1 Pflichtversuche mit dem Beagle Bone Black

H. Högl, 2016, 2017, 2018, 2021

Link zur Veranstaltung: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/hhwiki/EmbeddedLinux

Achtung: Eine neuere Version dieses Textes ist unter https://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/elinux/kurs/uebungen.

1.1 Vorkenntnisse

1. Üben Sie das Arbeiten auf der Kommandozeile. Der typische Zugang zu einem Embedded Linux Rechner ist fast immer über die Konsole (serielle Schnittstelle) oder mit ssh auf der Kommandozeile – ohne grafische Oberfläche. Sie können das sehr gut auf dem PC/Notebook simulieren, wenn Sie eine Linux Distribution ohne grafische Oberfläche installieren, auch gerne virtuell über VirtualBox, z.B. Debian 11 Server Image, 64bit, https://www.osboxes.org/debian.

2. Bereiten Sie den Hostrechner (d.h. Ihr PC/Notebook) zur Arbeit mit dem BBB vor (Terminalemulator, z.B. picocom, microcom oder kermit, NFS, Crosscompiler, Netzwerkeinrichtung, …)

3. Arbeiten Sie sich in einen Terminal Multiplexer ein. Ich empfehle tmux. Diesen können Sie sowohl auf dem Entwicklungsrechner als auch auf dem Embedded Linux Target verwenden.

   https://github.com/tmux/tmux/wiki

   Material zu tmux: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/tmux/

4. Machen Sie sich mit den wichtigsten Bauteilen und Schnittstellen auf dem BBB vertraut. Beim Draufklicken werden die folgenden Bilder grösser (das erste Bild habe ich mit „inkscape“ selbst gezeichnet, das zweite Bild stammt von https://beagleboard.org/Support/bone101):

1.2 Das BBB im Betrieb kennenlernen

Normalerweise sollte im eMMC Speicher ein lauffähiges Linux vorhanden sein. Früher war das ein Ångström Linux, aktuell ist es ein Debian Linux. Falls das BBB nicht aus dem eMMC Speicher bootet, installieren Sie zunächst den eMMC Speicher neu (aktuell ist es ein Debian 10.X).

1. Lernen Sie den schematischen Aufbau des Boards kennen mit den wesentlichen Bausteinen, die darauf sind (Blockschaltbild).

2. Üben Sie häufig wiederkehrende Aufgaben. Sie arbeiten dazu immer auf der Kommandozeile!

   1. Terminalprogramm mit serieller Schnittstelle verbinden (siehe den Abschnitt unten zur Konsole)

   2. Einloggen

   3. Bootmeldungen betrachten (dmesg)

   4. Welches Linux haben Sie? (Typ, Version)

   5. Useraccount mit adduser einrichten (auf keinen Fall immer als Root arbeiten!)

   6. Systemzeit setzen mit date und ntpdate

   7. Machen Sie sich mit systemd vertraut.

      Übersicht: https://www.linuxtrainingacademy.com/systemd-cheat-sheet

      • Viewing Systemd Information

      • Working with Services

      • Viewing Log Messages

      • Zeiteinstellungen mit timedatectl

   8. Netzwerkverbindung herstellen. Verschiedene Varianten ausprobieren:

      • mit USB Kabel

      • mit Kabel über eth Schnittstelle

      • mit WiFi, z.B. über einen USB WiFi Adapter. Ich kann den TPLINK TL-WN725N empfehlen.

   9. Gehen Sie mit ssh und http auf das Board.

   10. Dateien mit scp zwischen Host und Target übertragen

   11. Vom Target aus über den Hostrechner eine Netzwerkverbindung in das Internet herstellen (ip, iw, ifconfig, iwconfig, wpa_supplicant)

   12. System auf der Kommandozeile u.a. mit procfs erforschen (ls, ps, tree, cat, less, vi, uname, mount, df, du, fdisk, …)

3. „Erforschen“ Sie das Linux auf dem BBB über die ssh oder Konsolenverbindung:

   • Welches Linux wird verwendet?

   • Welche Prozesse (Dienste) laufen? Welche Aufgabe haben diese Prozesse?

   • Welche Pakete sind installiert?

   • Wie viel Platz belegt das Root Filesystem?

1.3 Flash Speicher

1. Wie behandelt man eine rohe SD Karte mit fdisk und mkfs.vfat bzw. mkfs.ext4, so dass man darauf ein bootfähiges Linux installieren kann?

2. Wie bootet man von der SD Karte?

3. Wie kann man den eMMC Speicher komplett neu mit einem Linux beschreiben? Vorher sollte man ein Backup des aktuellen eMMC Speicher machen!

   Tipp: Es geht mit einem „Flasher Image“, das man unter https://beagleboard.org/latest-images bekommt.

1.4 Konsole

1. Schliessen Sie einen UART-zu-USB Adapter an der 6-poligen Pfostenleiste auf dem BBB an, so dass man die Konsole auf dem Hostrechner sehen kann. Das Terminalprogramm picocom starten mit

   picocom -b 115200 /dev/ttyUSB0
   

   (aufpassen: Manche Linux Distributionen verwenden nur 9600 Baud)

   Welchen Vorteil hat diese Konsole im Vergleich mit der ssh Verbindung über USB bzw. Netzwerkkabel?

   Alternative Terminal-Emulatoren auf der Kommandozeile sind:

   • microcom, https://github.com/pengutronix/microcom

   • ckermit, http://www.columbia.edu/kermit/ck90.html

   • pyserial/miniterm (Python), https://github.com/pyserial

1.5 Hostrechner

1. Mounten Sie das Homeverzeichnis des BBB mit sshfs auf dem Hostrechner.

2. Installieren Sie auf dem Hostrechner eine Cross-GCC Toolchain und kompilieren Sie ein kleines Demoprogramm. Übertragen Sie es mit scp auf das BBB und führen Sie es aus. Die einzelnen Programme des Cross-GCC haben den Präfix arm-linux-gnueabihf-.

   Auf Ubuntu und verwandten Linuxen gibt es das Paket gcc-arm-linux-gnueabi. Das ist der einfachste Weg um zu einer Toolchain zu kommen. Eine Alternative ist das „Crosstool-NG“: http://crosstool-ng.github.io (so macht es Simmonds in MELP). Ein dritter Weg ist die „Linaro Toolchain“, https://www.linaro.org/downloads.

   Falls Sie einen C Compiler auf dem BBB haben, kompilieren Sie das Programm auch nativ und testen Sie es.

1.6 U-Boot

1. Stoppen Sie den Bootvorgang durch sofortiges Drücken der Leertaste in der Konsole bei einem Reboot, so dass Sie auf dem U-Boot Prompt landen.

   • Wie sieht man die U-Boot Umgebungsvariablen an?

   • Booten Sie auf dem U-Boot Prompt vom eMMC Speicher.

   • Booten Sie auf dem U-Boot Prompt von der MicroSD Karte.

   • Booten Sie auf dem U-Boot Prompt über das Netzwerk mit tftp oder nfs.

2. Kompilieren Sie den U-Boot Bootloader aus den aktuellen git Quellen und Updaten Sie ihn auf dem Board.

1.7 Schnittstellen

1. Einfache I/O Demo mit Taster und LED:

   1. GPIO ueber sysfs einlesen (polling/interrupt) und ausgeben

   2. Tastendruck wird als Event ueber sysfs erkannt und schaltet LED ein und aus

   3. Ein Demo-Geraetetreiber faengt den Tastendruck als Interrupt ab und schaltet die LED ein- und aus.

      Lit.: http://derekmolloy.ie/writing-a-linux-kernel-module-part-1-introduction

   GPIOs werden in Molloy, Kap. 6 behandelt.

2. Machen Sie ein einfaches Programm zum Ansteuern der seriellen Schnittstelle in C/C++ und Python. Sie sollten die Schnittstelle öffnen, ein paar Zeichen schreiben und danach lesen, am Ende wieder schliessen. Man sollte den Code mit einer simplen Verbindung zwischen dem TX- (senden) und RX-Signal testen können.

   Hilfreich sind folgende Texte:

   • http://tldp.org/HOWTO/Serial-Programming-HOWTO

   • https://pythonhosted.org/pyserial

   Der UART wird in Molloy, Kap. 8 behandelt.

3. Machen Sie sich mit den Bussen I2C und SPI vertraut. Beide werden in Molloy, Kap. 8 behandelt.

   Auch 1-Wire Bus wäre eine gute Wahl an Hand des Temperatursensors DS18B20.

   Ein Tutorial von vielen im Netz zu 1-Wire: http://www.bonebrews.com/temperature-monitoring-with-the-ds18b20-on-a-beaglebone-black/

1.8 Build-Umgebungen

Das ist ungefähr der Inhalt von Simmonds MELP, ch. 6 „Selecting a Build System“.

1. Bauen Sie ein Root-Filesystem mit Kernel und U-Boot aus den folgenden Distributionen:

   • Buildroot

   • Yoctoproject

   Installieren Sie es auf einer MicroSD-Karte und testen Sie es auf dem BBB. Es soll auch der Bootloader U-Boot und die Cross-Toolchain dabei entstehen.

2. Aufgaben mit dem Kernel in der Bau-Umgebung

   • Konfigurieren

   • Vorhandene Treiber aktivieren/deaktivieren

   • Eigenen (Dummy) Treiber einbauen

   • Updaten auf eine andere Kernel Version

3. Aufgaben mit dem Root Filesystem in der Bau-Umgebung

   • Pakete aktivieren/deaktivieren

   • Eigene Pakete einbauen

1.9 Programmieraufgaben

1.9.1 Kleiner Server

Das soll ein Gerüst für einen Server werden, der automatisch nach dem Booten startet (über SystemV init oder systemd). Mögliche Programmiersprachen sind C, C++, Python, Go und JavaScript (Node.JS). Der Server sollte auch einen Logging-Mechanismus haben.