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EMB-GUENTHER

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Embedded Systems II

Inhaltsverzeichnis

Prüfungsleistung

  • Seminararbeit bzw. Teildokumentation + Kurzvortrag
  • Bewertungskriterien:
    • Detaillierungsgrad (Nachvollziehbarkeit)
    • Umfang: 10 Seiten (A4, 11pt, Word)
  • Vortrag: 30 min + 15 min Diskussion
  • Demo: 13.10.21
  • Abgabe Doku: 17.10.21
  • optional: Image-Battle unter 15 MB
  • Arbeit soll Ansprüchen wissenschaftlichen Arbeitens genügen
  • Zusammenarbeit erwünscht

Projekt

  • Webcam
    • Webzugriff auf RPI Cam über Access-Point
  • QR-Scanner für Impfzertifikate
    • QR-Code einlesen, auswerten und Aktion realisieren

Vortragsthemen

  • Raspberry Pi Hardware
  • Buildroot / Image-Erzeugung
  • Kernelkonfiguration
  • Webserver / Motion (Stream-Software für Kamera)
  • Konfigurationsmanagement
  • WLAN
  • DHCP

optional:

  • QR-Code, digitales Impfzertifikat, Testbestätigung
  • Servobetrieb für bewegliche Kamera
  • QEMU-Simulation des Pi 4

Buildroot

https://buildroot.org/

Buildroot ist ein Tool zum Bauen von Embedded Linux Images.

  1. buildroot herunterladen und entpacken
  2. make <board>_defconfig, wobei <board> eine Konfiguration aus dem boards-Ordner ist
  3. make menuconfig öffnet eine TUI zur Konfigurationsanpassung (WSL2 braucht eventuell apt install libncurses-dev)
  4. eigene Dateien können via Overlay-Ordner im Board-Verzeichnis abgelegt werden
  5. make baut das Image
  6. Image auf SD-Karte kopieren: sudo dd if=output/images/sdcard.img of=/dev/sdX

QR-Code und Impfzertifikat

  • steht für "Quick Response"
  • 2D-Matrix aus schwarzen und weißen Quadraten, in denen Zeichen codiert sind
  • Weiterentwicklung des Barcodes $\rightarrow$ wesentlich höhere Zeichenmenge möglich

Grundlegender Aufbau

  • aufgeteilt in Ruhezone und Datenbereich
  • Ruhezone trennt Code von Umgebung, hilft bei Bildverzerrung, zeigt Ausrichtung an
  • Synchronisationscode zur Größenbestimmung durch abwechselnde schwarze und weiße Zellen zwischen Positionsmarkern
  • Formatinformationen über Datenmaske und Prüfbits für diese (XOR)
  • verschiedene Versionen für verschiedene Größen (21x21 bis 177x177)
  • verschiedene Encoding-Modes für numerisch, alphanumerisch, End of Message
    • Datenstream: Mode, Bitstream, EOM

Impfzertifikat-Code

  • base45-codiert in QR-Code
  • decodiert: signiertes JSON

Überprüfung

Hardware des Raspberry Pi 4

  • Motivation: günstiger + einfacher Computer zur Steigerung des Interesse an Computertechnik und Programmierung
  • flexibler Einsatz: Radio- / Funkmodule, Roboter, NAS- und Server-Betrieb, Anlagen-Steuerung, Prozessüberwachung, u.v.m.
  • gängige Betriebssysteme: Raspberry Pi OS, KODI/OSMC, Ubuntu Core / Server, Retro Pie / Lakka Linux

Komponenten

  • Broadcom SoC mit ARM Cortex A-72 64-Bit CPU mit 4 Kernen und bis zu 1,5GHz
    • = energiesparende RISC-CPU $\rightarrow$ gut geeignet für Embedded Systems
  • GPU mit bis zu 500MHz, OpenGL-Support
  • LP-DDR4-SDRAM (je nach Modell des Pi 4: 1 bis 8 GB)
    • LP: Low Power; 1,1V
  • Interfaces:
    • 2x miniHDMI
    • Klinkenausgang
    • Ethernet mit bis zu 300Mbit/s
    • Dual-Band WiFi
    • Bluetooth 5.0
    • 2x USB 2.0
    • 2x USB 3.0
    • microSD-Karte
    • 40 Pins (davon 26 GPIO)
    • Display Serial Interface (DSI)
    • Camera Serial Interface (CSI)
    • 5,1V 3A USB-C Input

Peripherie

  • pHats: Hardware Attached on Top
    • Komponenten benötigen EEPROM mit Hardware-Informationen
    • z.B.: Coaxial-Adapter, Servomotoren, PoE, u.v.m.
  • PiCamera
    • über CSI angeschlossen
    • verschiedene Generationen, 5MP bis 12,3MP
  • Touch-Bildschirme via DSI angeschlossen

QEMU

  • nutzt Kernel Virtual Machine (KVM) von Linux
  • simuliert x86, ARM, u.v.m.
  • Emulation fremder Architekturen jedoch langsam
  • Emulation Raspberry Pi 3 mit qemu-system-aarch64 mit -M type=raspi2 oder -M type=raspi3
  • kein RaspberryPiOS mit 64bit Kernel vorhanden

Vorgehen

  • Repo auschecken
  • Erweitern des RaspberryPiOS-Image um 4 GiB mit dd
  • Einhängen des Images mit losetup -f -P --show
  • Vergrößern der 2. Partition auf Image-Grenze
  • Mounten des Images mit Schreibzugriff

Konfigurationsmanagement mit Buildroot

Motivation

  • Optimale OS-Anpassung an gewünschten Zweck
    • Weglassen unnötiger Komponenten
    • höhere Geschwindigkeit

Konfigurationsdateien

  • in der .config-Datei ist die gesamte Buildroot-Konfiguration für das Image gespeichert
  • defconfig-Dateien sind kleinere Dteien, die alle Änderungen zur Standardkonfiguration enthalten

Erstellen und Ändern

  • make raspberrypi4_defconfig erstellt Standardkonfiguration für Pi 4
  • make config: textbasierte Konfiguration
  • make menuconfig: TUI
  • make gconfig: GTK-GUI
  • make xconfig: QT-GUI
  • make nconfig: TUI (original curses-basiert, ähnlich menuconfig)
  • Overlay spezifizieren: Option Root filesystem overlay directories im Menü System configuration