Ethernet i AVR–y, cz.2.pdf

KURS

Ethernet i AVR–y

Ethernut od podstaw, część 2

Miesiąc temu opisałem sposoby kompilacji i instalacji

bibliotek systemu Nut/OS oraz pokazałem, jak

stworzyć najprostszy program pracujący pod jego

kontrolą. W drugiej części omówię funkcje pełnione

przez poszczególne biblioteki Nut/OS oraz

integrację Ethernuta z AVR Studio.

Biblioteki Nut/OS–a

System Ethernut składa się

z kilku bibliotek i specjalnego kodu

startowego, dołączanych do progra-

mu użytkownika znajdujących się

(w przypadku korzystania z NutBu-

ilda) w katalogu winavr\NutOS\

lib\avr. Oto one:

nutinit.o – kod startowy

systemu, uruchamiany po zerowa-

niu mikorkontrolera. Jego główne

zadania to: inicjalizacja peryferiów

mikrokontrolera (m.in. zewnętrznej

pamięci RAM), ustawienie stosu,

uruchomienie zarządzania wątkami.

Po wykonaniu powyższych czynno-

ści, kod startowy skacze do funkcji

main() programu użytkownika.

libnutarch.a – funkcje spe-

cyﬁczne dla używanej platformy

sprzętowej (np. przełączanie kon-

tekstu mikrokontrolera) oraz sterow-

niki urządzeń przeznaczone wyłącz-

nie dla konkretnej architektury (np.

UART wbudowany w mikrokontro-

ler, kontroler Ethernet RTL8019).

libnutdev.a – pozostałe ste-

rowniki urządzeń.

libnutfs.a – funkcje obsługi

systemów plików UROM i FAT.

libnutcrt.a – miniaturowa

wersja standardowej biblioteki ję-

zyka C. Zawiera takie funkcje jak

printf() , malloc() , fopen() itd.

libnutos.a – zarządzanie

wątkami, obsługa komunikacji mię-

dzyprocesowej oraz funkcje dyna-

micznej alokacji pamięci.

libnutnet.a – stos TCP/IP,

funkcje obsługi gniazd sieciowych

(socketów).

libnutpro.a – ob-

sługa popularnych protokołów

sieciowych: DNS (resolvowanie

nazw hostów), DHCP (automatycz-

na konﬁguracja sieci), HTTP, FTP.

Dołączenie kodu startowego oraz

bibliotek: nutarch , nutos , nutdev

i nutcrt jest konieczne do prawidło-

wej kompilacji programów, biblioteki

sieciowe ( nutnet i nutpro ) oraz syste-

mu plików ( nutfs )

są opcjonalne.

O makeﬁle'ach raz jeszcze

Makeﬁle to skrypty sterujące

kompilacją programów. O tym, jak

je samodzielnie tworzyć, można do-

List. 1. Kod inicjujący kontroler Ethernet i parametry TCP/IP

// statyczny adres IP naszego urządzenia

#deﬁne MY_IP_ADDR "10.1.108.222"

// statyczna maska podsieci

#deﬁne MY_NETMASK "255.255.0.0"

// statyczny adres domyślnej bramy

#deﬁne MY_GATEWAY "10.1.0.1"

// czy konﬁgurować sieć statycznie (wykomentować linię niżej), czy z użyciem

DHCP?

#deﬁne USE_DHCP

void init_network()

{

NutRegisterDevice(&DEV_ETHER, 0, 0);

#ifdef USE_DHCP

if(NutDhcpIfConﬁg("eth0", 0, 20000))

#endif

{

NutNetIfConﬁg("eth0", NULL,

inet_addr(MY_IP_ADDR),

inet_addr(MY_NETMASK));

NutIpRouteAdd(0, 0, inet_addr(MY_GATEWAY), &DEV_ETHER);

}

Ethernut i AVR Studio

Aplikacje dla systemu Ethernut można również kompilować w popularnym środowisku AVR Studio.

Aby utworzyć projekt wykorzystujący Nut/OS:

1. Tworzymy nowy projekt AVR–GCC.

2. Kopiujemy pliki Makeﬁle i Sources z jednego z przykładów do katalogu, w którym założyli-

śmy nowy projekt.

3. Modyﬁkujemy plik Sources w następujący sposób:

– w linii SOURCES umieszczamy listę plików źródłowych projektu,

– w linii OUTPUT wpisujemy nazwę projektu, która musi być dokładnie taka sama jak nazwa

w AVR Studio,

– w linii MY_CFLAGS podajemy dodatkowe opcje dla kompilatora GCC (np. tryb optymalizacji,

dodatkowe ścieżki poszukiwania plików nagłówkowych, itp.) lub zostawiamy ją pustą,

– w linii LIBS podajemy biblioteki, które będą dołączone do programu (także biblioteki Nut/OS),

– w linii CRUROM_DIR można ustawić ścieżkę do katalogu, którego zawartość znajdzie się

w pamięci Flash mikrokontrolera (np. wbudowanej w urządzenie strony WWW).

4. W menu Project–>Conﬁguration options zaznaczamy pole Use external Makeﬁle i wybieramy

skopiowany przed chwilą plik Makeﬁle .

Po wykonaniu powyższych czynności, z aplikacją dla Nut/OS można pracować tak jak ze zwykłymi

projektami AVR Studio. Przykładowe programy przedstawione w tym i następnych odcinkach kursu

będą zawierały także gotowe projekty dla AVR Studio.

Komplet kodów źródłowych przykładów z kursu

Ethernut znajdują się na płycie CD–EP1/2007B

razem z najnowszą dystrybucją systemu

Ethernut (4.2.1) i odpowiednimi skryptami

konﬁguracyjnymi.

Elektronika Praktyczna 1/2007

KURS

wiedzieć się np. na stronie http://

www.eng.hawaii.edu/Tutor/Make/ . Je-

śli korzystamy z plików makeﬁle

pochodzących z przykładowych pro-

gramów z niniejszego kursu, linko-

wane biblioteki ustawia się w pli-

ku Sources w linii LIBS. Np.

aby dołączyć libnutpro.a należy

dopisać do linii LIBS –lnutpro .

Istotna jest też kolejność biblio-

tek na liście, a w pewnych przypad-

kach konieczne jest powtórzenie tej

samej biblioteki (wynika to ze spo-

sobu działania linkera ld w przy-

padku, gdy biblioteki odwołują się

do siebie wzajemnie), np:

LIBS = –lnutarch –lnutos

–lnutdev –lnutarch –lnutcrt

Wyjaśnienie niektórych pojęć i terminów pojawiających się w tekście artykułu

DHCP ( Dynamic Host Conﬁguration Protocol ) to protokół komunikacyjny umożliwiający kompu-

terom w sieci uzyskanie od serwera danych konﬁguracyjnych, np. adresu IP hosta, adresu IP

bramy sieciowej, adresu serwera DNS, maski podsieci. Protokół DHCP jest zdeﬁniowany w RFC

2131 i jest następcą BOOTP. DHCP został opublikowany jako standard w roku 1993.

Protokół DHCP opisuje trzy techniki przydzielania adresów IP:

– przydzielanie ręczne oparte na tablicy adresów MAC oraz odpowiednich dla nich adresów

IP. Jest ona tworzona przez administratora serwera DHCP. W takiej sytuacji prawo do pracy

w sieci mają tylko komputery zarejestrowane wcześniej przez obsługę systemu,

– przydzielanie automatyczne, gdzie wolne adresy IP z zakresu ustalonego przez administratora

są przydzielane kolejnym zgłaszającym się po nie klientom,

– przydzielanie dynamiczne, pozwalające na ponowne użycie adresów IP. Administrator sieci

nadaje zakres adresów IP do rozdzielenia. Wszyscy klienci mają tak skonﬁgurowane inter-

fejsy sieciowe, że po starcie systemu automatycznie pobierają swoje adresy. Każdy adres

przydzielany jest na pewien czas. Taka konﬁguracja powoduje, że zwykły użytkownik ma

ułatwioną pracę z siecią.

Routing – jest to wyznaczenie trasy dla pakietu danych w sieci komputerowej, a następnie

wysłanie go tą trasą. W sieciach opartych na protokole TCP/IP do wyznaczania trasy pakietów

służy specjalna struktura zwana tablicą routingu. Zawiera ona adresy sieci IP (w postaci par

adres–maska) skojarzone z prowadzącymi do nich ﬁzycznymi interfejsami i/lub routerami. W przy-

kładzie opisanym w artykule tablica routingu wygląda następująco:

Network Gateway Netmask Iface

10.1.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 eth0

127.0.0.0 127.0.0.1 255.0.0.0 lo

0.0.0.0

Inicjalizacja i konﬁguracja

interfejsu sieciowego

Zanim napiszemy jakikolwiek

program wykorzystujący sieciowe

możliwości systemu Nut/OS, musi-

my zainicjalizować kontroler Ether-

net i skonﬁgurować parametry sieci

TCP/IP. Uproszczony kod (bez ob-

sługi błędów i listy plików nagłów-

kowych), który wykonuje te czyn-

ności przedstawiono na list. 1 .

Znana z poprzedniego odcinka

kursu funkcja NutRegisterDevi-

ce rejestruje w systemie i inicjuje

kontroler Ethernet (RTL8019AS).

Pojawiają się też 4 nowe funkcje,

opisane w ramce .

Program pokazany na list. 1

pozwala wybrać rodzaj konﬁguracji

10.1.0.1 0.0.0.0

eth0 –> wpis

dodany przez funkcję NutIpRouteAdd()

Wyznaczanie trasy dla pakietu polega na porównaniu jego adresu z kolejnymi wpisami tablicy

routingu:

Jeśli (Adres_docelowy_pakietu AND Netmask) == Network to:

– jeśli nie jest ustawiony gateway –> wyślij pakiet bezpośrednio do interfejsu Iface ,

– jeśli jest ustawiony gateway –> przekaż pakiet komputerowi o adresie gateway .

Ostatni wpis w tablicy routingu pasuje do każdego adresu pakietu i przekazuje pakiety do do-

myślnej bramy, czyli komputera łączącego nas z zewnętrzną siecią.

Adres 127.0.0.1 jest adresem zwrotnym urządzenia, czyli „samego siebie”.

HTTP ( Hyper Text Transfer Protocol ) to protokół sieci WWW ( World Wide Web ). Właśnie za

pomocą protokołu HTTP przesyła się żądania udostępnienia dokumentów WWW, informacje

o kliknięciu odnośnika oraz informacje z formularzy.

(DHCP/statycznie) za pomocą zmia-

ny makrodeﬁnicji USE_DHCP . Jeśli

korzystamy z DHCP, a urządzeniu

nie uda się pobrać adresu z ser-

Funkcje zastosowane w przykładach

int NutDhcpIfConﬁg(CONST char

*name, u_char * mac, u_long

timeout);

Próbuje pobrać ustawienia sieci TCP/IP z ser-

wera DHCP i jeśli to się uda, konﬁguruje z ich

użyciem interfejs sieciowy oraz zwraca wartość

0. W przypadku niepowodzenia, zwracana war-

tość jest niezerowa.

Parametry:

name – nazwa interfejsu sieciowego, który

ma być konﬁgurowany. W naszym przypadku

– "eth0".

mac – adres sprzętowy (MAC) interfejsu

sieciowego. Podanie NULL powoduje użycie

domyślnego MAC–a, zapisanego w szeregowej

pamięci na płytce z kontrolerem RTL8019AS.

timeout – czas w milisekundach, po upływie

którego funkcja kończy działanie jeśli nie otrzy-

ma odpowiedzi od serwera DHCP.

ip_addr – adres IP urządzenia.

ip_mask – maska podsieci, w której pracuje

urządzenie.

int NutTcpAccept(TCPSOCKET *sock, u_short port);

Oczekuje na połączenie przychodzące TCP na

porcie port, po odebraniu połączenia przypisuje

je do gniazda siecowego sock. W razie niepo-

wodzenia, zwracana wartość jest niezerowa.

int NutIpRouteAdd(u_long ip,

u_long mask, u_long gate,

NUTDEVICE * dev);

Dodanie wpisu do tablicy routingu.

Parametry:

ip – adres sieci docelowej.

mask – maska sieci docelowej.

gate – brama do sieci docelowej.

dev – interfejs sieciowy, na który kierowane

będą pakiety o adresach pasujących do wpisu.

FILE *_fdopen(int fd, CONST char *mode);

Tworzy strukturę FILE wirtualnego pliku połą-

czonego z deskryptorem fd w trybie mode. Tryb

„r+b” użyty w przykładach oznacza odczyt

i uzupełnianie (r+) binarne (b). Deskryptorem fd

może być np. wskaźnik do gniazda sieciowego

TCPSOCKET. Zwraca wskaźnik do nowo utworzo-

nej struktury FILE lub NULL w przypadku błędu.

uint32_t inet_addr(CONST char

*addra);

Zamiana adresu IP w postaci ciągu znaków na

liczbę 32–bitową.

Parametry:

addra – adres IP (www.xxx.yyy.zzz) w postaci

łańcucha znaków.

void fﬂush(FILE *stream);

Opróżnia bufor zapisu pliku stream, powodując

natychmiastowe zapisanie/wysłanie znajdujących

się w nim danych.

int NutNetIfConﬁg(CONST char

*name, void *mac_dev, u_long

ip_addr, u_long ip_mask);

Statyczna konﬁguracja parametrów sieci TCP/IP

– adresu IP i maski podsieci.

Parametry:

name – nazwa interfejsu sieciowego.

mac_dev – adres MAC interfejsu (lub NULL,

jeśli ma być użyty domyślny).

void NutTcpCloseSocket(TCPSOCKET *sock);

Zamyka gniazdo sieciowe sock i zwalnia pamięć

zajmowaną przez strukturę TCPSOCKET .

TCPSOCKET *NutTcpCreateSocket();

Tworzy nowe gniazdo sieciowe TCP i zwraca

wskaźnik do struktury reprezentującej je.

W przypadku niepowodzenia, zwraca NULL.

void NutHttpProcessRequest(FILE

*stream);

Przetwarza połączenie HTTP przypisane do

pliku–strumienia stream.

Elektronika Praktyczna 1/2007

KURS

List. 2. Kod prostego serwera TCP

for (;;)

{

char buf[256];

// tworzymy gniazdo TCP

s = NutTcpCreateSocket();

// oczekujemy na polaczenie na port 23 (telnet)

NutTcpAccept(s, 23);

// tworzymy plik polaczony z gniazdem s

f = _fdopen((int) s, "r+b");

// wypisujemy tekst powitalny

fprintf(f,"Kurs EP – Ethernut\n");

fprintf(f,"Operacje na socketach\n");

fprintf(f,"––––––––––––––––––––––––\n");

fprintf(f,"Wpisz \"zgas\", aby zgasic lub \"zapal\" aby zapalic diode.\n");

// upawniamy sie, ze tekst powitalny zostanie natychmiast wyslany do klienta

fﬂush(f);

// petla odbierajaca i wykonujaca polecenia tekstowe

for(;;)

{

// odbieramy tekst polecenia

int len = fread(buf, 1, 256, f);

// czy koniec polaczenia?

if(len<=0) break;

if(!strncmp(buf,"zapal", 5))

{

fprintf(f,"Dioda zostala zapalona.\n");

PORTF|=1;

} else if(!strncmp(buf,"zgas", 4))

{

fprintf(f,"Dioda zostala zgaszona.\n");

PORTF&=~1;

};

fﬂush(f);

}

// zamykamy plik

fclose(f);

// zamykamy gniazdo

NutTcpCloseSocket(s);

}

przesyłanych informacji,

zatem dane zostaną

odebrane dokładnie w takiej

kolejności i postaci, w jakiej

zostały wysłane (o ile

istnieje ﬁzyczne połączenie

między hostami). Nie ma

potrzeby stosowania sum

kontrolnych, itp.

Po utworzeniu gniazda,

każemy serwerowi oczeki-

wać na połączenie przycho-

dzące na określony port –

funkcja NutTcpAccept() .

Porty pozawalają na odróż-

nienie od siebie poszczegól-

nych serwerów działających

na jednym urządzeniu, np.

serwer FTP pracuje na por-

cie 21, serwer HTTP – 80,

poczta elektroniczna – 25

(SMTP – wysyłanie) i 110

(POP3 – odbieranie). Nasz

serwer będzie „słuchał” na

porcie 23, przeznaczonym

dla usługi Telnet. Po po-

prawnym odebraniu połą-

czenia, funkcja NutTcpAc-

cept() kończy działanie

i zwraca wartość 0. Może-

my teraz rozpocząć wymia-

nę danych.

W systemie Nut/OS

do wysyłania i odbie-

rania danych z gniazda TCP

służą dedykowane funkcje

NutTcpSend() i NutTcpRece-

ive() . Można jednak wykonać

trick, który umożliwi traktowanie

socketa jako zwykły plik – wówczas

wera w ciągu 20 sekund, interfejs

sieciowy zostanie zainicjowany pa-

rametrami statycznymi.

zapisane do gniazda w jednym

z nich będzie można odczytać

z socketa w drugim i na odwrót.

Należy tu przypomnieć o bardzo

istotnej właściwości protokołu

TCP – zapewnia on integralność

Najprostszy serwer TCP

Program, który odbiera połą-

czenia przychodzące TCP jest na-

zywany serwerem, zaś taki, który

inicjuje połączenia wychodzące

– klientem. Nazwa „serwer” nie-

którym Czytelnikom może kojarzyć

się ze skomplikowanym oprogra-

mowaniem, ale w naszym przypad-

ku implementacja prostego serwera

będzie zadaniem bardzo łatwym

i wartym przedstawienia na począt-

ku kursu.

Szkielet prostego serwera TCP

jest pokazany na rys. 1, zaś

uproszczony kod w C (pozbawiony

obsługi błędów) – na list. 2. Serwer

zaczyna pracę od utworzenia

nowego gniazda sieciowego (ang.

socket ) protokołu TCP (funkcja

NutTcpCreateSocket() ). Gniazdo

takie jest dwukierunkowym

punktem końcowym pojedynczego

połączenia sieciowego. Jeśli więc

mamy nawiązane połączenie TCP

między dwoma urządzeniami, dane

Rys. 1. Szkielet serwera TCP w systemie Nut/OS

Elektronika Praktyczna 1/2007

KURS

Rys. 2. Otwarta sesja telnet z serwerem TCP

będzie możliwe korzystanie ze zna-

nych z języka C funkcji fread() ,

fwrite() , fprintf() , fgetc() ,

itd. Wykorzystamy w tym celu

funkcję _fdopen() , która tworzy

plik połączony z gniazdem siecio-

wym. Operacje we/wy na takim

pliku będą powodowały zapis do/

odczyt z gniazda sieciowego. Zasto-

sowanie _fdopen() będzie rów-

nież konieczne przy implementacji

serwera WWW opisanego na koń-

cu artykułu.

Nasz przykładowy serwer po

odebraniu połączenia wysyła komu-

nikat powitalny za pomocą funkcji

fprintf() . Następnie w nieskoń-

czonej pętli, pobiera komendę od

klienta (funkcja fread() ), analizu-

je ją i zapala lub gasi diodę LED.

Zwrócenie przez fread() wartości

mniejszej lub równej 0 oznacza,

że (najprawdopodobniej) połączenie

zostało przerwane. Wówczas pętla

wykonująca komendy zostaje zakoń-

czona, a plik–gniazdo oraz gniazdo

sieciowe są zamykane ( fclose()

i NutTcpCloseSocket() ).

W kodzie z list. 2 pojawia się

także funkcja fﬂush() . Wymusza

ona wysłanie danych zgromadzo-

nych w buforze

zapisu pliku.

Funkcje wykonu-

jące operacje za-

pisu (np. fwrite() , fprintf() )

gromadzą niewielkie ilości danych

w buforach i wysyłają je „hurtem”,

po napełnieniu bufora. Wywoła-

nie fﬂush() po fprintf() daje

pewność, że dane zapisane przez

funkcję fprintf() zostałną na-

tychmiast wysłane do klienta.

Została jeszcze jedna niewyja-

śniona sprawa – jak połączyć się

z naszym serwerem? Można do tego

celu skorzystać z dowolnego klienta

usługi Telnet, np. programu Putty

( http://www.chiark.greenend.org.uk/~

sgtatham/putty/download.html ), który

wysyła do serwera teksty wpisane

z klawiatury komputera, a odebrane

dane odebrane wyświetla na ekra-

nie. Otwartą sesję telnet z naszym

serwerem przedstawia rys. 2 .

Rys. 3. Strona testowa przykładowego serwera WWW ba-

zującego na Nut/OS

Pokazana tu najprostsza aplika-

cja serwera WWW ma jeszcze jed-

ną wadę – może obsługiwać w da-

nej chwili tylko jedno połączenie.

Za miesiąc zapoznam Was z obsłu-

gą wątków w systemie Nut/OS, co

umożliwi pokonanie tego ograni-

czenia.

System plików UROM

Pliki strony internetowej, którą

będzie obsługiwał nasz serwer mu-

szą być gdzieś zapisane. W przy-

padku bardzo prostych witryn,

doskonale nadaje się do tego pa-

mięć Flash mikrokontrolera. Twór-

cy Nut/OSa stworzyli w tym celu

prosty system plików UROM, prze-

znaczony specjalnie do przechowy-

wania niewielkich plików razem

z kodem programu. Aby z niego

skorzystać, należy edytować li-

nię CRUROM_DIR w pliku Sour-

ces , podając ścieżkę do katalogu,

którego zawartość ma znaleźć się

we Flashu mikrokontrolera. W wy-

niku tego powstanie dodatkowy

plik źródłowy nazwa_katalo

gu_crurom.c (automatycznie kom-

pilowany i linkowany do projektu)

ze strukturami systemu plików.

UROM widziany jest przez sys-

tem Nut/OS jako oddzielne urzą-

dzenie, dlatego należy go zareje-

strować i zainicjalizować wywołując

funkcję:

NutRegisterDevice(&devUrom,

0, 0);

Tomasz Włostowski

twlostow@onet.eu

Serwer WWW

System Nut/OS ma wbudowaną

obsługuję protokołu HTTP, dlatego

stworzenie prostego serwera stron

internetowych jest bajecznie pro-

ste. Sprowadza się to do wywoła-

nia jednej (nie, to nie jest

błąd w druku) funkcji Nu-

tHttpProcessRequest()

po odebraniu połączenia

na porcie 80 (HTTP). Kod

takiego serwera (bez ob-

sługi błędów) pokazany

jest na list. 3.

Efekty działania serwe-

ra ethernutowego WWW

przedstawiono na rys. 3.

Oczywiście są to mini-

malne jego możliwości.

W następnym odcinku kur-

su pokażę, jak obsługiwać

formularze i skrypty CGI,

autoryzację użytkowników

oraz generowanie stron

WWW z dynamiczną za-

wartością.

List. 3. Kod najprostszego serwera WWW

for (;;)

{

char buf[256];

// tworzymy gniazdo TCP

s = NutTcpCreateSocket();

// oczekujemy na polaczenie na port 80 (HTTP)

NutTcpAccept(s, 80);

// tworzymy plik polaczony z gniazdem s

f = _fdopen((int) s, "r+b");

// przetwarzamy zapytanie HTTP

if(f)

{

NutHttpProcessRequest(f);

// zamykamy plik

fclose(f);

}

Przedstawione w artykule projekty przy-

kładowe były uruchamiane na zestawie

udostępnionym przez ﬁrmę Kamami.

Dodatkowe informacje są dostępne pod

adresem www.kamami.pl .

// zamykamy gniazdo

NutTcpCloseSocket(s);

}

Elektronika Praktyczna 1/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: