ARDUINO* 和 LINUX 本地进程实现高效通信

由 editor 提交于周三, 20 四月 2016 - 10:10

在英特尔® Galileo 或英特尔® Edison 上处理 Arduino* sketch 时，大家可能会遇到希望添加来自底层 Yocto* Linux 操作系统的部分功能的情况。因此我们本篇博客的主题就是：如何实现这两个领域之间的高效通信。我们首先定义一些需要遵从的标准：

标准

1、磁盘（SD 卡，eMMC）上没有通信，目的是降低磁盘磨损和提升性能

2、事件触发的通信，例如，尤其是我们不想定期检查状态，但希望在处于闲置状态时得到事件的通知

Linux 上的进程间通信 (IPC)

在英特尔® Galileo 或英特尔® Edison 上运行的 Arduino* sketch 实际上是 Linux 进程以并行的方式运行至其他 Linux 进程。由于开发板上运行的 Linux 非常成熟，因此我们还可以使用标准方法实现 Arduino* 进程与本机进程之间的进程间通信 (IPC)。 Linux 提供多种 IPC 方法。其中一种是 “内存映射 IPC”。从本质上来说，它指的是 IPC 进程共享同一内存。这意味着，只要共享该内存区域的任何一条进程进行任何更改，其他所有进程就会马上看到它所作出的更改。它还符合我们第一条不在磁盘上写入通信数据的标准，但只在内存上操作。

互斥体和条件变量

共享内存会出现以下问题，比如：

1、如何确保只有一条进程在特定时间运算该共享数据？（同步）

2、如果数据发生变化，如何通知其他进程？（通知）

下面我们来回答这两个问题。我们使用包含在 POSIX 线程 (Pthread) 库（支持 Linux）之中的 “互斥体” 和 “条件变量”。

同步 - 互斥体

互斥 (mutex) 是所有多任务操作系统都会提供的一种标准概念。在本博客中，我们不介绍概念和详情，只提供有关 POSIX 线程 (Pthread) 互斥体的高级信息。如欲了解更多信息，请查阅有关操作系统的教材（比如 Tanenbaum, Woodhull: Operating Systems 3rd ed. Pearson 2006)，或上网搜索。

顾名思义，Pthread 库主要专注于线程编程。然而，它还提供适用于进程的强大指令。而且，分别面向英特尔® Galileo 和英特尔® Edison 的 Arduino* IDE 也支持即购即用 pthread（比如，pthread 库链接），因此可轻松集成。所以，使用 Pthread 来满足我们的要求似乎是自然而然的选择。

通常，互斥体可确保一条线程仅访问代码的某个关键区域。此处在处理进程时，我们使用互斥体的方法是，只有一条进程可以在代码中继续 pthread_mutex_lock 请求。操作系统将其他所有进程设置为睡眠状态，直到互斥体调用 pthread_mutex_unlock，之后操作系统将唤醒其他请求pthread_mutex_lock 的进程。

在伪代码中：

1 pthread_mutex_lock(&mutex);
2
3 // read / write shared memory data here
4
5 pthread_mutex_unlock(&mutex);

必须以同样的方式进行，以锁定写入和读取访问，否则，读取操作会访问“只更新了一半”的数据。接下来我们将介绍 Pthread 的另一个概念，即如何通知数据变化。

通知 - 条件变量

与互斥体概念类似，如果进程尝试访问已被锁定的互斥体，Pthread 将提供条件变量概念。条件变量允许线程或（本案例中的）进程请求进入睡眠状态，直到通过变量被唤醒。为此，需要采用函数 pthread_cond_wait。

互斥体和条件变量结合后，会产生以下伪代码：

1 pthread_mutex_lock(&mutex);
2 pthread_cond_wait(&cond_variable, &mutex);
3
4 // read shared memory data here
5
6 pthread_mutex_unlock(&mutex);

其他进程需要解锁互斥体，并通过调用 pthread_cond_signal 发出数据变化信号。这样就会唤醒睡眠的进程。

如欲了解更多详情，请查阅有关 Pthread 的教材或在线教程。下一部分，我们将介绍示例实施。

实施

部分说明：

1、就互斥体和条件变量而言，我们需要明确设置属性，以支持进程间的使用

2、由于 Arduino* IDE 不附带直接共享内存 IPC 所需的所有库，因此我们选择通过内存映射文件利用共享内存 IPC。从本质上讲，将通信文件放入映射至主内存的文件系统，可以提供相同的功能。 Edison 附带的 Yocto* Linux 以及 SD 卡 Yocto* 映像 (https://software.intel.com/iot) 包含 temp folder /tmp mounted to tmpfs（在内存中）。例如，该文件夹中的所有文件都可以。我们选择文件 "/tmp/arduino"。它仅适用于 IPC。

3、由于 Arduino 进程会在系统启动时开始，因此我们假设 Arduino 进程是要初始化互斥体和条件变量的进程。

4、我们仅展示 Arduino 进程等待运算 Linux 本机进程的数据的情况。如要达到其他目的，代码必须进行相应的修改。

5、为了说明这一概念，我们如此放置数据，以共享内存映射结构 mmapData（定义 IO 8 的内置 LED 和外置 LED 是开启还是关闭）中的两个布尔变量：

1 bool led8_on; // led on IO8 bool led13_on; // built-in led

显而易见，这里也可以加入其他任何数据。 mmapData 结构中的其他两个变量分别为互斥体和条件变量

注：

MIT 许可证下方提供以下示例代码。

包含以下三个文件：

1、mmap.ino：放在 Arduino* IDE 上的sketch

2、mmap.cpp：发送数据的本机进程

3、mmap.h：标头文件 - 用于 Arduino* IDE 和 Linux native 的同一个文件

例如，如果用于 Arduino*，Arduino* sketch 目录中应该有一个包含 "mmap.ino" 和 "mmap.h" 的文件夹。如果用于 Linux native，应该有一个包含 "mmap.cpp" 和 "mmap.h" 的文件夹。

如需运行 sketch，只需打开 Arduino* IDE 中的 "mmap" sketch，并将其上传至相应的开发板（第一代英特尔® Galileo，第二代英特尔® Galileo，或英特尔® Edison）。如果用于 native，英特尔物联网开发人员套件 (https://software.intel.com/iot) 附带了一个交叉编译器，英特尔® Edison 附带了 Yocto* Linux 和 SD 卡 Yocto* 映像 fon ( https://software.intel.com/iot)，英特尔® Galileo 附带了一个预安装的 C++ 编译器。使用可能需运行的预安装编译器

1 g++ mmap.cpp -lpthread -o mmap

将 mmap.cpp 和 mmap.h 放在文件夹中，这样会生成一个可以执行的二进制代码，如下所示：

1 ./mmap {0,1}{0,1}

其中，"{0,1}" 表示 0 或 1。例如， "./mmap 00" 表示关闭两个 LED，"./mmap 11" 表示开启两个 LED。其他针对 Arduino* IDE 上的 serial monitor 的输出，以及启动 Linux 本机进程的控制台的输出显示了另外已设置的数据。

mmap.ino

01 /*
02 * Author: Matthias Hahn
03 * Copyright (C) 2014 Intel Corporation
04 * This file is part of mmap IPC sample provided under the MIT license
05 *
06 * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
07 * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
08 * in the Software without restriction, including without limitation the rights
09 * to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
10 * copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
11 * furnished to do so, subject to the following conditions:
12
13 * The above copyright notice and this permission notice shall be included in
14 * all copies or substantial portions of the Software.
15
16 * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
17 * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
18 * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
19 * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
20 * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
21 * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN
22 * THE SOFTWARE.
23 */
24
25 #include "mmap.h"
26
27 using namespace std;
28
29 /* assume /tmp mounted on /tmpfs -> all operation in memory */
30 /* we can use just any file in tmpfs. assert(file size not modified && file permissions left readable) */
31 struct mmapData* p_mmapData; // here our mmapped data will be accessed
32
33 int led8 = 8;
34 int led13 = 13;
35
36
37 void exitError(const char* errMsg) {
38 /* print to the serial Arduino is attached to, i.e. /dev/ttyGS0 */
39 string s_cmd("echo 'error: ");
40 s_cmd = s_cmd + errMsg + " - exiting' > /dev/ttyGS0";
41 system(s_cmd.c_str());
42 exit(EXIT_FAILURE);
43 }
44
45 void setup() {
46 int fd_mmapFile; // file descriptor for memory mapped file
47 /* open file and mmap mmapData*/
48 fd_mmapFile = open(mmapFilePath, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
49 if (fd_mmapFile == -1) exitError("couldn't open mmap file");
50 /* make the file the right size - exit if this fails*/
51 if (ftruncate(fd_mmapFile, sizeof(struct mmapData)) == -1) exitError("couldn' modify mmap file");
52 /* memory map the file to the data */
53 /* assert(filesize not modified during execution) */
54 p_mmapData = static_cast(mmap(NULL, sizeof(struct mmapData), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_mmapFile, 0));
55 if (p_mmapData == MAP_FAILED) exitError("couldn't mmap");
56 /* initialize mutex */
57 pthread_mutexattr_t mutexattr;
58 if (pthread_mutexattr_init(&mutexattr) == -1) exitError("pthread_mutexattr_init");
59 if (pthread_mutexattr_setrobust(&mutexattr, PTHREAD_MUTEX_ROBUST) == -1) exitError("pthread_mutexattr_setrobust");
60 if (pthread_mutexattr_setpshared(&mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED) == -1) exitError("pthread_mutexattr_setpshared");
61 if (pthread_mutex_init(&(p_mmapData->mutex), &mutexattr) == -1) exitError("pthread_mutex_init");
62
63 /* initialize condition variable */
64 pthread_condattr_t condattr;
65 if (pthread_condattr_init(&condattr) == -1) exitError("pthread_condattr_init");
66 if (pthread_condattr_setpshared(&condattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED) == -1) exitError("pthread_condattr_setpshared");
67 if (pthread_cond_init(&(p_mmapData->cond), &condattr) == -1) exitError("pthread_mutex_init");
68
69 /* for this test we just use 2 LEDs */
70 pinMode(led8, OUTPUT);
71 pinMode(led13, OUTPUT);
72 }
73
74 void loop() {
75 /* block until we are signalled from native code */
76 if (pthread_mutex_lock(&(p_mmapData->mutex)) != 0) exitError("pthread_mutex_lock");
77 if (pthread_cond_wait(&(p_mmapData->cond), &(p_mmapData->mutex)) != 0) exitError("pthread_cond_wait");
78
79 if (p_mmapData->led8_on) {
80 system("echo 8:1 > /dev/ttyGS0");
81 digitalWrite(led8, HIGH);
82 }
83 else {
84 system("echo 8:0 > /dev/ttyGS0");
85 digitalWrite(led8, LOW);
86 }
87 if (p_mmapData->led13_on) {
88 system("echo 13:1 > /dev/ttyGS0");
89 digitalWrite(led13, HIGH);
90 }
91 else {
92 system("echo 13:0 > /dev/ttyGS0");
93 digitalWrite(led13, LOW);
94 }
95 if (pthread_mutex_unlock(&(p_mmapData->mutex)) != 0) exitError("pthread_mutex_unlock");
96 }

mmap.cpp

01 /*
02 * Author: Matthias Hahn
03 * Copyright (C) 2014 Intel Corporation
04 * This file is part of mmap IPC sample provided under the MIT license
05 *
06 * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
07 * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
08 * in the Software without restriction, including without limitation the rights
09 * to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
10 * copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
11 * furnished to do so, subject to the following conditions:
12
13 * The above copyright notice and this permission notice shall be included in
14 * all copies or substantial portions of the Software.
15
16 * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
17 * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
18 * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
19 * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
20 * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
21 * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN
22 * THE SOFTWARE.
23 */
24
25 /* mmap.cpp
26 Linux native program communicating via memory mapped data with Arduino sketch.
27 Compilation: g++ mmap.cpp -lpthread -o mmap
28 Run: ./mmap (e.g. ./mmap 01 -> LED 8 off, LED 13 on)
29 For "random" blink you may run following commands in the command line:
30 while [ 1 ]; do ./mmap $(($RANDOM % 2))$(($RANDOM % 2)); done
31 */
32
33 #include "mmap.h"
34
35 void exitError(const char* errMsg) {
36 perror(errMsg);
37 exit(EXIT_FAILURE);
38 }
39
40
41 using namespace std;
42
43
44 /**
45 * @brief: for this example uses a binary string ""; e.g. "11": both leds on
46 * if no arg equals "00"
47 * For "random" blink you may run following commands in the command line:
48 * while [ 1 ]; do ./mmap $(($RANDOM % 2))$(($RANDOM % 2)); done
49 */
50 int main(int argc, char** argv) {
51 struct mmapData* p_mmapData; // here our mmapped data will be accessed
52 int fd_mmapFile; // file descriptor for memory mapped file
53
54 /* Create shared memory object and set its size */
55 fd_mmapFile = open(mmapFilePath, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
56 if (fd_mmapFile == -1) exitError("fd error; check errno for details");
57
58 /* Map shared memory object read-writable */
59 p_mmapData = static_cast(mmap(NULL, sizeof(struct mmapData), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_mmapFile, 0));
60 if (p_mmapData == MAP_FAILED) exitError("mmap error");
61 /* the Arduino sketch might still be reading - by locking this program will be blocked until the mutex is unlocked from the reading sketch
62 * in order to prevent race conditions */
63 if (pthread_mutex_lock(&(p_mmapData->mutex)) != 0) exitError("pthread_mutex_lock");
64 if (argc == 1) {
65 cout "8:0" endl;
66 cout "13:0" endl;
67 p_mmapData->led8_on = false;
68 p_mmapData->led13_on = false;
69 }
70 else if (argc > 1) {
71 // assert(correct string given)
72 int binNr = atol(argv[1]);
73 if (binNr >= 10) {
74 cout "8:1" endl;
75 p_mmapData->led8_on = true;
76 }
77 else {
78 cout "8:0" endl;
79 p_mmapData->led8_on = false;
80 }
81 binNr %= 10;
82 if (binNr == 1) {
83 cout "13:1" endl;
84 p_mmapData->led13_on = true;
85 }
86 else {
87 cout "13:0" endl;
88 p_mmapData->led13_on = false;
89 }
90 }
91 // signal to waiting thread
92 if (pthread_mutex_unlock(&(p_mmapData->mutex)) != 0) exitError("pthread_mutex_unlock");
93 if (pthread_cond_signal(&(p_mmapData->cond)) != 0) exitError("pthread_cond_signal");
94 }

mmap.h

文章来源：英特尔开发人员专区

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