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C/C++ für Mikrocontroller - Linux HAL

Der Linux Hardware Abstraction Layer (HAL) wird mit den C/C++ Bindings für Mikrocontroller verwendet um mit Bricklets über SPI zu kommunizieren.

Unterstützte Hardware

Dieser HAL wurde mit dem Raspberry Pi bzw. Pi Zero mit dem HAT Brick bzw. HAT Zero Brick getestet, sollte aber mit allen Linux-basierten Systemen mit spidev-Unterstützung funktionieren. Ein performanterer HAL speziell für den Raspberry Pi ist hier verfügbar.

Bemerkung

Der Raspberry Pi 3, 4 und Zero skalieren den Takt des BCM2835 dynamisch. Leider skaliert dies auch die SPI-Taktfrequenz. Die GPU-Kern-Frequenz muss auf einen festen Wert gesetzt werden, damit die SPI-Taktfrequenz stabil ist. Wir empfehlen, die core_freq in /boot/config.txt auf 250 zu setzen. Siehe hier für Details, inbesondere für den Pi 4B, bei dem die core_freq durch andere Boot-Optionen beeinflusst wird.

Wenn eine core_freq ungleich 250 gewählt wird, muss in hal_raspberry_pi.c die BRICKLET_STACK_SPI_CONFIG_MAX_SPEED_HZ-Konstante durch Multiplizieren von 250 / [gewählte core_freq in MHz] kompensiert werden.

Bemerkung

Ein Pegelwandler ist für Geräte, die einen Logik-Pegel von 5V verwenden notwendig.

Test eines Beispiels

Dieser HAL beinhaltet einen Beispiel-Treiber, mit dem alle Beispiele, die den Bindings beigelegt sind, ausgeführt werden können, sowie ein Makefile mit dem diese kompiliert werden können. Damit da Makefile verwendet werden kann muss folgende Orderstruktur erstellt werden:

  • [Hauptordner]/
    • example_driver.c [aus dem hal_linux-Ordner]
    • [hier die gewünschte Beispiel .c-Datei ablegen]
    • Makefile
    • src/
      • bindings/
        • [hier den Inhalt des bindings-Ordners ablegen]
      • hal_linux/
        • [hier den Inhalt des hal_linux-Ordners ablegen]

Nachdem die Orderstruktur abgelegt wurde, muss das Makefile für das Beispiel abgeändert werden: Unter SOURCES_DEVICES muss das Gerät, das verwendet werden soll aufgeführt werden, zum Beispiel für das Industrial Digital In 4 Bricklet 2.0:

SOURCES_DEVICES := src/bindings/bricklet_industrial_digital_in_4_v2.c

Der Quellcode des Beispiels selbst muss zu den SOURCES_EXAMPLE hinzugefügt werden, zum Beispiel:

SOURCES_EXAMPLE := example_edge_count.c

Als nächstes muss die Port-Zuweisung im Beispiel-Treiber auf den Aufbau angepasst werden (siehe dieser Abschnitt). Wenn mehrere Bricklets am selben SPI-Bus verbunden werden sollen (das ist nur mit einem Trenner-Chip möglich), müssen alle Chip-Select-Pins mit dem Pi verbunden und in der Port-Zuweisung aufgeführt werden, selbst wenn noch keine Kommunikation mit den Bricklets gewünscht ist. Das stellt sicher, dass die Signale korrekt getrennt werden.

Der HAT Brick und HAT Zero Brick beinhalten bereits den benötigten Trenner-Chip und die korrekte Port-Zuweisung ist im Beispiel-Treiber aufgeführt.

Möglicherweise muss nun im Beispiel-Treiber der Pfad zum spidev geändert werden. Der Standardwert "/dev/spidev0.0" ist für den :HAT Brick und den HAT Zero Brick korrekt.

Das Programm kann jetzt mit make kompiliert werden. Wenn von einem anderen Rechner aus cross-kompiliert werden soll, kann make CROSS_COMPILE=[compiler-prefix] verwendet werden, zum Beispiel make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- für den Raspberry Pi.

Das Programm kann mit ./uc_example gestartet werden. Es darf dabei kein Brick Daemon auf dem Gerät laufen.

Port-Spezifikations-Format

Ein Port wird als Instanz der TF_Port-Struktur spezifiziert:

struct TF_Port {
    int chip_select_pin;
    char port_name;
}

Relevante Member sind int chip_select_pin und char port_name. Der chip_select_pin ist der Pin, der gesetzt werden muss, um mit dem Port zu kommunizieren. Der port_name ist ein Zeichen, das den Port identifiziert. Der Name wird in die Ergebnisse von tf_[device]_get_identity aufrufen eingefügt, falls das Gerät direkt mit dem Host verbunden ist.

Im Beispiel-Treiber example_driver.c sind Port-Spezifikationen für den HAT Brick und HAT Zero Brick enthalten.

API

Die meisten HAL-Funktionen geben einen Fehlercode (e_code) zurück.

Mögliche Fehlercodes sind (wie in errors.h definiert):

  • TF_E_OK = 0
  • TF_E_TIMEOUT = -1
  • TF_E_INVALID_PARAMETER = -2
  • TF_E_NOT_SUPPORTED = -3
  • TF_E_UNKNOWN_ERROR_CODE = -4
  • TF_E_STREAM_OUT_OF_SYNC = -5
  • TF_E_INVALID_CHAR_IN_UID = -6
  • TF_E_UID_TOO_LONG = -7
  • TF_E_UID_OVERFLOW = -8
  • TF_E_TOO_MANY_DEVICES = -9
  • TF_E_DEVICE_NOT_FOUND = -10
  • TF_E_WRONG_DEVICE_TYPE = -11
  • TF_E_LOCKED = -12
  • TF_E_PORT_NOT_FOUND = -13
  • TF_E_NULL = -14
  • TF_E_DEVICE_ALREADY_IN_USE = -15
  • TF_E_WRONG_RESPONSE_LENGTH = -16
  • TF_E_NOT_INITIALIZED = -17

Der HAL definiert die folgenden weiteren Fehlercodes:

  • TF_E_EXPORT_GPIO_FAILED = -100
  • TF_E_SET_GPIO_DIRECTION_FAILED = -101
  • TF_E_OPEN_GPIO_FAILED = -102
  • TF_E_OPEN_SPI_DEV_FAILED = -103
  • TF_E_SPI_DEV_CONFIG_FAILED = -104
  • TF_E_CHIP_SELECT_FAILED = -105
  • TF_E_TRANSCEIVE_FAILED = -106

Mit tf_hal_strerror() kann eine Fehlerbeschreibung zu einem Fehlercode abgefragt werden.

Grundfunktionen

int tf_hal_create(TF_HAL *hal, const char *spidev_path, TF_Port *ports, uint8_t port_count)

Erstellt ein HAL-Objekt, das verwendet werden kann um die verfügbaren Geräte aufzulisten. Es wird außerdem für den Konstruktor von Bricks und Bricklets benötigt.

  • spidev_path ist der Pfad zum spidev, das verwendet werden soll, zum Beispiel "/dev/spidev0.0".
  • ports ist ein Array von Port-Spezifikationen, wie hier beschrieben.
  • port_count ist die Länge des ports-Array.
int tf_hal_destroy(TF_HAL *hal)

Zerstört den übergebenen TF_HAL.

void tf_hal_set_timeout(TF_HAL *hal, uint32_t timeout_us)

Setzt den Timeout in Mikrosekunden für Getter und Setter für die das Response-Expected-Flag gesetzt ist.

Der Standard-Timeout ist 2500000 (2,5 Sekunden).

uint32_t tf_hal_get_timeout(TF_HAL *hal)

Gibt den Timeout zurück, der von tf_hal_set_timeout() gesetzt wurde.

int tf_hal_get_device_info(TF_HAL *hal, uint16_t index, char ret_uid[7], char *ret_port_name, uint16_t *ret_device_id)

Gibt die UID, den Port und den Device-Identifier für das n-te (=index) gefundene Gerät zurück. Diese Funktion gibt TF_E_DEVICE_NOT_FOUND zurück, wenn der index größer oder gleich der Anzahl gefundener Geräte ist. Damit alle Geräte aufgelistet werden, kann diese Funktion in einer Schleife mit wachsendem index aufgerufen werden, bis einmal TF_E_DEVICE_NOT_FOUND zurückgegeben wird.

int tf_hal_callback_tick(TF_HAL *hal, uint32_t timeout_us)

Pollt auf allen Geräten mit registriertem Callback-Handler nach Callbacks. Blockiert für die übergebene Zeit in Mikrosekunden.

Diese Funktion kann nicht-blockierend verwendet werden, indem sie mit einem Timeout von 0 aufgerufen wird. Die Bindings pollen dann ein einziges Gerät nach einem Callback, indem sie ein Byte über SPI senden und empfangen. Falls kein Callback verfügbar ist, wird die Funktion sofort beendet. Wenn das Gerät beginnt ein Callback zu schicken, wird es empfangen, bestätigt und der Callback-Handler wird ausgeführt.

Diese Funktion pollt mit einem Round-Robin-Scheduler über mehrere Aufrufe. Das heißt dass selbst wenn immer mit einem Timeout von 0 gepollt wird, alle Geräte so fair wie möglich abgefragt werden.

bool tf_hal_deadline_elapsed(TF_HAL *hal, uint32_t deadline_us)

Gibt true zurück, wenn die übergebene Deadline in Mikrosekunden abgelaufen ist, ansonsten false. Robust gegen Überläufe bis zu UINT32_MAX / 2.

int tf_hal_get_error_counters(TF_HAL *hal, char port_name, uint32_t *ret_spitfp_error_count_checksum, uint32_t *ret_spitfp_error_count_frame, uint32_t *ret_tfp_error_count_frame, uint32_t *ret_tfp_error_count_unexpected)

Gibt die Fehlerzähler für den übergebenen Port zurück. Folgende Fehler werden gezählt:

  • spitfp_error_count_checksum: Empfangene SPITFP-Pakete die wegen falscher Checksumme ignoriert wurden
  • spitfp_error_count_frame: Empfangene SPITFP-Pakete mit invalider Länge
  • tfp_error_count_frame: Empfangene TFP-Pakete mit invalider Länge
  • tfp_error_count_unexpected: Empfangene TFP-Pakete die unerwartet waren, da sie auf unbekannte Anfragen antworten
void tf_hal_log_error(const char *format, ...)

Loggt einen Fehler, falls das Log-Level in bindings/config.h TF_LOG_LEVEL_ERROR oder höher ist. Unterstützt eine Teilmenge der normalen printf-Syntax. Siehe tf_hal_printf() für Details.

void tf_hal_log_info(const char *format, ...)

Loggt eine Information, falls das Log-Level in bindings/config.h TF_LOG_LEVEL_INFO oder höher ist. Unterstützt eine Teilmenge der normalen printf-Syntax. Siehe tf_hal_printf() für Details.

void tf_hal_log_debug(const char *format, ...)

Loggt eine Debug-Meldung, falls das Log-Level in bindings/config.h TF_LOG_LEVEL_DEBUG oder höher ist. Unterstützt eine Teilmenge der normalen printf-Syntax. Siehe tf_hal_printf() für Details.

void tf_hal_printf(const char *format, ...)

Diese Funktion ist eine minimalistische printf-Implementierung. Die folgenden Platzhalter werden unterstützt:

  • %[präfix]u: Eine vorzeichenlose Ganzzahl in Basis 10
  • %[präfix]d: EIne vorzeichenbehaftete Ganzzahl in Basis 10
  • %[präfix]b: Eine vorzeichenlose Ganzzahl in Basis 2
  • %[präfix]x and %[präfix]X: Eine vorzeichenlose Ganzzahl in Basis 16, in beiden Fällen mit Kleinbuchstaben.
  • %c: Ein einzelnes Zeichen
  • %s: Ein null-terminierter String
  • %%: Ein Prozentzeichen

Mit den Präfixen kann die Breite von Ganzzahlen kontrolliert werden. Valide Präfixe sind I8, I16, I32 und I64. Zum Beispiel kann %I16x als Platzhalter verwendet werden um eine 16-Bit Zahl hexadezimal auszugeben.

Padding, gruppierungen, l-Modifikatoren oder ähnliches, oder Floats werden nicht unterstützt.

Der Zeilenumbruch \n wird in den oder die plattformspezifischen Zeilenumbruchs-Zeichen übersetzt.

const char *tf_hal_strerror(int e_code)

Gibt eine Beschreibung für den übergebenen Fehlercode zurück.