2.1   Ursprung

Das Gnublin Projekt [1] läuft nun schon eine ganze Weile (seit 2010) und hat in dieser Zeit etliche Haken geschlagen. Ganz am Anfang stand die Idee, ein Board selber zu bauen, das für Embedded Linux tauglich ist und das wir in der Ausbildung an der Hochschule Augsburg in der Technischen Informatik den Studenten zu einem günstigen Preis anbieten können. Als Erfahrungswert für die Obergrenze des Preises haben sich etwa 50 Euro herausgestellt. Wenn der Preis diesen Betrag nicht übersteigt, kaufen sich erfahrungsgemäss viele Leute das Board und denken sich eigene Experimente damit aus. Früher haben wir das "NGW100" zu einem ähnlichen Preis bekommen, leider hat Atmel den AVR32 Controller eingestellt.

Das Board sollte von Anfang an einen Controller mit ARM Kern haben, gerne einen ARM926, der sehr weit verbreitet ist. Ich kann mich noch an ein selbstgemachtes Blockschaltbild mit dem Atmel SAM9G45 erinnern, der allerdings wegen des relativ hohen Preises und der schlechten Verfügbarkeit gegen einen Freescale i.MX287 eingetauscht wurde. Das war dann der Startschuss für die erste Phase des Gnublin-Projektes [3], eine sehr fruchtbare Zeitspanne, in der viel geplant und entwickelt wurde, in der Neues gelernt wurde und die zum Schluss dann auch die Pläne für ein 7x7 cm grosses Board mit dem i.MX287 hervorgebracht hat. Auf der Embedded World 2011 haben wir uns zum Beispiel deswegen über Löt-Verfahren informiert. Hergestellt wurde dieses Board bis jetzt nicht, da die rohen Platinen mit 8 Lagen bei kleinen Stückzahlen sehr teuer sind.

Die nächste Wende kam mit dem "Gnublin LPC3131" Board, bei dem Benedikt Sauter in einer Blitzaktion die Pläne radikal vereinfacht hat und eine Platine mit nur 2 Lagen daraus gemacht hat. Auf dem Board war nun ein preiswerter NXP LPC3131, bei dem viele der BGA-Bälle wegen der geringen Routing-Möglichkeiten der 2 Lagen nicht angeschlossen wurden. Ansonsten ist noch ein 8 MByte SDRAM Baustein und eine Micro-SD Karte als Massenspeicher drauf. Das entstande Board hat aber trotz seines minimalistischen Ansatzes viele Einsatzmöglichkeiten, einige werde ich auch im Folgenden ansprechen. Da die rohen Platinen bei 2 Lagen nur einige Euro kosten kann man nun auch viel unverkrampfter eigene Lötversuche mit BGA Gehäusen unternehmen. Die Materialkosten liegen bei dem Board mit etwa 20 bis 25 Euro nur unwesentlich höher als bei einem Board mit 8-Bit Controller.

2.2   Ziele

• Günstig im Preis (<= 50 Euro)

• Geeignet für Anfänger

  • Einfache Verwendbarkeit über 1 x USB
  • Natives Arbeiten auf dem Board mit Interpretersprachen
  • gnublin-installer verwaltet Micro-SD Karte
  • Anleitungen auf www.gnublin.org

• Hostrechner mit Linux oder Windows

• Transparenz der Bestandteile Bootloader, Kernel, Root-Filesystem

• Alle Teile (auch Hardware) unter freier Lizenz

Ein ganz wichtiger Punkt war neben dem geringen Preis auch immer die einfache Verwendbarkeit des Boards, so dass Anfänger nicht schon bei den Vorbereitungsarbeiten wie der Verkabelung und der Stromversorgung abgeschüttelt werden. Als ultimative Lösung erschien mir immer eine einzige Verbindung mit einem USB Kabel zum Hostrechner, über das die Stromversorgung und auch die serielle Schnittstelle für die Konsole bereitgestellt wird. Deswegen gibt es auf Gnublin eine USB-zu-UART Bridge.

Als mögliche Interessenten für Gnublin stelle ich mir auch Leute vor, die bisher gar keine Erfahrung mit Linux gesammelt haben. Für sie soll es möglich sein, mit dem Board nativ in einer interpretierten Sprache zu arbeiten, zum Beispiel in der Shell, in Lua oder in Python, so dass Programme direkt auf dem Board entwickelt und getestet werden können. Je nach den Vorkenntnissen des Anwenders können aber auch Programme in C direkt auf dem Board kompiliert werden.

Eine wichtige Zutat zum Board ist die Micro-SD Karte, die den Bootloader, den Linux Kernel und das Root-Filesystem enthält. Da es für Anfänger nicht so leicht ist, eine neue Karte mit den frei herunterladbaren Bestandteilen zu bauen, gibt es das grafische Werkzeug gnublin-installer. Es übernimmt die Partitionierung, die Formatierung, den Download und das Kopieren der Dateien auf die Karte. Das Programm wird weiter unten kurz vorgestellt.

Ich könnte mir die Verwendung von Gnublin in Zukunft so vorstellen: Nach dem man sich das Board besorgt hat, steckt man es an den Linux Hostrechner, installiert das in allen Distributionen verfügbare Paket gnublin und kann dann mit dem Board arbeiten, das heisst man kann auf der Konsole arbeiten, oder die Micro-SD Karte beschreiben, oder Dateien zum/vom Board übertragen. Um mehr Windows-Anwender zu gewinnen, sollte es dieses Programm auch für Windows geben. Wie gesagt, das ist noch Zukunftsmusik, aber gar nicht in so weiter Ferne. Mit gnublin-installer ist bereits ein erster Schritt gemacht.

Zusätzlich hat das Gnublin Board eine Homepage [1], mit deren Hilfe man als Anfänger die wichtigsten einfachen Anwendungsfälle nachvollziehen kann. Neben Material für Anfänger gibt es aber auch Bereiche für fortgeschrittene Anwender, die sich eher in die Bereiche vorwagen, die mit Systemprogrammierung, mit Echtzeit und mit dem Kernel (Konfigurieren, Kompilieren, Treiber) zu tun haben, um nur ein paar Beispiele zu nennen. Ganz gerne würden wir auf gnublin.org auch Projekte vorstellen, die mit Gnublin gemacht wurden.

Klar ist, dass die Quellen für die Bestandteile Bootloader, Kernel und Root Filesystem (auch Schaltplan und Platinenpläne) mit den für Gnublin notwendigen Änderungen einfach zugänglich sind, so dass sich auch Aussenstehende daran bei der Weiterentwicklung beteiligen können - das fordert ja schon die Lizenz GPL. Bei allen Bestandteilen besteht ausserdem eine (zumindest einseitige) Verbindung zu den jeweiligen Upstream Projekten, das heisst, Gnublin sollte an den Änderungen, die in Upstream im Laufe der Zeit gemacht werden, teilhaben können. Das betrifft vor allem den Kernel und das Root Filesystem. Dazu weiter unten mehr.

3.1   Bedeutung der Jumper und I/O Steckverbinder

Das Gnublin Board verzichtet aus Gründen der Einfachheit auf technischen Schnickschnack und setzt vielmehr auf explizit gesetzte Jumper.

Wenn man über die USB-OTG Schnittstelle Geräte als Host ansteuern möchte, muss man den USB OTG PWR Jumper nach links stecken. Zusätzlich sollte man den USB OTG ID Jumper setzen.

Wenn Gnublin über einen externen USB Host angesteuert wird, zum Beispiel einem PC, muss man den USB OTG PWR Jumper nach rechts stecken und der USB OTG ID Jumper darf nicht gesetzt sein.

Die Jumper und I/O Steckverbinder des Gnublin Boards.

Je nachdem woher die Stromversorgung des Board kommt, muss der Power Supply Jumper entweder rechts (USB Console) oder links (extern) gesteckt sein.

Das Board bootet im Normalfall von der SD Karte, deshalb wähle die Einstellung SD/MMC.

4.1   Der Apex Bootloader

Wir verwenden den Apex Bootloader. Der Bootloader gibt den Prompt apex> aus, danach kann Kommandos eingeben. Um den Kernel aus der zweiten Partition (ext2) in den Speicher an die Stelle 0x30008000 zu kopieren und anschliessend zu starten laufen die folgenden Kommandos bei jedem Bootvorgang automatisch ab:

apex> copy ext2://2/zImage 0x30008000
apex> boot

Mit dem Kommando apex> help bekommt man eine Liste aller verfügbaren Kommandos.

Eine Anleitung zum Kompilieren findet man auf

http://www.lpclinux.com/LPC313x/LPC313xGettingstartedELDK

Die Anpassungen für Gnublin findet man hier:

http://elk.informatik.fh-augsburg.de/pub/eplpc3131/work_eplpc3131/apex/

Es gibt ausserdem auch den U-Boot Bootloader, allerdings ist dieser noch nicht für das Gnublin Board angepasst worden.

Der Bootvorgang

Im LPC3131 gibt es ein Boot-Programm im ROM (first level bootloader), das nach dem Starten verschiedene Quellen nach ausführbaren Daten abtastet. Die Schnittstellen UART, USB, SPI und SD/MMC können als Boot-Quellen verwendet werden. Nachdem im Normalfall die SD/MMC Karte gefunden wurde, wird der Bootloader von der Karte geladen. Die ausführbare apex.bin Datei ist etwa 50 KByte gross. Sie wird in das 192 KByte grosse interne RAM des LPC3131 geladen und dort ausgeführt (second level bootloader). Apex kann dann entweder interaktiv auf der Konsole bedient werden oder es kann ein Boot-Skript automatisch ablaufen. Um auf den Apex Prompt zu gelangen, muss man sofort nach dem Drücken des Reset Tasters die Tastenkombination Strg-C im Terminal-Programm eingeben.

Die Kernel Kommandozeile wird vom Bootloader wie folgt gesetzt:

console=ttyS0,115200n8 root=/dev/mmcblk0p2 ro rootwait

Das Apex Projekt findet man hier:

https://gitorious.org/apex

Eine kurze Beschreibung ist hier:

http://elinux.org/APEX_Bootloader

4.2   Der Kernel

Mitarbeiter von NXP und freie Entwickler haben den Linux Kernel 2.6.33 für den LPC3131 angepasst. Man findet die Quellen in folgendem Git Repository:

git://git.lpclinux.com/linux-2.6.33-lpc313x

Die für das Gnublin Board angepasste Version findet man hier:

ssh://git@elk.informatik.fh-augsburg.de:2222/gnublin-linux-2.6.33.git

Das Web Interface ist http://elk.informatik.fh-augsburg.de/cgi-bin/gitweb.cgi

Die Gnublin Anpassungen umfassen Änderungen wegen leichter Unterschiede in der Hardware und zusätzliche Treiber für bisher nicht unterstützte Schnittstellen, zur Zeit sind das ADC und PWM. Die Treiber wurden von Michael Schwarz und Nils Stek geschrieben, schönen Dank dafür (siehe [3]). Auch wurde die sysfs Unterstützung für die GPIO Pins eingebaut (Patch von lpclinux.com), so dass man die GPIO Pins in der üblichen Weise durch Zugriffe auf /sys/class/gpio/ verwenden kann. Zusätzlich gibt es von Michael Schwarz das gpio-module ([3]), das den Zugriff auf die GPIO Pins auf pragmatische Weise erlaubt.

Die Kernel Konfiguration

Die aktuelle Kernel Konfiguration .config findet man im Gnublin Downloadbereich.

Die wichtigsten Treiber sind als Module vorhanden. Wichtige Treiber, um Gnublin über USB als gadget anzusprechen oder um andere USB Geräte von Gnublin aus anzusprechen sind:

drivers/lpc313x_io/adc/
      lpc313x_adc.ko
drivers/lpc313x_io/pwm/
      lpc313x_pwm.ko
drivers/usb/class/
      cdc-acm.ko
drivers/usb/gadget/
      g_cdc.ko    g_file_storage.ko  g_printer.ko  g_zero.ko
      g_ether.ko  g_mass_storage.ko  g_serial.ko   gadgetfs.ko
drivers/usb/serial/
      cp210x.ko  ftdi_sio.ko  usbserial.ko
drivers/net/usb/
      asix.ko       cdc_subset.ko  pegasus.ko  zaurus.ko
      cdc_ether.ko  net1080.ko     usbnet.ko

In den Kernel einkompiliert ist die Unterstützung für die seriellen Busse SPI und I2C und für den GPIO Zugriff mittels sysfs.

Eine Anleitung zum Kompilieren des Gnublin Linux findet man auf der Gnublin Homepage.

4.3   Root Filesystem

Das Root Filesystem stammt vom Embedded Linux Development Kit (ELDK) in der Version 5.0 [8]. Vom Aufbau her ist es mit einer "richtigen" Distribution für einen grossen Rechner vergleichbar, zum Beispiel ist auch die Unterstützung für grafische Oberflächen dabei und auch der GNU Compiler gcc kann verwendet werden. Dadurch ist das Root Filesystem auch ziemlich gross (550 MByte). Alle grafischen Programme können bei Gnublin nicht verwendet werden, da man kein Grafikdisplay (zumindest keines der üblichen TFT Displays) anschliessen kann. Alle anderen textuellen Programme können verwendet werden.

Seit dem ELDK 5.1 gibt es auch kleinere Varianten des Root Filesystems.

Das ELDK ab der Version 5 wird mit einem mächtigen Distributionsbaukasten erzeugt, der auf OpenEmbedded und Poky Linux baut. Zusammengefasst werden diese Werkzeuge im Yocto Project [9]. Auf der ELDK Homepage findet man die "Baudaten" für die jeweiligen ELDK Distributionen, aus denen man sich die konkreten Distributionen selber kompilieren kann. Man braucht dazu aber einen schnellen Rechner mit viel Plattenplatz.

Neben dem ELDK lassen sich auch andere Root Filesysteme für Gnublin verwenden. Fast alle grossen Distributionen wie Debian, Gentoo, Fedora und andere bieten für ARM angepasste Varianten an, die bereits über riesige Paket-Archive mit vorkompilierten Programmen verfügen. Es wäre zum Beispiel relativ einfach möglich ein Debian für ARM (Architektur armel) auf die Gnublin SD Karte zu schreiben. Damit könnte man dann im Betrieb wie bei einem "grossen" Rechner mit dpkg und verwandten Werkzeugen zusätzliche Pakete aus dem Netz installieren.

So ganz einfach darf man sich den Umstieg auf ein neues Root Filesystems allerdings auch nicht vorstellen. Wenn man nur das "rohe" Dateisystem auf die SD Karte kopiert, bootet der Rechner mit Sicherheit nicht. Es müssen vorher einige Konfigurationsdateien angepasst werden, vor allem im Bereich des init Systems. Auch die Konfiguration von udev ist eine sensible Sache. Da ich bei beiden Sachen keine grosse Erfahrung mitbringe, habe ich beim ELDK mehr oder weniger durch Weglassen von Diensten irgendwann die Bootfähigkeit geschafft. Beim aktuellen Root Filesystem mit dem ELDK 5 ist an dieser Stelle also noch viel Platz für Verbesserungen (udev ist zum Beispiel jetzt noch abgeschaltet).

Im Laufe der Zeit wurde das Root Filesystem ergänzt um wichtige Programme:

Editoren

• jove, zile (einfache Emacs-Klone)
• nano (für Anfänger bedienbar)

Drahtlose Netzwerke

• iwconfig und andere iw* Utilities, wpa_supplicant

Web

• lighthttpd
• CGI
• lynx

Tools

• screen
• tree
• wget
• curl
• netcat
• gnuplot
• rrdtool
• lrzsz
• alsa-utils
• vorbis-tools (u.a. ogg123)

Interpretersprachen

• Python 2.7.2
• Lua 5.1.4
• Jim (Tcl)
• Squirrel
• Hedgehog Lisp
• gforth

4.4   Gnublin Installer

Der gnublin-installer ist ein GUI Werkzeug zum Partitionieren und Beschreiben der Micro-SD Karte. Das Programm hat Michael Schwarz [3] geschrieben. Der folgende Screenshot zeigt das Hauptfenster:

Das Programm wird auf dem Hostrechner unter Linux gestartet. Die Micro-SD Karte muss über einen Kartenleser in den PC eingesteckt sein. Der Installer zeigt alle Karten kleiner einer bestimmten Speicherkapazität an (z.B. 16G), man wählt die Karte aus und kann diese dann durch Knopfdruck, ohne die technischen Details zu kennen, so aufbereiten, dass sie in Gnublin eingesteckt sofort funktioniert. Dazu werden folgende Aktionen ausgeführt:

• Löschen von vorhandenen Partition, erneute Partitionierung und anlegen eines Filesystems mit libparted.
• Download von Bootloader, Kernel und Root Filesystem vom Gnublin Downloadbereich.
• Kopieren der Daten auf die Karte.

Das Programm ist in der Sprache C geschrieben und verwendet WxWidgets, libparted, licurl und libarchive.