mint + VirtualBox39
1.7.1 Größe der virtuellen Festplatte ändern39
1.7.2 Zielpartition für VirtualBox festlegen40
1.7.3 Umziehen der virtuellen Maschine40
1.7.4 Nicht genügend Arbeitsspeicher42
1.8 Weiterführende Literatur42
Kapitel 2: Netzwerkanbindung43
2.1 Datenaustausch zwischen Host und Embedded System43
2.1.1 Samba43
2.1.2 FileZilla52
2.1.3 Daten austauschen mit scp55
2.2 Verzeichnisstruktur von Linux/Raspbian60
2.2.1 /bin61
2.2.2 /boot62
2.2.3 /dev62
2.2.4 /etc63
2.2.5 /home63
2.2.6 /lib64
2.2.7 /lost+found65
2.2.8 /media65
2.2.9 /mnt65
2.2.10 /opt65
2.2.11 /proc65
2.2.12 /root66
2.2.13 /run67
2.2.14 /sbin67
2.2.15 /selinux67
2.2.16 /srv67
2.2.17 /sys67
2.2.18 /tmp67
2.2.19 /usr67
2.2.20 /var68
2.3 Neue Benutzer und Gruppen einrichten68
2.3.1 Einen User hinzufügen bzw. entfernen68
2.3.2 Gruppen hinzufügen bzw. entfernen69
2.4 Weiterführende Literatur69
Kapitel 3: Shell-Programmierung71
3.1 Erste Schritte72
3.1.1 Die Kommandos »man« und »info«72
3.2 Geschichte der Shells73
3.3 Die Bourne-again-Shell – bash73
3.3.1 Ein- und Ausgabeumleitung74
3.3.2 Shell-Variablen78
3.3.3 Kommentare85
3.3.4 Systemkommandos in Shellscripts85
3.3.5 Mehrere Kommandos in einer Zeile87
3.3.6 Bedingungen/Vergleiche88
3.3.7 Funktionen in Shellscripts92
3.3.8 Schleifen102
3.3.9 Professionelle Übergabe von Argumenten106
3.3.10 Einschränkungen bei Shellscripts111
3.4 Weiterführende Literatur112
Kapitel 4: Cross-Toolchains113
4.1 Cross-Toolchains für Raspberry Pi B+113
4.1.1 Toolchain und IDE für Windows115
4.1.2 Toolchain und IDE für Linux (Mint)116
4.1.3 Toolchain und IDE für Mac OS X118
4.2 Die Bibliothek wiringPi118
4.2.1 Herunterladen von wiringPi119
4.2.2 wiringPi »bauen«120
4.2.3 Funktionen in wiringPi121
4.2.4 Weitere Informationen zu wiringPi121
4.2.5 Anschlussbelegung des Raspberry Pi B+122
4.3 Konfiguration von Code::Blocks123
4.3.1 Auswahl des Compilers124
4.3.2 Einstellen der Compiler-Optionen124
4.3.3 Bibliothek(en) hinzufügen125
4.3.4 Erweitern des Suchpfades126
4.3.5 Toolchain executables127
4.3.6 Testen der Toolchain128
4.4 crosstool-ng134
4.4.1 Vorarbeiten135
4.4.2 Erstellen und installieren von crosstool-ng136
4.4.3 Toolchain konfigurieren137
4.5 Weiterführende Literatur141
Teil II: Techniken zur Programmierung von Kernel und rootfs143
Kapitel 5: Raspbian – der Kernel145
5.1 Überblick146
5.1.1 Einmalig durchzuführende Schritte146
5.1.2 Zu wiederholende Schritte146
5.2 Kernel erzeugen – detaillierte Anleitung147
5.2.1 Einmalig durchzuführende Schritte – Details147
5.2.2 Zu wiederholende Schritte151
5.3 Das Shellscript mkrpi166
5.3.1 mkrpi – das Listing zum Shellscript167
5.3.2 Funktion und Anwendung von mkrpi175
5.4 Weiterführende Literatur180
Kapitel 6: Das root-Dateisystem – rootfs181
6.1 rootfs erzeugen182
6.1.1 Benötigte Software183
6.1.2 Die nächsten Schritte185
6.1.3 Imagedatei erzeugen198
6.1.4 Schreiben der Boot-Partition203
6.1.5 Schreiben des root-Dateisystems205
6.1.6 Das Ende naht ...206
6.2 Alternative Methode207
6.2.1 Beschaffung und Anwendung von Buildroot208
6.3 Weiterführende Literatur215
Kapitel 7: Der Bootprozess217
7.1 Bare-Metal-Systeme217
7.2 Geräte mit Betriebssystem218
7.2.1 Der Bootprozess des Raspberry Pi218
7.2.2 Der Bootprozess beim BeagleBone Black BBB219
7.2.3 Der Bootprozess beim Cubieboard219
7.3 Allgemeine Beschreibung des Bootvorgangs220
7.3.1 Bootloader220
7.3.2 Die Aufgabe von Bootloadern221
7.4 Das U-Boot und der Raspberry Pi224
7.4.1 Sourcecode von »Das U-Boot«224
7.5 Weiterführende Literatur241
Teil III: Grundlagen der Treiberentwicklung243
Kapitel 8: Treiber und Module I245
8.1 Auffrischung246
8.2 »Normale« Dateien und Gerätedateien247
8.2.1 Schnittstellen zwischen User Space und Kernel248
8.2.2 Schnittstellen zwischen Kernel und Hardware249
8.2.3 Wichtige Programme im User Space251
8.3 Weitere Voraussetzungen255
8.4 Das erste Kernelmodul256
8.4.1 Quelltext des Moduls und Makefile257
8.4.2 Kompilieren des Moduls258
8.4.3 Modul testen258
8.4.4 Details zu nix.c/nix.ko261
8.4.5 kbuild261
8.5 Ein weiteres einfaches Kernelmodul263
8.5.1 Der Sourcecode263
8.5.2 Log-Level265
8.5.3 Kernelmodul ausprobieren265
8.6 Moderne Variante von hellodriver266
8.6.1 Moderne Variante des hellodriver-Moduls267
8.7 Ende der Einführung268
8.8 Weiterführende Literatur269
Kapitel 9: Treiber und Module II271
9.1 Auf dem Weg zu einem richtigen Gerät271
9.1.1 Funktionen, Makros, Datentypen271
9.1.2 Der Sourcecode279
9.2 Weiterführende Literatur290
Kapitel 10: Treiber und Module III291
10.1 Checkliste für die Treiberentwicklung291
10.1.1 Headerdateien291
10.1.2 Die Struktur file_operations292
10.1.3 Initialisierung eines Treibers/Moduls293
10.1.4 Entfernen von Treibern/Modulen295
10.1.5 Funktion mydevice_open296
10.1.6 Funktion mydevice_close297
10.1.7 Schreiben und Lesen298
10.1.8 The End300
10.1.9 Generelle Erklärung einiger Funktionen301
10.2 Ansteuerung »echter« Hardware303
10.2.1 GPIO-Funktionen304
10.2.2 GPIOs anwenden306
10.2.3 (Mögliche) Erweiterung des Treibers310
10.3 Weiterführende Literatur312
Teil IV: Treiberentwicklung in der Praxis313
Kapitel 11: Praxis I315
11.1 Das serielle Schieberegister SN74HC595315
Kapitel 12: Praxis II329
12.1 Der Baustein Maxim 7219329
12.1.1 Beschreibung des Maxim 7219330
12.1.2 Zeitverhalten bei der Ansteuerung331
12.1.3 Kaskadieren mehrerer Maxim 7219/7221332
12.2 Ansteuerung einer 8 x 8-LED-Matrix333
12.2.1 Der Schaltplan333
12.3 Die Treibersoftware335
12.3.1 Das Makefile336
12.3.2 Die Headerdatei max7219.h337
12.3.3 Der C-Sourcecode max7219imp.c338
12.3.4 Das Testprogramm für den Treiber346
12.3.5 Verbesserungsvorschläge351
12.4 Ansteuerung von 7-Segment-Anzeigen352
Kapitel 13: Praxis III353
13.1 Der HD44780 – Aus dem Datenblatt353
13.2 Die Hardware355
13.3 Die Headerdatei hd44780.h356
13.3.1 Einige Erläuterungen359
13.4 Der Treiber hd44780.c361
13.4.1 Erläuterung des Programms371
13.5 Das Testprogramm im User Space375
13.6 Weiterführende Literatur380
Anhang A: Literaturverzeichnis381
A.1 Embedded Systeme, Architektur etc.381
A.2 VirtualBox381
A.3 Samba381
A.4 Shell-Programmierung381
A.5 Toolchains und Bibliotheken382
A.6 Bootstrapping, Buildroot etc.382
A.7 Der Bootprozess382
A.8 Pointer und Strukturen in C382
A.9 Das Kernel-Buildsystem und Treiber382
A.10 Bücher383
Anhang B: Belegung der GPIO-Ports385
B.1 GPIO-Belegung gemäß wiringPi385
B.2 GPIO-Belegung gemäß Broadcom386
Anhang C: Safety und Security387
C.1 Security387
C.2 Safety388
C.2.1 Maßnahmen in der Automobilindustrie388
C.2.2 Umsetzung in der Programmierung389
C.3 Ergänzende Literatur390
Anhang D: Kopieren mit scp391
Anhang E: Code::Blocks393
E.1 Projekteinstellungen393
E.1.1 Properties394
E.1.2 Build options ...395
Stichwortverzeichnis397

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