Ethernet i AVR–y, cz.1.pdf

K U R S

Ethernet i AVR–y

Ethernut od podstaw, część 1

Jeszcze niedawno korzystanie z sieci lokalnych

i Internetu pozwalały wyłącznie duże komputery.

Dziś łatwo dostępne, tanie i szybkie mikrokontrolery

oraz kontrolery sieciowe umożliwiają taki dostęp

również samodzielnie konstruowanym urządzeniom

elektronicznym. Ethernet stał się dla nich

wygodnym środkiem komunikacji i uzupełnił,

a często zastąpił, dotychczas stosowane interfejsy

umożliwiające wymianę danych z innymi urządzeniami,

np. port szeregowy. O ile UART da się oprogramować w kilku

linijkach kodu i jest to łatwe zadanie nawet dla początkującego

elektronika, o tyle napisanie od początku najprostszego programu dla

mikrokontrolera wykorzystującego sieć opartą na protokole TCP/IP

wymaga mnóstwa czasu i wiedzy. Na szczęście nie musimy tego

robić, powstały bowiem sieciowe systemy operacyjne, przeznaczone

dla małych mikrokontrolerów. Jednym z nich jest Nut/OS, znany

również jako Ethernut. W artykule omówię możliwości tego systemu,

opiszę sposób instalacji i posługiwania się bibliotekami Nut/OS–a oraz

przedstawię jego przykładowe zastosowania.

takie uproszczenia jest niezbyt wy-

godny interfejs programistyczny. Dzię-

ki integracji z systemem operacyjnym,

Nut/Net jest łatwy w obsłudze, o czym

przekonacie się w dalszej części arty-

kułu.

Oto niektóre z jego możliwości:

– obsługa protokołów TCP/IP: ARP,

IP, TCP, UDP, ICMP,

– obsługa kilku najpopularniej-

szych kontrolerów Ethernet,

m.in. RTL8019AS, CS8900,

LAN91C111, DM9000,

– możliwość łączenia się z Interne-

tem za pomocą protokołu PPP

(modem),

– wbudowany serwer WWW o spo-

rych możliwościach – skrypty CGI,

dynamiczne generowanie zawar-

tości stron, autoryzacja użytkowni-

ków,

– autokonﬁguracja interfejsu siecio-

wego z wykorzystaniem DHCP,

– wbudowane resolvowanie nazw ho-

stów ,

– bardzo prosty interfejs programi-

styczny, naśladujący „pecetowe”

sockety .

Nut/OS – ogólnie

Nut/OS to wielowątkowy sys-

tem operacyjny czasu rzeczywistego

(RTOS) stworzony przez niemiecką ﬁr-

mę Egnite. Kod źródłowy systemu jest

objęty bardzo liberalną licencją BSD,

co umożliwia tworzenie bazujących

na nim komercyjnych aplikacji, na-

wet o zamkniętym kodzie źródłowym.

Należy jedynie zaznaczyć, że produkt

używa systemu Ethernut. Nut/OS jest

dostępny dla kilku platform sprzęto-

wych oraz obsługuje sporo urządzeń

peryferyjnych, a wszystko to można

łatwo dopasować do własnych wyma-

gań. Obecnie obsługiwane są następu-

jące rodziny mikrokontrolerów:

– Atmel AVR (Atmega103/Atmega-

128),

– ARM (Atmel),

– Renesas H8/300H.

System napisano w języku C z nie-

wielką liczbą wstawek asemblerowych,

bardzo przejrzyście i modularnie, dla-

tego stworzenie wersji na inny proce-

sor nie powinno sprawiać kłopotów.

Nut/OS udostępnia programiście ty-

powe mechanizmy wielozadaniowego

systemu operacyjnego:

– wielowątkowość z podziałem czasu

procesora,

– zarządzanie pamięcią, dynamiczną

alokację RAM–u,

– komunikację międzyprocesową

( events ),

– obsługę systemów plików (UROM

i FAT),

– sterowniki urządzeń,

– timery (jednorazowe i okresowe),

– wysokopoziomową obsługę prze-

rwań.

Wymienione cechy stanowią mini-

malną funkcjonalność jądra systemu,

konieczne do uruchomienia najważ-

niejszego elementu Nut/OSa – stosu

TCP/IP Nut/Net. Oczywiście istnieją

stosy, które obywają się bez wymie-

nionych mechanizmów, ale ceną za

Środowisko uruchomieniowe

Jako platformę do uruchamiania

i testowania aplikacji Nut/OS wykorzy-

stałem zestaw składający się z trzech

modułów ﬁrmy Kamami: ZL1ETH

(uniwersalny interfejs Ethernet z ukła-

dem RTL8019 i gniazdkiem RJ45 zinte-

growanym z transformatorem), ZL9AVR

(płyta bazowa z wyposażeniem umoż-

liwiającym budowanie własnych apli-

kacji ethernetowych), ZL7AVR (moduł

dipAVR z mikrokontrolerem ATmega-

128). Kompletny zestaw pokazano na

fot. 1 .

Co to jest stos TCP/IP

TCP ( Transmission Control Protocol ) jest to strumieniowy protokół komunikacji pomiędzy dwoma

komputerami. Został stworzony przez Vintona Cerfa i Roberta Kahna. Jest on częścią większej

całości określanej jako stos TCP/IP. W modelu OSI TCP odpowiada warstwie transportowej.

TCP zapewnia wiarygodne połączenie dla wyższych warstw komunikacyjnych zabezpieczanych za

pomocą sum kontrolnych i numerów sekwencyjnych pakietów. Brakujące pakiety są obsługiwane

przez żądania retransmisji. Host odbierający pakiety TCP porządkuje je według numerów sekwen-

cyjnych tak, by przekazać wyższym warstwom modelu OSI pełen, złożony segment.

Fragment informacji z http://pl.wikipedia.org/wiki/TCP

Elektronika Praktyczna 12/2006

K U R S

Mikrokontroler ATmega128 zainsta-

lowany na płytce ZL7AVR jest takto-

wany sygnałem zegarowym o często-

tliwości 16 MHz. Na płytce bazowej

umieszczono m.in. 32 kB statycznej

pamięci RAM, niezbędnej do prawi-

dłowej pracy systemu.

Zestaw ten jest w pełni zgodny

ze specyﬁkacją Ethernut I, ale nieco

lepiej wyposażony od wersji mini-

malnej: wprowadzono dodatkowe ele-

menty często używane w systemach

mikroprocesorowych – prostą klawia-

turę, diody LED, złącze dla wyświe-

tlacza alfanumerycznego LCD, 2 porty

szeregowe RS232, złącze konwertera

USB2RS232 oraz JTAG.

Do kompilacji projektów i biblio-

tek Nut/OS–a posłuży dobrze zna-

ne środowisko WinAVR oparte na

AVR–owej wersji kompilatora GCC.

Uruchomimy w ten sposób kompi-

lację źródeł systemu, trwającą, w za-

leżności od szybkości komputera, od

kilkunastu sekund do kilku minut.

Jeżeli wszystko przebiegnie bez zakłó-

ceń, na ekranie zobaczymy komunikat

o pomyślnej kompilacji Nut/OS-a.

c:\nutbuild> make install

Polecenie to przekopiuje skompi-

lowane przed chwilą biblioteki, pliki

nagłówkowe oraz narzędzie crurom

do katalogu, w którym jest zainstalo-

wany kompilator AVR–GCC (WinAVR).

Biblioteki i nagłówki dla architektury

AVR znajdą się w folderze kata-

log_winavr\NutOS\avr . Poprawna

instalacja zostanie również zasygnali-

zowana odpowiednim komunikatem.

Po wykonaniu powyższych czynności,

katalog nutbuild możemy usunąć.

Kolejnym sposobem na zainstalo-

wanie Nut/OS-a jest wykorzystanie

graﬁcznego konﬁguratora dołączonego

do źródeł systemu. W tym celu insta-

lujemy wersję dla Windows i urucha-

miamy program Nut/OS Conﬁgurator .

Na ekranie pojawi się okno, w którym

należy wybrać plik konﬁguracyjny

dla posiadanej przez nas platformy

sprzętowej – dla zastosowanego zesta-

wu jest to plik ethernut13f.conf

w katalogu katalog_instalacji\

nut\conf . Następnie w menu Edi-

t>Settings>Build>Platform wybieramy

interesującą nas architekturę – avr–gcc

i z menu Build wybieramy pozycję Bu-

ild Nut/OS . Jeśli wszystko przebiegnie

prawidłowo, w katalogu nutbld\lib

znajdą się biblioteki systemu. Nieste-

ty, graﬁczne narzędzie konﬁguracyjne

jest jeszcze niedopracowane, dlatego

często odmawia współpracy i działa

niestabilnie. Z tego powodu nie pole-

cam jego używania.

Ostatnią opisaną metodą, najtrud-

niejszą, jest ręczna kompilacja syste-

mu. W tym celu instalujemy window-

sową wersję źródeł, ponieważ zawiera

ona binarne narzędzia (crurom i nut-

conﬁgure). Uruchamiamy wiersz po-

leceń cmd i wchodzimy do katalogu,

w którym zainstalowaliśmy źródła. Za

pomocą programu nutconﬁgure two-

rzymy drzewo katalogów, w którym

będziemy kompilować system dla wy-

branej platformy sprzętowej:

nutconﬁgure –c ./nut/conf/

ethernut13f.conf –m avr–gcc create–

buildtree

W wyniku wykonania powyższego

polecenia powstanie katalog nutbld ,

w którym znajdą się pliki Makeﬁle

oraz binaria dla wybranej konﬁgura-

cji. Parametr –c podaje plik konﬁgu-

racyjny dla platformy sprzętowej. Plik

Co to jest „stos”?

Często stosowane pojęcie „stosu” określa

warstwowy – jak widać na rysunku – model

sieciowej komunikacji aplikacji współpracujących

ze sobą zdalnie poprzez sieć informatyczną. Or-

ganizacja ISO opracowała 7–warstwowy Model

Referencyjny Połączonych Systemów Otwartych

(model OSI), który obejmuje wszystkie elementy

niezbędne do zdalnej komunikacji. Przyjęto

podział według sekwencji zdarzeń zachodzących

podczas sesji komunikacyjnej. Warstwy od 1 do

3 zapewniają ﬁzyczny ilogiczny dostęp do sie-

ci, a warstwy od 4 do 7 obsługują logistycznie

komunikację pomiędzy aplikacjami.

Kompilacja systemu

Mimo że biblioteki Nut/OS są

dostępne także w formie binarnej,

chciałbym na początku przedstawić

sposoby kompilacji systemu ze źródeł.

Zacznijmy więc od ściągnięcia kodu

źródłowego ze strony www.ethernut.de

(publikujemy je także na CD–EP12/

2006B). Można pobrać zarówno wer-

sję dla Linuksa, jak i dla Windows.

Kompilację bibliotek systemu Ethernut

(co wymaga wcześniejszego zainstalo-

wania kompilatora AVR-GCC) możemy

przeprowadzić na trzy sposoby, opisu-

ję je poniżej.

Najpewniejszą metodą jest wyko-

rzystanie skryptów dołączonych do

opisanego zestawu ZL9AVR. Zawiera

je archiwum nutbuild.zip , znajdujące

się na płycie CD dołączonej do EPoL

lub na stronie kamami.pl . Archiwum

to rozpakowujemy do oddzielnego ka-

talogu na dysku, np. c:\nutbuild .

W tym samym katalogu umieszcza-

my archiwum ze źródłami systemu

w wersji „for Linux Environment”

– plik z rozszerzeniem .bz2 , który za-

wiera sam kod źródłowy Nut/OS–a.

Nasz katalog powinien wyglądać na-

stępująco:

[dir] data

[ﬁle] Makeﬁle

[ﬁle] ethernut–4.2.1.tar.bz2

Jeżeli wersja ściągniętych źródeł

Ethernuta jest inna niż 4.2.1 (naj-

nowsza stabilna), należy edytować

plik Makeﬁle i zmienić zmienną

NUT_VERSION na numer posiadanej

wersji. Następnie uruchamiamy inter-

preter poleceń ( cmd ), wchodzimy do

utworzonego przed chwilą katalogu

i wykonujemy polecenia:

c:\nutbuild> make

ethernut13f.conf jest odpowiedni

dla płyty bazowej ZL9AVR. Parametr

–m wskazuje kompilator C (avr–gcc

lub ImageCraft).

Następny krok to edycja pliku

nutbld/UserConf.mk . Dopisujemy

do niego linię:

HWDEF+=–DNUT_CPU_FREQ=16000000

Jest to deﬁnicja częstotliwo-

ści oscylatora kwarcowego na płyt-

ce (16 MHz), potrzebna do oblicza-

nia wartości rejestrów sterujących

UART–em i timerami. Zapisujemy plik

Userconf.mk i w katalogu nutbld

wykonujemy polecenia:

make

make install

W ten sposób uruchomimy kom-

pilację systemu, która jeśli wszystko

wykonaliśmy zgodnie z instrukcją, po-

winna przebiec bezproblemowo. Jej

wynikiem będą pliki w katalogu nut-

bld\lib – biblioteki systemu Nut/OS.

Należy je jeszcze zainstalować, trzeba

więc wykonać kolejne czynności:

– w katalogu, w którym jest zainsta-

lowany WinAVR (najczęściej jest

to c:\winavr ) tworzymy podka-

talogi NutOS i NutOS\avr ,

– kopiujemy katalog nutbld\lib do

NutOS\avr ,

– kopiujemy katalog nut\include

do NutOS\avr ,

– kopiujemy plik nut\tools\wi-

n32\crurom.exe do jakiegokol-

wiek katalogu znajdującego się

w ścieżce systemowej PATH, np.

c:\winavr\bin . Jest to narzę-

dzie do tworzenia systemu plików

Elektronika Praktyczna 12/2006

K U R S

UROM, który pozwala na przecho-

wywanie niewielkich plików w pa-

mięci Flash mikrokontrolera (np.

strony internetowej dla serwera

WWW).

Dokładnie te same operacje wy-

konuje opisany wcześniej skrypt

Nutbuild , wyręczając nas we

„wklepywaniu” poleceń i modyﬁko-

waniu plików konﬁguracyjnych.

W taki sam sposób możemy za-

instalować gotowe biblioteki zawarte

w wersji dla Windows. Po skopio-

waniu plików, źródła systemu (o ile

nie będą nam potrzebne) możemy

odinstalować. Umieszczenie biblio-

tek w podanym podkatalogu drzewa

WinAVR jest konieczne do prawi-

dłowego działania plików Makeﬁ-

le zastosowanych w przykładowych

aplikacjach.

Mamy już zainstalowane biblio-

teki systemu – pora zacząć pisać

programy.

– io.h , zawierający m.in. deklarację

funkcji _ioctl() .

Jak wspomniałem wcześniej, port

szeregowy wymaga inicjalizacji, nie

przez ustawienie określonych wartości

rejestrów sterujących UART–em, ale

za pomocą interfejsu udostępnianego

przez system operacyjny. Za rejestra-

cję i inicjalizację urządzeń w systemie

Nut/OS odpowiada funkcja:

int NutRegisterDevice(NUTDEVICE *

dev, uptr_t base, u_char irq);

Parametr dev jest wskaźnikiem

do struktury opisującej sterownik

urządzenia. Dla sterowników wbu-

dowanych w Nut/OS struktury te są

już zadeklarowane w plikach nagłów-

kowych, np. DEV_DEBUG odpowiada

zerowemu UART–owi w mikrokon-

trolerze ATmega128. Przez parametry

base i irq możemy przekazać adres

bazowy rejestrów urządzenia i numer

przerwania – w tym przypadku nie są

one istotne. Jeżeli rejestracja urządze-

nia przebiegnie prawidłowo, funkcja

NutRegisterDevice zwróci wartość

0, jeśli nie, wartość –1.

Następnym krokiem jest przekiero-

wanie standardowego wyjścia ( stdo-

ut ) do portu szeregowego. Odpowi-

ada za to funkcja:

FILE *freopen(CONST char *name,

CONST char *mode, FILE * stream);

Otwiera ona plik o nazwie name

w trybie mode i (w przeciwieństwie

do popularnej funkcji fopen ) usta-

lonym deskryptorze stream. W na-

szym przypadku jest to plik o nazwie

DEV_DEBUG_NAME (uart0) w trybie

do zapisu (w) i deskryptorze stdo-

ut (standardowe wyjście). Podobnie

jak w systemach uniksowych, w Nut/

OSie urządzenia są reprezentowane

przez pliki, dlatego zapis do pliku

o nazwie uart0 spowoduje wysłanie

danych do zerowego portu szeregowe-

go. Jeżeli funkcja freopen wykona

się prawidłowo, zwróci wskaźnik do

podanego w parametrach deskryptora

pliku, w przeciwnym przypadku – pu-

sty wskaźnik (NULL) .

Kolejna linia kodu wywołuje funk-

ﬁleno ze struktury FILE* stdo-

ut ), cmd – kod polecenia, czyli

UART_SETSPEED , buffer – dane

dla polecenia, w naszym programie

wskaźnik do zmiennej z podaną

prędkością UARTa. Poprawne wy-

konanie funkcji jest sygnalizowane

zwróceniem wartości 0, niepopraw-

ne, ujemnej.

Po wywołaniu powyższych funkcji,

możemy wreszcie wypisać tekst: „Hel-

lo, world!”. Następnie każemy progra-

mowi czekać w nieskończonej pętli.

Kompilacja programu

Kompilacja aplikacji Nut/OS wy-

maga pewnych dodatkowych opcji

dla kompilatora C oraz podania

w odpowiedniej kolejności biblio-

tek systemu oraz specjalnego kodu

startowego ( nutinit.o ) przy linko-

waniu. Chcąc ułatwić pracę czytel-

nikom, przygotowałem gotowe pli-

ki sterujące kompilacją – Makeﬁle

i Sources . Plik Makeﬁle zawie-

ra reguły sterujące wywoływaniem

AVR–GCC oraz opcje konieczne do

prawidłowej kompilacji programu

i zazwyczaj nie trzeba go modyﬁ-

kować. Zmian wymaga natomiast

plik Sources , który dla programu

podanego przed chwilą wygląda na-

stępująco:

OUTPUT = hello

SOURCES = hello.c

OPTIONS = –Os

LIBS = –lnutarch –lnutdev –lnutos

–lnutarch –lnutcrt

Deﬁnicja OUTPUT to nazwa pliku

wynikowego (bez rozszerzenia), SO-

URCES – wykaz plików źródłowych

rozdzielony spacjami, OPTIONS –

dodatkowe opcje kompilatora, w tym

przypadku – optymalizacja kodu

pod względem wielkości (–Os) .

LIBS jest listą bibliotek dołączo-

nych do projektu. Projekt kompilu-

jemy wydając polecenie make . W je-

go wyniku powstaną pliki hello.

hex i hello.bin , którymi możemy

zaprogramować mikrokontroler.

Polecenie make clean usuwa

wszystkie pliki utworzone podczas

kompilacji, zaś make isp pro-

gramuje procesor z wykorzystaniem

programatora STK–200 (np. ZL2PRG)

i programu AVRdude standardowo

obecnego w środowisku WinAVR.

Za miesiąc opiszę dokładniej

pliki Makeﬁle , funkcje poszczegól-

nych bibliotek systemu Nut/OS oraz

przedstawię prostą aplikację serwera

WWW. Zapraszam do lektury!

Tomasz Włostowski

twlostow@onet.eu

Na komputerze PC powyższy kod

wyświetli oczywiście tekst: „Hello,

world!”. Ponieważ nasz system nie

ma monitora, jako „wyświetlacz” za-

stosujemy terminal na komputerze

połączonym z płytką przez port szere-

gowy. Dlatego program musi być uzu-

pełniony o inicjalizację UART–a i prze-

kierowanie standardowego wyjścia na

port RS232. Poprawny kod jest nieco

większy i wygląda następująco:

#include <dev/board.h>

#include <stdio.h>

#include <io.h>

#deﬁne UART_SPEED 38400

main()

{

u_long baudrate = UART_SPEED;

NutRegisterDevice (&DEV_DEBUG,

0, 0);

freopen (DEV_DEBUG_NAME, "w",

stdout);

_ioctl(_ﬁleno(stdout), UART_

SETSPEED, &baudrate);

printf("Hello, world!\n");

for(;;);

}

cję:

int _ioctl(int fd, int cmd, void

*buffer);

Służy ona do wykonywania nie-

standardowych operacji na urządze-

niach wejścia–wyjścia. W naszym

przypadku _ioctl odpowiada za

ustawienie prędkości przesyłania

danych przez port szeregowy. Para-

metr fd to numer deskryptora pli-

ku urządzenia (w naszym przypadku

uzyskaliśmy go za pomocą makra

Pierwsza zmiana polega na dołą-

czeniu dodatkowych plików nagłów-

kowych:

– dev/board.h , który zawiera de-

klaracje nazw urządzeń oraz spe-

cyﬁcznych dla nich struktur ity-

pów danych,

Elektronika Praktyczna 12/2006

Pierwszy program

Stworzymy teraz najprostszą apli-

kację systemu Nut/OS, będącą odpo-

wiednikiem programu znajdującego

się na początku prawie wszystkich

książek o programowaniu w języku C:

#include <stdio.h>

main()

{

printf("Hello, world!\n");

return 0;

}

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: