Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Allwinner a64

Подключаем дисплей SPI LCD ILI9341 к одноплатному компьютеру Banana Pi BPI-M64 или любому другому на ОС Armbian

15.03.2021 20:13:27 | Автор: admin
LCD SPI ILI9341 Banana Pi BPI-M64

Пост содержит инструкцию как подключить TFT-LCD дисплей на популярном контроллере ILI9341 к одноплатному компьютеру на ОС Armbian с помощью дерева устройств (Device Tree overlays) без танцев с бубном. В сети Интернет много материала как подключать различные LCD экраны к Raspberry Pi. Но что если у вас нет Raspberry Pi, а хочется подключить недорогой LCD экран на SPI интерфейсе? Все что вам необходимо, это любая плата с поддержкой ОС Armbian. В каталог поддерживаемых плат ОС Armbian входят платы: Asus, Pine64, Hardkernel, Orange Pi, Banana Pi, и т.д. На данный момент в каталоге более 114 моделей плат, объявлена поддержка различного оборудования из коробки. Доступны для подключения: 4G/LTE модемы, USB Wi-Fi, USB Bluetooth, USB Ethernet, сканеры DVB-тюнеры и т.д. К всем этим платам можно легко подключить SPI LCD дисплей ILI9341, как это реализовать прошу под кат.

Преамбула


Многие одноплатные компьютеры снабжены HDMI выходом, но подключение полноценного дисплея с поддержкой HDMI входа достаточно дорогое удовольствие для небольшого проекта. В особенности, если необходимо реализовать минимальный функционал взаимодействия с пользователем, терминал распечатки документов, вывод текущего статуса работающего приложения. Для подобных задач можно использовать символьные дисплеи LCD HD44780 на интерфейсе I2C, они достаточно дешевы и удобны. Но в тоже время сильно ограничены в функциональности, на эти экраны невозможно вывести консоль Linux и нативный UI приложения, вдобавок площадь LCD экрана нельзя использовать как панель ввода информации. Для решения этих задач прекрасно подойдут LCD экраны на SPI интерфейсе, дисплей диагональю 3.5 дюйма с резистивным слоем можно приобрести за 9.57$ (включая доставку). На LCD экран можно выводить консоль Linux и подсистему X11. Таким образом, использование SPI LCD является лучшим вариантом по соотношению функциональности к стоимости.

Дисплей ILI9341 2.2 inch 2.2" SPI TFT


Контроллер ILI9341 предназначен для управления TFT панелью. Под контроллер ILI9341 поставляются панели диагональю от 2.2 до 3.2 дюймов, разрешение 240x320, к некоторым LCD добавляют резистивный слой.
К одноплатному компьютеру Banana Pi BPI-M64 будем подключать модуль SPI LCD ILI9341 диагональю 2.4 дюйма без резистивного слоя.

Рассмотрим характеристики и распиновку SPI LCD ILI9341 2.4 inch

  • 2,4-дюймовый цветной экран, поддержка 65K цветов
  • разрешение 320X240
  • интерфейс подключения SPI
  • доступен слот для SD-карты
  • питание модуля 3.3V~5V
  • Напряжение управления логикой 3.3V(TTL)

Контакты подключения LCD
Number Pin Label Description
1 VCC 5V/3.3V power input
2 GND Ground
3 CS LCD chip select signal, low level enable
4 RESET LCD reset signal, low level reset
5 DC/RS LCD register / data selection signal,high level: register, low level: data
6 SDI(MOSI) SPI bus write data signal
7 SCK SPI bus clock signal
8 LED Backlight control, high level lighting,if not controlled, connect 3.3V always bright
9 SDO(MISO) SPI bus read data signal, if you do not need to the read function, you can not connect it

Для управления подсветки используется контакт номер 8 LED. Максимальное напряжение 3.3V соответствует максимальной яркости от общего питания VCC. Если необходимо задать 50% яркости экрана, то на LED необходимо подать напряжение в 1.65V. Для программного управления яркости подсветки необходимо контакт LED подключать к аналоговому выходу GPIO на одноплатном компьютере. В случае наличия только цифровых выходов, доступна лишь возможности включить или полностью выключить подсветку экрана.

Исходя из характеристик LCD экрана предъявляются следующие требования к одноплатному компьютеру:
  • наличие SPI интерфейса
  • напряжение логики на контактах 3.3V (большинство плат)
  • потребуется еще два (RESET, DC/RS) свободных контактов GPIO

Что ты за зверь Armbian и какой одноплатный компьютер необходим


На странице armbian.com/download представлено большое количество разнообразных одноплатных компьютеров. С точки зрения удобства подключения, лучше выбирать плату с 40-контактным разъемом GPIO совместимым с Raspberry Pi 3. Например, если подключать SPI LCD ILI9341 2.4 inch к плате Banana Pi BPI-M64 и Orange Pi PC, то номера физически подключаемых контактов GPIO будут совпадать (не путать с названиями контактов процессора, они будут различны, далее потребуется для конфигурирования). В случае если одноплатный компьютер будет построена не на процессоре Allwinner, то возможно потребуется изменять больше параметров в файле: sun50i-a64-spi-ili9341-led-always-on.dts (будет далее по тексту).

Armbian это самый популярный дистрибутив Linux, предназначенный для одноплатных компьютеров построенных на ARM процессоре, список поддерживаемых плат огромен: Orange Pi, Banana Pi, Odroid, Olimex, Cubieboard, Roseapple Pi, Pine64, NanoPi и др. Дистрибутив Armbain основан на Debian и Ubuntu.

После явления миру Raspberry Pi, китайские производители решили тоже влиться в движение Open Hardware Source, и сделали много разнообразных плат. Но программная поддержка была крайне слабой, для решения данной проблемы зародился проект Armbian. На данный момент Armbian уже исполнилось 7 лет, поддерживается 114 моделей плат, объявлена поддержка различного оборудования из коробки. Доступны для подключения: 4G/LTE модемы, USB Wi-Fi, USB Bluetooth, USB Ethernet, сканеры DVB-тюнеры и т.д.

Для запуска Armbian на одноплатном компьютере необходимо загрузить образ с сайта, затем скопировать его на microSD карту, с которой в последствие нужно будет загрузиться. Если на плате размещена eMMC память достаточного объема, то через утилиту armbian-config, операционная система легко переносится с microSD карты на eMMC память вместе с загрузчиком.

Создание IoT-проекта с использованием Armbian в отличие от Raspberry Pi, позволяет выбирать платы различающие по производительности, и набора периферии. Например, на всех версиях Raspberry Pi размещен только один Ethernet порт. Но если требуется сделать маршрутизатор с несколькими Ethernet портами, то из списка поддерживаемых плат Armbian подойдут модели: Helios64, Espressobin, Bananapi R2, и т.д.

Поддерживаемые SoC
  • Allwinner A10, A20, A31, H2+, H3, H5, H6, A64
  • Amlogic S805 and S905 (Odroid boards), S802/S812, S805, S905, S905X and S912 (fork by @balbes150)
  • Actionsemi S500
  • Freescale / NXP iMx6
  • Marvell Armada A380
  • Rockchip RK3288/RK3328/RK3399
  • Samsung Exynos 5422

Схема подключения SPI LCD ILI9341 2.4 inch к Banana Pi BPI-M64 (порт GPIO Raspberry Pi 3)


SPI интерфейс LCD экрана подключаем к SPI1 на Banana Pi BPI-M64. Контакты CS, RESET, DC/RS можно подключать к любым цифровым выводам.

Таблица контактов подключения:
Номер LCD Метка LCD Номер контакта на Banana Pi BPI-M64 (порт GPIO Raspberry Pi 3)
1 VCC 1 или 2 (если необходима максимальная яркость, то контакт 2 на 5V)
2 GND 39, или любой другой Ground
3 CS 24
4 RESET 18
5 DC/RS 22
6 SDI(MOSI) 19
7 SCK 23
8 LED 1 или любой свободный GPIO на 3.3V
9 SDO(MISO) 21

Если контакт LED подключать к цифровому выводу GPIO, то для включения подсветки вручную потребуется подавать логическую 1 для включения или 0 для выключения экрана.

Схема подключения SPI LCD ILI9341:
LCD SPI ILI9341 Banana Pi BPI-M64

Одноплатный компьютер Banana Pi BPI-M64


Banana Pi BPI-M64 это 64-битный четырехъядерный мини-одноплатный компьютер, поставляемый как решение с открытым исходном кодом. Ядром системы является процессор Allwinner A64 с 4-мя ядрами Cortex-A53 с частотой 1.2 ГГц. На плате размещено 2 ГБ DDR3 SDRAM 733МГц оперативной памяти и 8 ГБ eMMC.

Самое главное для успешного подключения SPI LCD необходимо знать название контактов для SPI интерфейса, их номер и название зависит от модели процессора. Для решения этой задачи необходим Allwinner A64 Datasheet. На Wiki-странице Banana Pi BPI-M64 представлена распиновка 40-контактного разъема GPIO, из которого мы узнаем название контактов: PD2, PD3, и т.д.
40 PIN GPIO of Banana pi BPI-M64
GPIO Pin Name Default Function Function2GPIO Function3
CON2-P18 PD4 PD4
CON2-P19 SPI1-MOSI PD2 UART4-TX
CON2-P21 SPI1-MISO PD3 UART4-RX
CON2-P22 PC0 PC0
CON2-P23 SPI1-CLK PD1 UART3-RX
CON2-P24 SPI1-CS PD0 UART3-TX

Помимо название контакта, необходимо узнать порядковый номер этого контакта на ножке процессора, легко вычисляется по формуле: (позиция буквы в алфавите 1) * 32 + позиция вывода. Рассчитаем номер ножки для контакта PD2. Первая буква не учитывается т.к. P PORT, позиция буквы D в алфавите = 4, получаем (4-1) * 32 + 2 = 98. Контакту с меткой PD2 соответствует 98 ножка на процессоре, далее потребуется для конфигурирования дерева устройств.

Дерево устройств (Device Tree, DT) в Linux


Дерево устройств (Device Tree, DT) это структура данных в системе Linux, состоящая из именованных узлов и свойств, описывающих оборудование, которое невозможно обнаружить путем опроса оборудования. Дерево должно включать имя базового процессора, конфигурацию его памяти и любые периферийные устройства (внутренние и внешние). DT не используется для описания программного обеспечения, хотя перечисление аппаратных модулей вызывает загрузку модулей драйверов.

Сердцем любой отладочной платы или одноплатного компьютера является SoC. SoC имеет множество контактов (ног) для подключения линий электропитания и различных устройств.

Allwinner V3s

Контакты могут быть объедены вместе для формирования интерфейса, например MIPI DSI(MIPI Display Serial Interface). Интерфейс MIPI DSI предназначен для подключения LCD панелей, активно используется в смартфонах и планшетах. Но если к устройству не планируется подключать дисплей по MIPI DSI, то эти линии можно использовать для других целей, путем изменения DT. В отличие от архитектуры x86 в системах построенных на SoC нет возможности произвести полностью опознание всех устройств в режиме Plug and Play. Поэтому необходимо явное декларирование какие контакты используются для интерфейсов и какие именно устройства подключены к этим интерфейсам.

До появления DT информация об устройствах в Linux являлась неотъемлемой частью ядра, и в случае изменения состава периферийных устройств требовалось пересобрать образ системы. Это было крайне неудобно, и поэтому описание периферийных устройств перенесли в конфигурационные файлы, которые собираются на логическом уровне в дерево. Где ветвь устройство с указанием драйвера необходимого для работы этого устройства.

После использования DT отпала необходимость в формирование индивидуального образа для каждого набора периферии устройств. Теперь достаточно сформировать один образ, включить в него набор драйверов для различных устройств, и для каждого устройства сформировать свой DT.

Наложения дерева устройств (Device Tree overlays)


Device Tree overlays (наложения дерева устройств) добавление к DT принципа наложения слоев устройств. Если конфигурация описывает интерфейс UART к которому был подключен Bluetooth, и необходимо Bluetooth заменить на GPS модуль, то можно не удалять существующие настройки Bluetooth а добавить дополнительный слой для GPS модуля который переопределит предыдущие настройки.

Для работы с DT используются следующие термины:
DT Дерево устройств
DTB (*.dtb) Бинарный файл дерева устройств
DTBO (*.dtbo) Бинарный файл дерева устройств для наложения
DTC Компилятор дерева устройств
DTO Наложения дерева устройств
DTS (*.dts) Исходный файл для дерева устройств
FDT Flattened Device Tree, двоичный формат, содержащийся в файле .dtb

Аппаратная конфигурация описывается в файлах исходниках DT ( .dts ) затем они компилируется в бинарные файлы DT ( .dtb ) уже для конечного использования в системе. Так же можно выполнить обратную процедуру декомпиляции файлов *. dtb в *. dts, компилятор/декомпилятор присутствует в системе.

Linux device tree bootloader

Реализация DTO включает разделение дерева устройств, построение, разбиение на разделы и исполнение.

Разделение DT


DT разделяются на две части:
  • Main DT (основное дерево устройств). Предоставляет разработчик SoC и является настройкой по умолчанию. В данном случае предоставляет компания Allwinner разработчик процессора Allwinner A64.
  • Overlay DT (Накладываемое дерево устройств). Специфическая конфигурация производителя платы, включает периферийные устройства которые размещены на плате. Для платыBanana Pi BPI-M64 предоставляет компания SinoVoip Co.,

Тема Device Tree overlays в Linux достаточно большая, чтобы не превращать пост в многотомное произведение Ленина, более детально можно почитать в публикации Работа с GPIO на примере Banana Pi BPI-M64. Часть 2. Device Tree overlays.

Формирование DTS для SPI LCD ILI9341 2.4 inch


Тестирование производилось на образе Armbian_20.08.2_Bananapim64_bionic_current_5.8.6_minimal.img.xz, на основе Ubuntu 18.04.5 LTS (Bionic Beaver), ядро Linux 5.8.6. uname: Linux bananapim64 5.8.6-sunxi64 #20.08.2 SMP Fri Sep 4 08:52:31 CEST 2020 aarch64 aarch64 aarch64 GNU/Linux.

В Armbian уже есть драйвер для ILI9341, поэтому все что требуется, это создать файл описания устройства в формате DTS, скомпилировать его в формат DTBO, и перезагрузить одноплатный компьютер. Как говорится Easy!

Для формирования файла DTS необходимо узнать ссылку на gpiochip в котором находится SPI интерфейс, для этого откроем терминал Armbian и выполним команду cat /sys/kernel/debug/gpio:

root@bananapim64:~# cat /sys/kernel/debug/gpiogpiochip1: GPIOs 0-255, parent: platform/1c20800.pinctrl, 1c20800.pinctrl: gpio-120 (                    |bananapi-m64:red:pwr) out hi gpio-142 (                    |bananapi-m64:green:u) out lo gpio-143 (                    |bananapi-m64:blue:us) out lo gpio-166 (                    |cd                  ) in  lo ACTIVE LOW gpio-233 (                    |usb0_id_det         ) in  hi IRQgpiochip0: GPIOs 352-383, parent: platform/1f02c00.pinctrl, 1f02c00.pinctrl: gpio-354 (                    |reset               ) out hi ACTIVE LOW gpio-356 (                    |shutdown            ) out hi gpio-357 (                    |host-wakeup         ) in  lo gpio-358 (                    |device-wakeup       ) out higpiochip2: GPIOs 510-511, parent: platform/axp20x-gpio, axp20x-gpio, can sleep:

Данная команда выведет все доступные устройства gpiochip и номера задействованных контактов в операционной системе. В предыдущем разделе для контакта SPI1-MOSI, название контакта PD2, определили номер ножки процессора 98. Исходя из полученного результата номер 98 приходится на диапазон GPIOs 0-255, который соответствует чипу gpiochip1: GPIOs 0-255, parent: platform/1c20800.pinctrl, 1c20800.pinctrl. Далее для формирования файла DTS потребуется узнать ссылку на 1c20800.pinctrl.

Создадим файл DTS с названием: sun50i-a64-spi-ili9341-led-always-on.dts (в основе dts файл для платы Orange Pi PC):
/dts-v1/;/plugin/;/ {compatible = "allwinner,sun8i-h3";  fragment@0 {    target = <&pio>;    __overlay__ {      ili9341_pins: ili9341_pins {        pins = "PD4", "PC0"; /*RESET, DC_RS*/        function = "gpio_out", "gpio_out" ;      };    };  };    fragment@1 {    target = <&spi1>;    __overlay__ {      status = "okay";            cs-gpios = <&pio 3 0 0>; /* PD0 */      ili9341: ili9341@0 {        compatible = "ilitek,ili9341";        reg = <0>;        pinctrl-names = "default";        pinctrl-0 = <&ili9341_pins>;        spi-max-frequency = <16000000>;        rotate = <90>;        bgr;        fps = <25>;        buswidth = <8>;        reset-gpios = <&pio 3 4 1>; /*RESET=PD4*/        dc-gpios = <&pio 2 0 0>; /*DC_RS=PC0*/        /*led-gpios = <&pio 2 4 0>; LED=PC4*/        debug = <0>;      };    };  };};

Рассмотрим содержимое:

  • fragment@0 является наложением на блок узла /soc/pinctrl@1c20800, ссылка этого узла &pio. Описывает название задействованных контактов GPIO PD4", PC0 и определяет функцию gpio_out для контактов.
  • &pio это ссылка в дереве устройств для контактов GPIO на узел /soc/pinctrl@1c20800, название определяли выше. Ссылка берется из файла в Armbian по пути: /boot/dtb-5.8.6-sunxi64/allwinner/sun50i-a64-bananapi-m64.dtb.Для компиляции в формат DTS, выполнить команду: $ dtc -I dtb -O dts sun50i-a64-bananapi-m64.dtb -o sun50i-a64-bananapi-m64.dts
  • fragment@1 является наложением на блок узла /soc/spi@1c69000, ссылка этого узла &spi1.
  • status = okay задействует SPI1 интерфейс на плате для подключения устройств
  • cs-gpios = <&pio 3 0 0>; /* PD0 */ номер контакта для CS интерфейса SPI1.
  • <&pio 3 0 0> параметры контакта, где &pio ссылка на gpioiochip1 в основном дереве устройств, буква P не учитывается, означает PORT, буква D кодируется в цифру 3 (формула: порядковый номер буквы в алфавите 1), 0 после цифры 3 это позиция вывода, 0 из PD0, и последний 0 означает полярность, по умолчанию всегда 0 (полярность 0 на логический ноль, выдается напряжение 0; полярность 1 на логический ноль, выдается напряжение 1).
  • compatible = ilitek,ili9341 идентификатор драйвера для данного устройства
  • pinctrl-0 = <&ili9341_pins> ссылка на используемые контакты из fragment@0
  • spi-max-frequency = <16000000> частота работы SPI интерфейса
  • rotate = <90> ориентация изображения, поворот на 90 градусов, в зависимости как необходимо расположить дисплей.
  • fps = <25> кадров в секунду
  • reset-gpios = <&pio 3 4 1> контакт RESET=PD4
  • dc-gpios = <&pio 2 0 0> контакт DC_RS=PC0

Разместим файл по пути /boot/dtb/allwinner/overlay. Затем компилирует файл .dts в .dtbo:

$ dtc -O dtb -o sun50i-a64-spi-ili9341-led-always-on.dtbo sun50i-a64-spi-ili9341-led-always-on.dts

Запустим утилиту конфигурирования платы: $ armbian-config. Перейдем по меню: System > Hardware, и включим слой (overlay): spi-ili9341-led-always-on. После перезагрузки платы, консоль Linux будет на SPI LCD экране:

LCD SPI ILI9341 Banana Pi BPI-M64


Midnight Commander и Htop на SPI LCD
Midnight Commander
LCD SPI ILI9341 Banana Pi BPI-M64

Htop
LCD SPI ILI9341 Banana Pi BPI-M64


Название контактов
Для всех процессоров Allwinner формат записи контакта, соответствует виду cs-gpios = <&pio 3 0 0>, для других процессоров формат записи контакта будет отличаться.

Решение проблем


Если изображение не появилось на LCD, выполните команду для проверки: $ dmesg | grep -E 'ili9341'.

В консоли должна быть следующая информация:
root@bananapim64:/boot/dtb-5.8.6-sunxi64/allwinner# dmesg | grep -E 'ili9341'[    5.733989] fb_ili9341: module is from the staging directory, the quality is unknown, you have been warned.[    5.734718] fb_ili9341 spi0.0: fbtft_property_value: buswidth = 8[    5.734731] fb_ili9341 spi0.0: fbtft_property_value: debug = 0[    5.734737] fb_ili9341 spi0.0: fbtft_property_value: rotate = 90[    5.734744] fb_ili9341 spi0.0: fbtft_property_value: fps = 25[    6.119287] graphics fb0: fb_ili9341 frame buffer, 320x240, 150 KiB video memory, 16 KiB buffer memory, fps=25, spi0.0 at 16 MHz


Настройка SPI LCD для графического интерфейса Xfce и подсистемы X11


Для вывода консоли Linux достаточно добавить файл DTS и все, но для вывода графики этого недостаточно.

1) Установим XORG и XFCE:

$ sudo apt-get update$ sudo apt-get install xorg$ sudo apt-get install xfce4

2) Для процессора Allwinner необходимо дополнительно устанавливать GPU драйвер fbdev:

$ sudo apt-get install xserver-xorg-video-fbdev

3) Удалить все конфигурационные файлы по пути /etc/X11/xorg.conf.d (если нет файлов, то отлично)

4) Создать конфигурационный файл по пути /usr/share/X11/xorg.conf.d/99-fbdev.conf и разместить в нем следующий фрагмент:

Section "Device"    Identifier "myfb"  Driver "fbdev"  Option "fbdev" "/dev/fb0"EndSection

Где /dev/fb0 устройство SPI LCD. Если к плате подключена HDMI панель, то может быть два устройства /dev/fb0 и /dev/fb1.

Запускаем графический интерфейс командой: startx или startxfсe4:

LCD SPI ILI9341 Banana Pi BPI-M64


Если необходимо сразу переходить в графический интерфейс, то необходимо дополнительно установить пакеты:
$ sudo apt-get remove tasksel$ sudo apt-get remove xubuntu-desktop

Для возвращения запуска только консоли необходимо отключить автозапуск службы display-manager.service

$ sudo systemctl disable display-manager.service

Решение проблем


Если графический интерфейс не запускается то для решение проблем необходимо посмотреть журнал событий X11, командой:

$ cat /var/log/Xorg.0.log


Итог


Установка и настройка SPI LCD не требует никаких компиляций модулей из исходного текста, что существенно упрощает установку. Главное внимательно выставить контакты и все заработает из коробки. Поставленные цели успешно решены.

RoadMap


  1. Подключение дисплея большего размера 3.5 дюйма на контроллере ILI9488.
  2. Настройка Touch интерфейса для Xfсe.
  3. Вывод на SPI LCD только одного графического приложения используя подсистему X11 из Docker контейнера (решение для публичных терминалов, киосков, POS-терминалов).

Файл sun50i-a64-spi-ili9341-led-always-on.dts и другие файлы наложения дерева доступны в каталоге GitHub Banana-Pi-BPI-M64/dt-overlays/
Подробнее..

Управляем контактами GPIO из C .NET 5 в Linux на одноплатном компьютере Banana Pi M64 (ARM64) и Cubietruck (ARM32)

10.05.2021 12:10:00 | Автор: admin
dotnet libgpiod

Когда заходит речь про программирование на C# .NET для одноплатных компьютеров, то разговоры крутятся только в основном вокруг Raspberry Pi на Windows IoT. А как же Banana/Orange/Rock/Nano Pi, Odroid, Pine64 и другие китайские одноплатные компьютеры работающие на Linux? Так давайте это исправим, установим .NET 5 на Banana Pi BPI-M64 (ARM64) и Cubietruck (ARM32), и будем управлять контактами GPIO из C# в Linux. В первой части серии постов, подключим светодиод и кнопку для отработки прерываний и рассмотрим библиотеку Libgpiod (спойлер, библиотеку так же можно использовать в C++, Python) для доступа к контактам GPIO.

Предисловие


Управление светодиодом и получение событий от кнопки будет реализовано через библиотеку Libgpiod, которая не является частью платформы .NET. Данная библиотека предоставляет доступ к GPIO из любого языка программирования, требуется лишь написание класса обертки.

Данный пост применим не только к платам Banana Pi BPI-M64 и Cubietruck, но и другим, основанных на процессоре ARM архитектуры armv71(32-bit) и aarch64 (64-bit). На Banana Pi BPI-M64 (ARM64) и Cubietruck (ARM32) установлена ОС Armbian версии 21.02.1, основанная на Ubuntu 18.04.5 LTS (Bionic Beaver), ядро Linux 5.10.12. uname: Linux bananapim64 5.10.12-sunxi64 #21.02.1 SMP Wed Feb 3 20:42:58 CET 2021 aarch64 aarch64 aarch64 GNU/Linux

Armbian это самый популярный дистрибутив Linux, предназначенный для одноплатных компьютеров построенных на ARM процессоре, список поддерживаемых плат огромен: Orange Pi, Banana Pi, Odroid, Olimex, Cubietruck, Roseapple Pi, Pine64, NanoPi и др. Дистрибутив Armbain основан на Debian и Ubuntu. Из большого перечня поддерживаемых одноплатных компьютеров можно выбрать то решение, которое лучше всего походит для вашего IoT проекта, от максимально энергоэффективных до высокопроизводительных плат с NPU. И на базе всех этих одноплатных компьютеров, вы сможете реализовать свое решения на платформе .NET и работать с периферийными устройствами из кода на C#.

Что такое GPIO


GPIO(general-purpose input/output) интерфейс ввода/вывода общего назначения. GPIOподключены напрямую к процессоруSoC (System-on-a-Chip Система на кристалле), и неправильное использование может вывести его из строя. Большинство одноплатных компьютеров, кроме обычных двунаправленных Input/Output портов, имеют один или более интерфейсов: UART,SPI,IC/TWI,PWM (ШИМ), но не имеютADC (АЦП). GPIO- порты обычно могут быть сконфигурированны на ввод или вывод (Input/Output), состояние по умолчанию обычноINPUT.

Некоторые GPIO-порты являются просто питающими портами 3.3V, 5V и GND, они не связаны сSoCи не могут использоваться как либо еще.

Порты сальтернативной функцией- могут быть мультиплексированны с одним изсоответствующих емуинтерфейсов.

Порты в режиме INPUTмогут генерироватьпрерывания по спаду, по фронту, по логическому уровню, по изменению сигнала и в асинхронном режиме по фронту и спаду. Порты в режиме INPUTимеют входную фильтрацию на триггереШмитта(преобразовывают аналоговый сигнал в цифровой с резкими переходами между состояниями).

Работа с контактами GPIOосуществляется через виртуальную файловую систему sysfs. стандартный интерфейс для работы с контактами sysfs впервые появился с версии ядра 2.6.26, в Linux. Работа с GPIO проходит через каталог /sys/class/gpio путём обращения к файлам-устройствам.

К портам GPIO подключаются:

  • светодиоды;
  • кнопки;
  • реле;
  • температурные и другие датчики;
  • различные периферийные устройства.

Для программирования GPIO существует несколько способов обращения:

  • Посредством файл-устройства GPIO;
  • Используя языки программирования:
    • Через прямое обращение к регистрам чипа;
    • Используя уже готовые библиотеки (libgpiod).


Одноплатный компьютер Banana Pi BPI-M64


Banana Pi BPI-M64 это 64-битный четырехъядерный мини-одноплатный компьютер, поставляемый как решение с открытым исходном кодом. Ядром системы является процессор Allwinner A64 с 4-мя ядрами Cortex-A53 с частотой 1.2 ГГц. На плате размещено 2 ГБ DDR3 SDRAM 733МГц оперативной памяти и 8 ГБ eMMC.

На плате размещен 40-контактный совместимый с Raspberry Pi разъем, который содержит: GPIO (x28), Power (+5V, +3.3V and GND), UART, I2C, SPI. И 40-контактный интерфейс MIPI DSI.

dotnet libgpiod
Banana Pi BPI-M64 и 40-контактный разъем типа Raspberry Pi 3

Наличие 40-контактного разъема типа Raspberry Pi 3 GPIO, существенно облегчает подключение датчиков из-за совпадение назначение контактов с Raspberry Pi 3. Не приходится гадать к какому контакту подключать тот или иной датчик. Указанные в посте датчики (светодиод и кнопка) подключенные к Banana Pi BPI-M64, можно подключать на те же самые контакты другого одноплатного компьютера, на котором тоже есть 40-контактный разъем, типа Raspberry Pi 3 (или к самой Raspberry Pi 3, разницы нет никакой). Единственное, необходимо изменить номера контактов (линий, ножка процессора) в программном коде, т.к. они зависят от используемого процессора. Но легко определяются но названию контакта. Плата Cubietruck (ARM32) приведена для проверки совместимости и работы кода на 32-разрядных ARM процессорах.

Banana Pi BPI-M64 GPIO Header Position
Позиция [1] 3V3 power соответствует позиции на плате со стрелочкой

Формула для вычисления номера GPIOXX
Для обращение к контактам из C# кода необходимо знать порядковый номер (линия, порт) физической ножки процессора SoC(для Allwinner). Эти данные в спецификациях отсутствую, т.к. порядковый номер получаем путем простого расчета. Например, из схемы возьмем 32-контакт на разъеме типа Raspberry Pi. Название контакта PB7, для получения номера контакта на процессоре произведем расчет по формуле:
(позиция буквы в алфавите 1) * 32 + позиция вывода.Первая буква не учитывается т.к. P PORT, позиция буквы B в алфавите = 2, получаем (2-1) * 32 + 7 = 39. Физический номер контакта PB7является номер 39. У каждого разработчика SoC может быть свой алгоритм расчета номера контактов, должен быть описан в Datasheet к процессору.

Banana Pi BPI-M64 GPIOXX
Контакт PB7 на процессоре Allwiner A64, номер ножки 39

Библиотеки .NET IoT


До того как напишем первую программу на C# по управления GPIO, необходимо рассмотреть пространство имен входящих в dotnet/iot. Все используемые библиотеки добавляются через Nuget пакеты. Подробно рассмотрим драйвера для получения доступа к контактам GPIO одноплатного компьютера. Код на C# взаимодействует с GPIO через специальный драйвер, который является абстракцией доступа к GPIO и позволяет переносить исходный код от одного одноплатного компьютера к другому, без изменений.

Пространства имен .NET IoT:

  • System.Device.Gpio. Пакет System.Device.Gpio поддерживает множество протоколов для взаимодействия с низкоуровневыми аппаратными интерфейсами:
    • General-purpose I/O (GPIO);
    • Inter-Integrated Circuit (I2C);
    • Serial Peripheral Interface (SPI);
    • Pulse Width Modulation (PWM);
    • Serial port.


  • Iot.Device.Bindings. Пакет Iot.Device.Bindings содержит:
    • Драйвера и обертки над System.Device.Gpio для различных устройств которые упрощают разработку приложений;
    • Дополнительные драйвера поддерживаемые сообществом (community-supported).


dotnet IoT Library
Стек библиотек .NET IoT

Рассмотрим первую программу типа Hello World, мигание светодиода (Blink an LED):

using System;using System.Device.Gpio;using System.Threading;Console.WriteLine("Blinking LED. Press Ctrl+C to end.");int pin = 18;using var controller = new GpioController();controller.OpenPin(pin, PinMode.Output);bool ledOn = true;while (true){    controller.Write(pin, ((ledOn) ? PinValue.High : PinValue.Low));    Thread.Sleep(1000);    ledOn = !ledOn;}

Разбор кода:

  • using System.Device.Gpio пространство имен для использования контроллера GpioController доступа к аппаратным ресурсам;
  • using var controller = new GpioController() создает экземпляр контроллера для управления контактами GPIO;
  • controller.OpenPin(pin, PinMode.Output) инициализирует контакт pin = 18 на вывод, к 18 контакту подключен светодиод;
  • controller.Write(pin, ((ledOn)? PinValue.High: PinValue.Low)) если ledOn принимает значение True, то PinValue.High присваивает высокое значение 18 контакту и светодиод загорается. На 18 контакт подается напряжение в 3.3V. Если ledOn принимает значение False, то PinValue.Low присваивает низкое значение контакту 18 и светодиод гаснет. На 18 контакт подается напряжение в 0V (или минимальное пороговое для значения 0, может быть немного выше 0V).

Далее остается компиляция под ARM архитектуру: dotnet publish -r linux-arm или dotnet publish -r linux-arm64. Но так работает просто только для Raspberry Pi. При использование одноплатных компьютерах отличных от Raspberry Pi необходимо при инициализации GpioController выбирать драйвер доступа к GPIO.

Драйвера доступа к GPIO из .NET


Классы драйверов доступа к GPIO находятся в пространстве имен System.Device.Gpio.Drivers. Доступны следующие драйвера-классы:

  • HummingBoardDriver GPIO драйвер для платы HummingBoard на процессоре NXP i.MX 6 Arm Cortex A9;
  • LibGpiodDriver этот драйвер использует библиотеку Libgpiod для получения доступа к портам GPIO, заменяет драйвер SysFsDriver. Библиотека Libgpiod может быть установлена на Linux и Armbian, не является аппаратно-зависимой, что позволяет ее использовать для различных одноплатных компьютерах ARM32 и ARM64;
  • RaspberryPi3Driver GPIO драйвер для одноплатных компьютеров Raspberry Pi 3 или 4;
  • SysFsDriver GPIO драйвер работающий поверх интерфейса SysFs для Linux и Unux систем, предоставляет существенно меньше возможностей, чем драйвер LibGpiodDriver, но не требует установки библиотеки Libgpiod. Тот случай, когда хочется просто попробовать помигать светодиодом из C# без дополнительных действий;
  • UnixDriver базовый стандартный класс доступа к GPIO для Unix систем;
  • Windows10Driver GPIO драйвер для ОС Windows 10 IoT. Из поддерживаемых плат только Raspberry Pi, весьма ограниченное применение.

В данном посте будет рассматриваться доступ к GPIO через драйвер LibGpiodDriver. Драйвер SysFsDriver базируется на устаревшем методе работы с GPIO через виртуальную файловую систему SysFs. Для решений IoT, SysFs не подходит по трем серьезным причинам:

  • Низкая скорость работы I/O;
  • Есть проблемы с безопасной работой с GPIO при совместном доступе;
  • При контейнеризации приложения на C# в контейнер придется пробрасывать много путей из файловой системы Linux, что создается дополнительные сложности. При использование библиотеки Libgpiod этого не требуется.

Библиотека Libgpiod предназначена для работы с GPIO не только из .NET кода, но и из Python, C++, и т.д. Поэтому ниже изложенная инструкция по установке библиотеки Libgpiod позволит разработчикам на Python реализовывать подобную функциональность, как и на C#. В состав пакета Libgpiod входят утилиты для работы с GPIO. До создание программы на C#, поработаем с датчиками через эти утилиты.

Схема подключения светодиода (LED) и кнопки


Подключать светодиод и кнопку будем на 40-контактный разъем совместимый с Raspberry Pi 3. Светодиод будет подключен на 33 контакт разъема, название контакта PB4, номер линии 36. Кнопка будет подключен на 35 контакт разъема, название контакта PB6, номер линии 38. Необходимо обратить внимание на поддержку прерывания на контакте PB6 для кнопки. Поддержка прерывания необходима для исключения постоянного опроса линии с помощью CPU. На контакте PB6 доступно прерывание PB_EINT6, поэтому кнопку к этому контакту и подключим. Например, соседний контакт PL12 не имеет прерывание, поэтому подключать кнопку к нему кнопку не будем. Если вы подключаете кнопку и резистор напрямую, то не забывайте в цепь добавить резистор для сопротивления для избежания выгорания порта!

libgpiod Armbian
Схема подключения светодиода (LED) и кнопки к 40-контактному разъему совместимый с Raspberry Pi 3

libgpiod Armbian
Схема назначения контактов к которым подключается светодиод (LED) и кнопка

Интерфейс GPIO ядра Linux


GPIO (General-Purpose Input/Output) является одним из наиболее часто используемых периферийных устройств во встраиваемых системах (embedded system) Linux.

Во внутренней архитектуре ядро Linux реализует доступ к GPIO через модель производитель/потребитель. Существуют драйверы, которые предоставляют доступ к линиям GPIO (драйверы контроллеров GPIO) и драйверы, которые используют линии GPIO (клавиатура, сенсорный экран, датчики и т. д.).

В ядре Linux система gpiolib занимается регистрацией и распределением GPIO. Эта структура доступна через API как для драйверов устройств, работающих в пространстве ядра (kernel space), так и для приложений пользовательского пространства (user space).

libgpiod Armbian
Схема работы gpiolib

Старый путь: использование виртуальной файловой системы sysfs для доступа к GPIO


До версии ядра Linux 4.7 для управления GPIO в пользовательском пространстве использовался интерфейс sysfs. Линии GPIO были доступны при экспорте по пути /sys/class/gpio. Так, например, для подачи сигнала 0 или 1 на линию GPIO, необходимо:

  1. Определить номер линии (или номер ножки процессора) GPIO;
  2. Экспортировать номер GPIO, записав его номер в /sys/class/gpio/export;
  3. Конфигурировать линию GPIO как вывод, указав это в /sys/class/gpio/gpioX/direction;
  4. Установить значение 1 или 0 для линии GPIO /sys/class/gpio/gpioX/value;

Для наглядности установим для линии GPIO 36 (подключен светодиод) из пользовательского пространства, значение 1. Для этого необходимо выполнить команды:

# echo 36 > /sys/class/gpio/export# echo out > /sys/class/gpio/gpio36/direction# echo 1 > /sys/class/gpio/gpio36/value

Этот подход очень простой как и интерфейс sysfs, он неплохо работает, но имеет некоторые недостатки:

  1. Экспорт линии GPIO не связан с процессом, поэтому если процесс использующий линию GPIO аварийно завершит свою работу, то эта линия GPIO так и останется экспортированной;
  2. Учитываю первый пункт возможен совместный доступ к одной и той же линии GPIO, что приведет к проблеме совместного доступа. Процесс не может узнать у ОС используется ли та или иная линия GPIO в настоящий момент;
  3. Для каждой линии GPIO приходится выполнять множество операций open()/read()/write()/close(), а так же указывать параметры (export, direction, value, и т.д.) используя методы работы с файлами. Это усложняет программный код;
  4. Невозможно включить/выключить сразу несколько линий GPIO одним вызовом;
  5. Процесс опроса для перехвата событий (прерываний от линий GPIO) ненадежен;
  6. Нет единого интерфейса (API) для конфигурирования линий GPIO;
  7. Номера, присвоенные линиям GPIO непостоянны, их приходится каждый раз экспортировать;
  8. Низкая скорость работы с линиями GPIO;

Новый путь: интерфейс chardev


Начиная с ядра Linux версии 4.8 интерфейс GPIO sysfs объявлен как deprecated и не рекомендуется к использованию. На замену sysfs появился новый API, основанный на символьных устройствах для доступа к линиям GPIO из пользовательского пространства.

Каждый контроллер GPIO (gpiochip) будет иметь символьное устройство в разделе /dev, и мы можем использовать файловые операции (open(), read(), write(), ioctl(), poll(), close()) для управления и взаимодействия с линиями GPIO. контроллеры GPIO доступны по путям /dev/gpiochipN или /sys/bus/gpiochipN, где N порядковый номер чипа. Просмотр доступных контроллеров GPIO (gpiochip) на Banana Pi BPI-M64:

root@bananapim64:~# ls /dev/gpiochip*/dev/gpiochip0  /dev/gpiochip1  /dev/gpiochip2


libgpiod Armbian
Стек работы библиотеки libgpiod

Несмотря на то, что новый API предотвращает управление линиями GPIO с помощью стандартных инструментов командной строки, таких как echo и cat, он обладает весомыми преимуществами по сравнению с интерфейсом sysfs, а именно:

  • Выделение линий GPIO связано с процессом, который он его использует. При завершение процесса, так же в случае аварийного завершения, линии GPIO используемые процессом освобождаются автоматически;
  • Дополнительно, можно всегда определить какой процесс в данное время использует определенную линию GPIO;
  • Можно одновременно читать и писать в несколько линий GPIO одновременно;
  • Контроллеры GPIO и линии GPIO можно найти по названию;
  • Можно настроить состояние вывода контакта (open-source, open-drain и т. д.);
  • Процесс опроса для перехвата событий (прерывания от линий GPIO) надежен.

Библиотека libgpiod и инструменты управления GPIO


Для использования нового интерфейса символьного устройства есть библиотека и набор инструментов, предоставляемых проектом libgpiod.

Libgpiod(LibraryGeneralPurposeInput/Outputdevice) предоставляет набор API для вызова из своих программ и несколько утилит для управления линиями GPIO из пользовательского режима.

В состав libgpiod входят следующие утилиты:

  • gpiodetect выведет список всех чипов GPIO, их метки и количество линий;
  • gpioinfo выведет информацию о линиях GPIO конкретного контроллера GPIO. В таблице вывода по колонкам будет указано: номер линии, название контакта, направление ввода/вывода, текущее состояние;
  • gpioget считает текущее состояние линии GPIO;
  • gpioset установит значение для линии GPIO;
  • gpiofind выполняет поиск контроллера GPIO и линии по имени;
  • gpiomon осуществляет мониторинг состояния линии GPIO и выводит значение при изменение состояния.

Например, следующая программа написанная на C использует libgpiod для чтения строки GPIO:

void main() {struct gpiod_chip *chip;struct gpiod_line *line;int req, value;chip = gpiod_chip_open("/dev/gpiochip0");if (!chip)return -1;line = gpiod_chip_get_line(chip, 3);if (!line) {gpiod_chip_close(chip);return -1;}req = gpiod_line_request_input(line, "gpio_state");if (req) {gpiod_chip_close(chip);return -1;}value = gpiod_line_get_value(line);printf("GPIO value is: %d\n", value);gpiod_chip_close(chip);}

Библиотеку можно вызывать так же и из кода на C++, Python, C#, и т.д.

Для управления линиями GPIO из терминала необходимо использовать инструменты командной строки, предоставляемые libgpiod. Библиотеку libgpiod и инструменты управления GPIO можно установить скомпилировать из исходного текста и установить.

Установка библиотеки libgpiod и инструментов управления GPIO


Репозитарий библиотеки libgpiod доступ по адресу libgpiod/libgpiod.git. В разделе Download опубликованы релизы библиотеки. На 28.04.2021 последний релиз: v1.6.3.

Библиотеку libgpiod можно установить из репозитария дистрибутива, но скорее всего будет доступна старая версия. Установка libgpiod:

$ sudo apt-get update$ sudo apt-get install -y libgpiod-dev gpiod

Для установки последней актуальной версии необходимо выполнить скрипт установки, который возьмет последнюю версию библиотеки из исходного репозитария. В строке вызова скрипта установки setup-libgpiod-arm64.sh, в качестве первого параметра указать номер версии библиотеки (например: 1.6.3), второй параметр (необязательный) папка установки скрипта. По умолчанию библиотека установится по пути: /usr/share/libgpiod.

Скрипт установки из исходного текста библиотеки libgpiod и утилит для ARM32/ARM64:

$ cd ~/$ sudo apt-get update$ sudo apt-get install -y curl $ curl -SL --output setup-libgpiod-armv7-and-arm64.sh https://raw.githubusercontent.com/devdotnetorg/dotnet-libgpiod-linux/master/setup-libgpiod-armv7-and-arm64.sh$ chmod +x setup-libgpiod-armv7-and-arm64.sh$ sudo ./setup-libgpiod-armv7-and-arm64.sh 1.6.3

Для удаления библиотеки выполнить скрипт: remove-libgpiod-armv7-and-arm64.sh

Если по итогу выполнения скрипта появится надпись Successfully, то значит библиотека и утилиты успешно установлены. Дополнительно для проверки, можно вызвать команду с выводом номера версии библиотеки:

root@bananapim64:~# gpiodetect -vgpiodetect (libgpiod) v1.6.3Copyright (C) 2017-2018 Bartosz GolaszewskiLicense: LGPLv2.1This is free software: you are free to change and redistribute it.There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.

Инструменты библиотеки libgpiod


Команда gpiodetect выведет список всех чипов GPIO, их метки и количество линий. Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# gpiodetectgpiochip0 [1f02c00.pinctrl] (32 lines)gpiochip1 [1c20800.pinctrl] (256 lines)gpiochip2 [axp20x-gpio] (2 lines)

gpiochip0 и gpiochip1, это чипы входящие в состав SoC Allwinner A64. gpiochip1 имеет выход на 40-контактный разъем совместимый с Raspberry Pi. Чип gpiochip2 отдельная микросхема управления электропитанием axp209 подключенная по интерфейсу I2C.

Для вывод справки к вызываемой команде необходимо добавлять параметр "--help". Вызов справки для команды gpiodetect. Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# gpiodetect --helpUsage: gpiodetect [OPTIONS]List all GPIO chips, print their labels and number of GPIO lines.Options:  -h, --help:           display this message and exit  -v, --version:        display the version and exit

Команда gpioinfo выведет информацию о линиях GPIO конкретного контроллера GPIO (или всех контроллеров GPIO, если они не указаны).Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# gpioinfo 1gpiochip1 - 256 lines:        line   0:      unnamed       unused   input  active-high...        line  64:      unnamed         "dc"  output  active-high [used]...        line  68:      unnamed "backlightlcdtft" output active-high [used]...        line  96:      unnamed   "spi0 CS0"  output   active-low [used]        line  97:      unnamed       unused   input  active-high        line  98:      unnamed       unused   input  active-high        line  99:      unnamed       unused   input  active-high        line 100:      unnamed      "reset"  output   active-low [used]...        line 120:      unnamed "bananapi-m64:red:pwr" output active-high [used]...        line 254:      unnamed       unused   input  active-high        line 255:      unnamed       unused   input  active-high

В таблице по колонкам указано: номер линии, название контакта, направление ввода/вывода, текущее состояние. Сейчас к Banana Pi BPI-M64 подключен LCD экран ILI9341 на SPI интерфейсе, для подключения используется вариант с управляемой подсветкой, файл DTS sun50i-a64-spi-ili9341-backlight-on-off.dts. В DTS файле контакт PC4 GPIO68 обозначен для управления подсветкой, название backlightlcdtft. Соответственно в выводе команды, указан номер линии 68, название backlightlcdtft, направление вывод, текущее состояние active-high (включено).

Команда gpioset установит значение для линии GPIO. Например, следующая команда попытается выключить подсветку на LCD ILI9341. Команда: gpioset 1 68=0, где 1 gpiochip1, 68 номер линии(контакта), 0 логическое значение, может быть 0 или 1. Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# gpioset 1 68=0gpioset: error setting the GPIO line values: Device or resource busyroot@bananapim64:~#

В результате мы получим ошибку линия занята, т.к. данная линия занята драйвером gpio-backlight.

Попробуем включить светодиод на линии 36, название PB4, номер контакта на 40-контактном разъеме (совместимый с Raspberry Pi) 33. Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# gpioset 1 36=1

В результате выполнения команды, светодиод включится.

Команда gpioget считывает текущее состояние линии GPIO. Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# gpioget 1 361

Получили значение 1, т.к. до этого включили светодиод командой gpioset.

Команда gpiomon будет осуществлять мониторинг состояния линии GPIO и выводить значение при изменение состояния. Будем мониторить состояние кнопки, которая подключена на линию 38, название PB4, номер контакта на 40-контактном разъеме (совместимый с Raspberry Pi) 35. Команда: gpiomon 1 38, где 1 gpiochip1, 38 номер линии (контакта). Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# gpiomon 1 38event:  RISING EDGE offset: 38 timestamp: [     122.943878429]event: FALLING EDGE offset: 38 timestamp: [     132.286218099]event:  RISING EDGE offset: 38 timestamp: [     137.639045559]event: FALLING EDGE offset: 38 timestamp: [     138.917400584]

Кнопка несколько раз нажималась. RISING повышение, изменение напряжения с 0V до 3.3V, кнопка нажата и удерживается состояние. FALLING понижение, изменение напряжения с 3.3V до 0V, происходит отпускание кнопки, и кнопка переходит в состояние не нажата.

С механической кнопкой возникла проблема из-за дребезга контакта, регистрировались множественные нажатия вместо одного. Поэтому механическая кнопка была заменена на емкостную (touch) кнопку.

Установка .NET 5.0 для ARM


Одно из лучших нововведений в .NET 5.0 стало увеличение производительности для архитектуры ARM64. Поэтому переход на новую версию не только увеличит производительность решения на базе ARM64, но и увеличит время автономной работы в случае использования аккумуляторной батареи.

Определение архитектуры ARM32 и ARM64 для SoC


.NET 5 устанавливается на одноплатный компьютер в соответствие с архитектурой SoC:

  • ARM32, ARMv7, aarch32, armhf 32-разрядная архитектура ARM. Первые процессоры ARM для встраиваемых систем разрабатывались именно на этой архитектуре. По заявлению компании ARM Holding, в 2022 поддержка 32-битных платформ прекратится, и будет поддерживаться только 64-битная архитектура. Это означает, что компания не будет поддерживать разработку ПО для 32-битных систем. Если конечный производитель устройства пожелает установить 32-битную ОС, то ему придется самостоятельно заняться портированием драйверов с 64-битной архитектуры на 32-битную.
  • ARM64, ARMv8, aarch64 64-разрядная архитектура ARM. Ядра Cortex-A53 и Cortex-A57, поддерживающие ARMv8, были представлены компанией ARM Holding 30 октября 2012 года.

Плата Banana Pi BPI-M64 построена на основе процессора Allwinner A64, содержит в себе 64-битные ядра Cortex-A53, поэтому поддерживает 64-разрядные приложения. Для платы Banana Pi BPI-M64 используется 64-разрядный образ ОС Armbian, поэтому на плату будем устанавливать .NET для 64-разрядных систем ARM.

Плата Cubietruck построена на основе процессора Allwinner A20 содержит в себе 32-битные ядра Cortex-A7, поэтому поддерживает только 32-разрядные приложения. Соответственно на плату устанавливается .NET для 32-разрядных систем.

Если вы не знаете какую версию .NET установить на одноплатный компьютер, то необходимо выполнить команду для получения информации об архитектуре системы: uname -m.

Выполним команду на Banana Pi BPI-M64:

root@bananapim64:~# uname -maarch64

Строка aarch64 говорит о 64-разрядной архитектуре ARM64, ARMv8, aarch64, поэтому установка .NET для 64-х разрядных ARM систем.

Выполним команду на Cubietruck:

root@cubietruck:~# uname -marmv7l

Строка armv7l говорит о 32-разрядной архитектуре ARM32, ARMv7, aarch32, armhf, поэтому установка .NET для 32-разрядных ARM систем.

Редакции .NET 5.0 на ARM


.NET 5.0 можно устанавливать в трех редакциях:

  • .NET Runtime содержит только компоненты, необходимые для запуска консольного приложения.
  • ASP.NET Core Runtime предназначен для запуска ASP.NET Core приложений, так же включает в себя .NET Runtime для запуска консольных приложений.
  • SDK включает в себя .NET Runtime, ASP.NET Core Runtime и .NET Desktop Runtime. Позволяет кроме запуска приложений, компилировать исходный код на языках C# 9.0, F# 5.0, Visual Basic 15.9.

Для запуска .NET программ достаточно установки редакции .NET Runtime, т.к. компиляция проекта будет на компьютере x86.

Загрузить .NET с сайта Microsoft можно по ссылке Download .NET 5.0.

Установка .NET Runtime


На странице Download .NET 5.0. можно узнать текущую актуальную версию .NET. В первой колонке Release information будет указана версия: v5.0.5 Released 2021-04-06. Версия номер: 5.0.5. В случае выхода более новый версии .NET, ниже в скрипте в строке export DOTNET_VERSION=5.0.5, нужно будет заменить номер версии на последний. Выполним скрипт установки, в зависимости от разрядности системы ARM32 (Cubietruck) или ARM64(Banana Pi BPI-M64):

ARM64

$ cd ~/$ apt-get update && apt-get install -y curl$ export DOTNET_VERSION=5.0.5$ curl -SL --output dotnet.tar.gz https://dotnetcli.azureedge.net/dotnet/Runtime/$DOTNET_VERSION/dotnet-runtime-$DOTNET_VERSION-linux-arm64.tar.gz \&& mkdir -p /usr/share/dotnet \&& tar -ozxf dotnet.tar.gz -C /usr/share/dotnet \&& rm dotnet.tar.gz$ ln -s /usr/share/dotnet/dotnet /usr/bin/dotnet

ARM32
$ cd ~/$ apt-get update && apt-get install -y curl$ export DOTNET_VERSION=5.0.5$ curl -SL --output dotnet.tar.gz https://dotnetcli.azureedge.net/dotnet/Runtime/$DOTNET_VERSION/dotnet-runtime-$DOTNET_VERSION-linux-arm.tar.gz \&& mkdir -p /usr/share/dotnet \&& tar -ozxf dotnet.tar.gz -C /usr/share/dotnet \&& rm dotnet.tar.gz$ ln -s /usr/share/dotnet/dotnet /usr/bin/dotnet


Проверим запуск .NET, командой (результат одинаков для Banana Pi BPI-M64 и Cubietruck): dotnet --info

root@bananapim64:~# dotnet --infoHost (useful for support):  Version: 5.0.5  Commit:  2f740adc14.NET SDKs installed:  No SDKs were found..NET runtimes installed:  Microsoft.NETCore.App 5.0.5 [/usr/share/dotnet/shared/Microsoft.NETCore.App]To install additional .NET runtimes or SDKs:  https://aka.ms/dotnet-download

.NET установлен в системе, для запуска приложений в Linux необходимо воспользоваться командой: dotnet ConsoleApp1.dll

Обновление .NET 5.0


При выходе новых версий .NET необходимо сделать следующее:

  1. Удалить папку /usr/share/dotnet/
  2. Выполнить скрипт установки, указав новую версию .NET в строке export: DOTNET_VERSION=5.0.5. Номер последней версии .NET можно посмотреть на странице Download .NET 5.0. Строку скрипта создания символической ссылки выполнять не надо: ln -s /usr/share/dotnet/dotnet /usr/bin/dotnet


Удаленная отладка приложения на .NET 5.0 в Visual Studio Code для ARM


Удаленная отладка в Visual Studio Code позволяет в интерактивном режиме видеть ошибки и просматривать состояние переменных, без необходимости постоянного ручного переноса приложения на одноплатный компьютер, что существенно облегчает разработку. Бинарные файлы копируются в автоматическом режиме с помощью утилиты Rsync. Для работы с GPIO, настройка удаленной отладки не является обязательной задачей. Более подробно можно почитать в публикации Удаленная отладка приложения на .NET 5.0 в Visual Studio Code для ARM на примере Banana Pi BPI-M64 и Cubietruck (Armbian, Linux).

Создание первого приложения для управления (вкл/выкл светодиода) GPIO на C#, аналог утилиты gpioset


Поздравляю тебя %habrauser%! Мы уже подходим к финалу, осталось буквально чуть-чуть. Разрабатывать и компилировать приложение будем на x86 компьютере в в Visual Studio Code. Находясь в этой точке, подразумевается, что на одноплатном компьютере уже установлена платформа .NET 5 и библиотека Libgpiod, а на компьютере x86 .NET 5 и Visual Studio Code. Итак приступаем:

Шаг 1 Создание приложения dotnet-gpioset


Действия выполняются на x86 компьютере. В командной строке создаем проект с названием dotnet-gpioset: dotnet new console -o dotnet-gpioset, где dotnet-gpioset название нового проекта. Результат выполнения команды:

D:\Anton\Projects>dotnet new console -o dotnet-gpiosetGetting ready...The template "Console Application" was created successfully.Processing post-creation actions...Running 'dotnet restore' on dotnet-gpioset\dotnet-gpioset.csproj...  Определение проектов для восстановления...  Восстановлен D:\Anton\Projects\dotnet-gpioset\dotnet-gpioset.csproj (за 68 ms).Restore succeeded.

После выполнения команды будет создана папка \Projects\dotnet-gpioset\, в этой папке будет расположен наш проект: папка obj, файл программы Program.cs и файл проекта dotnet-gpioset.csproj.

Шаг 2 Установка расширения C# for Visual Studio Code (powered by OmniSharp) для Visual Studio Code


Запустим Visual Studio Code и установим расширение C# for Visual Studio Code (powered by OmniSharp), для возможности работы с кодом на C#. Для этого нажмем на закладке: 1. Extensions, затем 2. в поле ввода напишем название расширения C# for Visual Studio Code, выберем пункт 3. C# for Visual Studio Code (powered by OmniSharp). 4. Перейдем на страницу описание расширения и нажмем на кнопку Install.

.NET Visual Studio Code ARM
C# for Visual Studio Code (powered by OmniSharp)

После установки можно выполнить настройку расширения.

.NET Visual Studio Code ARM
Настройка расширения C# for Visual Studio Code

После установки расширения, перезапустим Visual Studio Code.

Шаг 3 Открытие проекта в Visual Studio Code и добавление NuGet пакетов


Откроем проект в Visual Studio Code. Меню: File =>Open Folder, и выберем папку с проектом \Projects\dotnet-gpioset\

dotnet libgpiod
Проект в Visual Studio Code

Откроем файл dotnet-gpioset.csproj, убедимся что версия .NET выставлена верно, должно быть следующее содержание:

dotnet libgpiod
Содержание файла dotnet-gpioset.csproj

NuGet пакеты можно добавить через командную строку или расширение NuGet Package Manager. Установим данное расширение, и добавим пакеты: Iot.Device.Bindings и System.Device.Gpio. Для этого нажмем комбинацию Ctrl+Shift+P, затем в поле введем: Nuget, выберем Nuget Packet Managet: Add Package.

dotnet libgpiod
Запуск расширения NuGet Package Manager

В поле ввода укажем название пакета Iot.Device.Bindings, нажмем Enter, затем выберем версию 1.4.0 и нажмем Enter. Так же сделать и для пакета System.Device.Gpio. В результате добавление пакетов, содержимое файла dotnet-gpioset.csproj должно быть следующим:

dotnet libgpiod
Содержание файла dotnet-gpioset.csproj

Шаг 4 Добавление обработки аргументов в код


Утилита dotnet-gpioset как и оригинальная gpioset будет принимать на вход точно такие же аргументы. Вызов: dotnet-gpioset 1 36=1, включит светодиод на gpiochipX 1, номер линии 36, значение 1. В режиме отладки будут заданы значения по умолчанию int_gpiochip=1, int_pin=36, pin_value = PinValue.High. Подключим пространство имен System.Device.Gpio для использование структуры PinValue.

Обработка входящих аргументов:

static void Main(string[] args){  //run: dotnet-gpioset 1 36=1  //-----------------------------------------------                          int? int_gpiochip=null,int_pin=null;  PinValue? pin_value=null;    #if DEBUG    Console.WriteLine("Debug version");    int_gpiochip=1;    int_pin=36;    pin_value = PinValue.High;  #endif  if (args.Length==2)    {      //Read args      if (int.TryParse(args[0], out int output)) int_gpiochip = output;      Regex r = new Regex(@"\d+=\d+");//36=1      if (r.IsMatch(args[1])) //check: 36=1        {          var i = args[1].Split("=");          if (int.TryParse(i[0], out output)) int_pin = output;          if (int.TryParse(i[1], out output))            {              pin_value=(output != 0) ? PinValue.High : PinValue.Low;                                         }        }      }  Console.WriteLine($"Args gpiochip={int_gpiochip}, pin={int_pin}, value={pin_value}");  //next code  Console.WriteLine("Hello World!");}

Запускаем выполнение кода для проверки, меню Run => Start Debugging, все работает отлично!

Загружено "C:\Program Files\dotnet\shared\Microsoft.NETCore.App\5.0.5\System.Text.Encoding.Extensions.dll". Загрузка символов пропущена. Модуль оптимизирован, включен параметр отладчика "Только мой код".Debug versionArgs gpiochip=1, pin=36, value=HighHello World!Программа "[8528] dotnet-gpioset.dll" завершилась с кодом 0 (0x0).

Шаг 5 Добавление контроллера управления GPIO c драйвером LibGpiodDriver


Для управления GPIO необходимо создать объект GpioController и указать драйвер LibGpiodDriver, для этого добавим пространство имен System.Device.Gpio.Drivers.

Добавление контроллера:

//next codeGpioController controller;var drvGpio = new LibGpiodDriver(int_gpiochip.Value);            controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Logical, drvGpio);

Описание кода:

  • GpioController класс контроллера для управления контактами GPIO;
  • LibGpiodDriver(int_gpiochip.Value) драйвер обертки библиотеки Libgpiod, в качестве аргумента указываем номер gpiochip;
  • GpioController(PinNumberingScheme.Logical, drvGpio) инициализация контроллера, PinNumberingScheme.Logical формат указания контактов. Есть два варианта, по названию контакта или по его номеру. Но т.к. названия контактов не заданы, то обращение будет только по номеру.

Шаг 6 Управление контактом GPIO


Добавление кода для задания значения контакту:

//set value            if(!controller.IsPinOpen(int_pin.Value))  {    controller.OpenPin(int_pin.Value,PinMode.Output);    controller.Write(int_pin.Value,pin_value.Value);                      } 

Описание кода:

  • controller.IsPinOpen проверка открытия контакта, может быть занят или недоступен;
  • controller.OpenPin открытие контакта и задание ему режима работы, PinMode.Output на вывод;
  • controller.Write(int_pin.Value,pin_value.Value) выставление контакту int_pin значение pin_value.

Шаг 7 Публикация для архитектуры ARM


Открыть командную строку, и перейти в папку \Projects\dotnet-gpioset\.

Для ARM32 выполнить команду:

  • параметр --runtime задает архитектуру выполнения программы (берется из списка Runtime Identifiers (RIDs));
  • параметр --self-contained указывает на необходимость добавление в каталог всех зависимых сборок .NET, при выставление значение в False, копируются только дополнительные сборки не входящие в .NET Runtime (в данном случае будут скопированы сборки из дополнительных NuGet пакетов).

dotnet publish dotnet-gpioset.csproj --configuration Release --runtime linux-arm --self-contained false

Файлы для переноса на одноплатный компьютер будут в папке: \Projects\dotnet-gpioset\bin\Release\net5.0\linux-arm\publish\.

Для ARM64 выполнить команду:

dotnet publish dotnet-gpioset.csproj --configuration Release --runtime linux-arm64 --self-contained false

Файлы для переноса на одноплатный компьютер будут в папке: \Projects\dotnet-gpioset\bin\Release\net5.0\linux-arm64\publish\.

Шаг 8 Перенос папки \publish\


Содержимое папки \publish\ необходимо перенести в домашний каталог Linux пользователя на одноплатном компьютере. Это можно сделать используя терминал MobaXterm.

Шаг 9 Запуск dotnet-gpioset на одноплатном компьютере


Содержимое папки \publish\ было скопировано в папку /root/publish-dotnet-gpioset. Исполняемым файлом будет файл с расширением *.dll. В самом начале, светодиод был подключен на контакт 33, 40-контактного разъема совместимого с Raspberry P, название контакта PB4, номер линии 36. Поэтому в качестве аргумента номера контакта указываем 36. Для запуска программы необходимо выполнить команду:

dotnet dotnet-gpioset.dll 1 36=1

Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~# cd /root/publish-dotnet-gpiosetroot@bananapim64:~/publish-dotnet-gpioset# dotnet dotnet-gpioset.dll 1 36=1Args gpiochip=1, pin=36, value=HighOK

Светодиод включился!



Проект доступен на GitHub dotnet-gpioset.

Создание приложения обработки прерывания от кнопки


Теперь реализуем программу обработки прерываний от GPIO. Задача будет заключаться в переключение светодиода по нажатию кнопки. Первое нажатие кнопки включит светодиод, последующее, выключит светодиод, и так до бесконечности. Программа основана на примере Push button.

Светодиод подключен контакту с номером 36. Кнопка подключена на контакт с номером 38. Итак приступаем:

Шаг 1 Создание приложения dotnet-led-button


Действия выполняются на x86 компьютере. В командной строке создаем проект с названием dotnet-led-button: dotnet new console -o dotnet-led-button, где dotnet-led-button название нового проекта.

D:\Anton\Projects>dotnet new console -o dotnet-led-buttonGetting ready...The template "Console Application" was created successfully.Processing post-creation actions...Running 'dotnet restore' on dotnet-led-button\dotnet-led-button.csproj...  Определение проектов для восстановления...  Восстановлен D:\Anton\Projects\dotnet-led-button\dotnet-led-button.csproj (за76 ms).Restore succeeded.

После выполнения команды будет создана папка с файлами проекта \Projects\dotnet-led-button\.

Шаг 2 Открытие проекта в Visual Studio Code и добавление NuGet пакетов


Точно так же, как и в предыдущем проекте добавим Nuget пакеты: Iot.Device.Bindings и System.Device.Gpio.

Шаг 3 Добавление контроллера управления GPIO c драйвером LibGpiodDriver


Добавим контроллер для управления GPIO, и выставим режим работы контактов:

private const int GPIOCHIP = 1;private const int LED_PIN = 36;private const int BUTTON_PIN = 38;       private static PinValue ledPinValue = PinValue.Low;     static void Main(string[] args){                          GpioController controller;  var drvGpio = new LibGpiodDriver(GPIOCHIP);  controller = new GpioController(PinNumberingScheme.Logical, drvGpio);  //set value  if(!controller.IsPinOpen(LED_PIN)&&!controller.IsPinOpen(BUTTON_PIN))    {      controller.OpenPin(LED_PIN,PinMode.Output);      controller.OpenPin(BUTTON_PIN,PinMode.Input);    }  controller.Write(LED_PIN,ledPinValue); //LED OFF

Описание кода:

  • controller.OpenPin(LED_PIN,PinMode.Output) - открывает контакт светодиода, и выставляет режим работы на вывод;
  • controller.OpenPin(BUTTON_PIN,PinMode.Input) - открывает контакт кнопки, и выставляет режим работы на ввод (сигнал поступает от кнопки.

Шаг 4 Добавление обработки прерывания кнопки


Обработка прерывания реализуется путем добавление Callback на изменение состояние контакта. Callback регистрируется в контроллере GPIO:

controller.RegisterCallbackForPinValueChangedEvent(BUTTON_PIN,PinEventTypes.Rising,(o, e) =>  {    ledPinValue=!ledPinValue;    controller.Write(LED_PIN,ledPinValue);    Console.WriteLine($"Press button, LED={ledPinValue}");          });

Описание кода:

  • RegisterCallbackForPinValueChangedEvent регистрация Callback на контакт BUTTON_PIN, будет срабатывать при нажатие на кнопку Rising. Так же доступно срабатывание на событие отпускание кнопки.

Шаг 5 Публикация для архитектуры ARM


Открыть командную строку, и перейти в папку \Projects\dotnet-led-button\.

Для ARM32 выполнить команду:

dotnet publish dotnet-led-button.csproj --configuration Release --runtime linux-arm --self-contained false

Файлы для переноса на одноплатный компьютер будут в папке: \Projects\dotnet-led-button\bin\Release\net5.0\linux-arm\publish\.

Для ARM64 выполнить команду:

dotnet publish dotnet-led-button.csproj --configuration Release --runtime linux-arm64 --self-contained false

Файлы для переноса на одноплатный компьютер будут в папке: \Projects\dotnet-led-button\bin\Release\net5.0\linux-arm64\publish\.

Шаг 6 Перенос папки \publish\


Содержимое папки \publish\ необходимо перенести в домашний каталог Linux пользователя на одноплатном компьютере.

Шаг 7 Запуск dotnet-led-button на одноплатном компьютере


Содержимое папки \publish\ было скопировано в папку /root/publish-dotnet-led-button. Для запуска программы необходимо выполнить команду:

dotnet dotnet-led-button.dll

Результат выполнения команды:

root@bananapim64:~/publish-dotnet-led-button# dotnet dotnet-led-button.dllCTRL+C to interrupt the read operation:Press any key, or 'X' to quit, or CTRL+C to interrupt the read operation:Press button, LED=LowPress button, LED=HighPress button, LED=LowPress button, LED=HighPress button, LED=Low

Кнопка работает!

Проект доступен на GitHub dotnet-led-button.

Теперь поговорим о скорости


Замеры скорости управления GPIO на Banana Pi BPI-M64 не проводились из-за отсутствия осциллографа. Но не так давно, пользователь ZhangGaoxing опубликовал результаты замеров скорости на Orange Pi Zero: ОС Armbian buster, ядро Linux 5.10.16, .NET 5.0.3. Тест заключался в быстром переключение контакта GPIO с 0 на 1 и наоборот, по сути осуществлялась генерация сигнала ШИМ (в Arduino аналог SoftPWM). Чем больше частота, тем быстрее переключатся контакт. Для замера был разработан проект SunxiGpioDriver.GpioSpeed. ZhangGaoxing для доступа к контактам разработал драйвер SunxiDriver, который напрямую обращается к регистрам памяти для управления GPIO. Код этого драйвера так же можно адаптировать к любой плате, путем изменения адресов регистров памяти из datasheet к процессору. Минус такого подхода заключается в отсутствие контроля к GPIO со стороны ОС, можно влезть в контакт используемой ОС и вызвать сбой работы.

Таблица замеров:
Драйвер Язык Версия библиотеки Средняя частота
SunxiDriver C# - 185 KHz
SysFsDriver C# System.Device.Gpio 1.3.0 692 Hz
LibGpiodDriver C# System.Device.Gpio 1.3.0
libgpiod 1.2-3
81 KHz
wiringOP C 35de015 1.10 MHz

Результаты подтвердили, что самым медленным интерфейсом является SysFs, и его не стоит использовать для серьезных проектов. wiringOP является С оберткой доступа к GPIO. Непосредственно управление GPIO из C кода существенно быстрее, чем из приложения на .NET, разница скорости в ~13 раз. Это и есть плата за Runtime.

Итог


Управлять контактами GPIO в C# оказалось не сложнее чем на Arduino. В отличие от Arduino в нашем распоряжение Linux с поддержкой полноценной графики, звуком, и большими возможностями подключения различной периферии. В далеком 2014 году с хабровчанином prostosergik был спор о целесообразности использовании Raspberry Pi в качестве школьного звонка. Мною был реализован подобный функционал на C# .NET Micro Framework, отладочная плата FEZ Domino. С того времени многое что изменилось. Сейчас вариант использования для подобных индивидуальных задач, одноплатных компьютеров на Linux более оправдан, чем использование микроконтроллера. Первое существенное изменение это .NET теперь работает на Linux нативно. Второе появились библиотеки которые упрощают и скрывают под капотом все сложную работу. Третье цена, сейчас одноплатный компьютер с 256 Мб ОЗУ, Ethernet и Wi-Fi в известном китайском магазине можно приобрести за 18$. За такие деньги МК, с поддержкой полноценного Web-интерфейса и шифрования сетевого трафика, вряд ли найдешь. Платформа .NET IoT позволяет работать с GPIO на достаточно высоком уровне абстракции, что существенно снижает порог вхождения. В результате любой разработчик .NET платформы, может с легкостью реализовать свое решение для IoT не вдаваясь в детали как это работает внутри. Установка платформы .NET и библиотеки Libgpiod было приведено для понимания, как это работает, но такой подход не является самым удобным. Гораздо удобнее все разворачивать в Docker контейнере, тем более это mainstream для Linux. В продолжении посмотрим как упаковывать приложение на C# вместе с .NET 5 и Libgpiod в один контейнер, для дальнейшей удобной дистрибьюции нашего решения потенциальному клиенту, задействуем LCD для вывода информации из .NET кода.



На правах рекламы


Прямо сейчас вы можете заказать мощные серверы, которые используют новейшие процессоры AMD Epyc. Гибкие тарифы от 1 ядра CPU до безумных 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.

Подписывайтесь на наш чат в Telegram.

Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru