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

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. GPIO подключены напрямую к «процессору» SoC (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, I²C/TWI, PWM (ШИМ), но не имеют ADC (АЦП). GPIO - порты обычно могут быть сконфигурированны на ввод или вывод (Input/Output), состояние по умолчанию обычно INPUT.

Некоторые «GPIO»-порты — являются просто питающими портами 3.3V, 5V и GND, они не связаны с SoC и не могут использоваться как либо еще.

Порты с альтернативной функцией - могут быть мультиплексированны с одним из соответствующих ему интерфейсов.

Порты в режиме INPUT могут генерировать прерывания — по спаду, по фронту, по логическому уровню, по изменению сигнала и в асинхронном режиме по фронту и спаду. Порты в режиме INPUT имеют входную фильтрацию на триггере Шмитта (преобразовывают аналоговый сигнал в цифровой с резкими переходами между состояниями).

Работа с контактами GPIO осуществляется 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.


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.


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 PB7 является номер 39. У каждого разработчика SoC может быть свой алгоритм расчета номера контактов, должен быть описан в Datasheet к процессору.


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).
  
  

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!


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


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).


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

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 (Library General Purpose Input/Output device) 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 -v
gpiodetect (libgpiod) v1.6.3
Copyright (C) 2017-2018 Bartosz Golaszewski
License: LGPLv2.1
This 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:~# gpiodetect
gpiochip0 [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 --help
Usage: 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 1
gpiochip1 - 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=0
gpioset: error setting the GPIO line values: Device or resource busy
root@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 36
1

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 38
event:  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 -m
aarch64

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 -m
armv7l

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

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

root@bananapim64:~# dotnet --info
Host (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-gpioset
Getting 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.


C# for Visual Studio Code (powered by OmniSharp)

После установки можно выполнить настройку расширения.


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\


Проект в Visual Studio Code

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


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.


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:


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 version
Args gpiochip=1, pin=36, value=High
Hello 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 code
GpioController 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-gpioset
root@bananapim64:~/publish-dotnet-gpioset# dotnet dotnet-gpioset.dll 1 36=1
Args gpiochip=1, pin=36, value=High
OK

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-button
Getting 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 (за
76 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.dll
CTRL+C to interrupt the read operation:
Press any key, or 'X' to quit, or CTRL+C to interrupt the read operation:
Press button, LED=Low
Press button, LED=High
Press button, LED=Low
Press button, LED=High
Press 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:

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.