TP1: Outils de développement et GPIO

La carte Raspberry Pi offre de nombreuses possibilités pour développer des applications embarquées. Notamment, elle dispose de ports d'entrées/sorties génériques (GPIO) qui permettent de s'interfacer avec un grand nombre de périphériques plus ou moins exotiques.

Dans ce TP il vous est demander de développer une application "user-land" qui fasse clignoter une ou plusieurs LED's selon on motif que vous choisirez et également de récupérer les informations de plusieurs boutons poussoirs.

A la fin de ce TP, vous devriez avoir acquis les compétences suivantes:

• Compilation croisée via un compilateur déporté
• Contrôle distant de système embarqué par liaison réseau (SSH)
• Manipulation d'un périphérique GPIO et de ses registres "memory mappés"
• Interface numérique/analogique via des ports GPIO
• Programmation d'automates de contrôle en C

1. Prise en mains des outils de développement: Hello World!

La première étape consiste à vous familiariser avec les outils de développement. Pour cela, vous allez développer un petit programme de type "Hello World!" qui affiche une phrase sur la sortie standard grâce à un printf.

Pour compiler votre programme, suivez les instructions suivantes.

Tout d'abord configurez votre terminal pour utiliser le compilateur croisé:

$ source /users/enseig/jpeeters/m1.peri/export_rpi_toolchain.sh

Une fois le terminal configuré, vérifiez que le compilateur est accéssible:

$ which bcm2708hardfp-gcc

Si cette commande ne retourne rien, la configuration n'a pas fonctionnée. Appelez le chargé de TP pour vous aider.

Votre suite d'outils (toolchain) contient tous les outils nécessaire pour la compilatio, l'édition des liens et la manipulation de binaires pour la carte Raspberry Pi. Et tous ces outils sont préfixés par la même chaîne de caractéres: "bcm2708hardfp". Il d'agit donc d'un compilateur pour un SoC BCM2708 avec l'option hardfp activée (calcul flottant matériel). Il s'agit bien du SoC de la carte Raspberry Pi.

Maintenant, pour compiler un programme C vers un binaire qui puisse s'exécuter sur le carte Raspberry Pi, il vous faut écrire un Makefile pour plus de facilité. Pour cela, suivez la syntaxe de base des Makefile:

cible: dépendences
    commande

Notez bien que l'indentation de la seconde ligne doit OBLIGATOIREMENT être une tabulation et non un série d'espaces.

Vous pourrez donc par exemple, écrire la règle de Makefile suivante:

helloworld.x: helloworld.c
    bcm2708hardfp-gcc -o $@ $< -O2 -static

L'option "-static" est importante ici car la librairie C du compilateur croisé n'est pas tout à fait identique à la librairie C sur la carte Raspberry Pi. Ajouter "-static" à la ligne de compilation permet de créer un binaire qui contient en plus les fonction de la librairie C utilisée par votre programme. Ceci permettra à celui-ci de ne pas essayer d'utiliser des fonction de la librairie C installée sur la carte.

Essayez toutes les variantes ou combinaison de programme C que vous souhaitez.

2. Contrôle de GPIO en sortie

Dans cette exercice, on vous propose de manipuler une pin du GPIO en mode "sortie" pour contrôler le clignotement d'une LED à une fréquence donnée.

Avant de commencer à écrire du code, déterminez quelles sont les différentes étapes nécessaires depuis l'initialisation jusqu'à l'envoi des valeurs 0 ou 1 sur le GPIO ?

Dans un premier temps, on vous ne demande pas d'écrire le code spécifique à la manipulation des registres du contrôleur GPIO. Pour vous aider, vous avez à disposition une petite librairie "libgpio".

Pour récupérer cette librairie, exécuter la commande suivante dans un terminal et dans le dossier que vous souhaitez pour contenir votre code pour ce premier TP.

cp -r /users/enseig/jpeeters/m1.peri/lab1 .

Editez le fichier lab1.c et ajouter le code que vous pensez nécessaire à la réalisation de cet exercice.

ATTENTION: ne changez pas les valeur de GPIO_LED0 car vous risqueriez d'endommager la carte Raspberry Pi.

Ensuite compilez le grâce au Makefile qui vous est fourni.

Pour exécuter votre programme sur une carte Raspberry Pi, vous devez vous connecter en SSH sur la machine peri-gw:

$ ssh peri-gw

Une fois connecté, allez dans votre dossier qui contient votre programme compilé pour la carte. Ensuite téléchargez votre programme sur une des cartes disponibles comme indiqué par le chargé de TP.

Qu'observez-vous ? Essayez de changer la fréquence de clignotement.

3. Contrôle de plusieurs GPIO en mode "sortie"

Refaites le même exercice que précedemment mais cette fois-ci configurer plusieurs GPIO en sorties.

En plus du GPIO 4 de l'exercice précédent, rajoutez 3 définitions pour les LED1, LED2 et LED3 qui sont respectivement connectées aux GPIO 17, 22 et 27.

Avant d'exécuter votre programme, validez votre code avec le chargé de TP !

4. Lecture de la valeur d'une entrée GPIO

Maintenant que vous maîtrisez le contrôle d'un GPIO en sortie, passons au mode "entrée".

Toujours à l'aide de la librairie libgpio fournie avec ce TP, écrivez un programme qui configure la GPIO <a définir> en entrée. Et affichez la valeur de ces GPIO dans une boucle infinie (boucle d'échantillonnage).

Une fois réalisé, compilé votre programme comme précédemment à l'aide du Makefile fourni. Et validez votre code avec le chargé de TP !

Ensuite, copiez votre programme sur la carte comme indiqué dans l'exercice précédent.

Les cartes Raspberry Pi sont équipées d'un petit circuit analogique dans lequel des boutons poussoir sont connectés aux certains GPIO. Ces GPIO sont connecté avec une résistance de Pull-Up, ce qui signifie que lorsque que vous n'appuyez pas, la valeur du GPIO vaut 1 et lorsque vous appuyez, le courant passe par à la masse et la valeur du GPIO passe à 1.

Qu'observez-vous ?

Quelle est la fréquence d'échantillonnage (approximative) en sachant que le processeur de la carte fonctionne à une fréquence de 700MHz ?

A supposer que vous êtes capable d'appuyez sur le bouton à une fréquence de 10Hz (i.e. 10 fois par seconde) et sachant que le théorème de Shannon dit qu'il faut au moins échantillonner au double de la fréquence du signal d'entrée, quelle est la plus petit fréquence d'échantillonnage possible ?

Pour plus de fiabilité, on utilisera une fréquence d'échantillonnage de 100Hz. Comment pouvez vous écrire un programme qui échantillonne à cette fréquence ?

5. Manipulation de registres bas-niveau

Pour mieux comprendre les implications à bas niveau de l'utilisation d'un contrôleur de GPIO, on vous demande de réécrire les fonctions gpio_setup, gpio_config, gpio_value et gpio_update.

Vous réaliserez cela étape par étape. Aidez-vous des fichiers objets précompilé dans le répertoire lab1.

Par exemple, si vous souhaitez écrire votre propre gpio_setup, créez un fichier gpio_setup.c dans lequel vous écrirez votre code. Pour recompiler la librairie libgpio, il vous suffit de réutiliser le Makefile fourni.

ATTENTION: pour fonctionner avec le reste de la librairie libgpio, il vous faut déclarer dans gpio_setup.c une variable globale gpio_base_p de type uint32_t volatile *. Cette variable qui est un pointer vers un entier non-signé de 32 bits doit contenir l'adresse de début de la région de mémoire virtuelle associée après un appel à la fonction mmap.

6. Amusez-vous !

Maintenant que vous maîtrisez tous les aspects liés à la configuration et à la programmtion des GPIO sur Raspberry Pi, laisser aller votre imagination et proposer d'autres programmes à exécuter sur la carte Raspberry Pi qui vous est fournie.