ARDUINO* 和 LINUX 本地进程实现高效通信

隔壁他二叔

ARDUINO* 和 LINUX 本地进程实现高效通信

Matthias H. (Intel), Hai Shen (Intel), 2016 年 4 月 17 日

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

• 磁盘（SD 卡，eMMC）上没有通信，目的是降低磁盘磨损和提升性能
• 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：

• 如何确保只有一条进程在特定时间运算该共享数据？ （同步）
• 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);

复制代码

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);

复制代码

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：

• 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
• 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 totmpfs（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。
• 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。
• 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。
• 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

  复制代码
  
  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：

• mmap.ino：放在 Arduino* IDE 上的sketch
• mmap.cpp：发送数据的本机进程
• 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

复制代码

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}

复制代码

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

1. /*
   
2. * Author: Matthias Hahn <matthias.hahn@intel.com>
   
3. * Copyright (C) 2014 Intel Corporation
   
4. * This file is part of mmap IPC sample provided under the MIT license
   
5. *
   
6. * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
   
7. * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
   
8. * in the Software without restriction, including without limitation the rights
   
9. * 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<struct mmapData*>(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. }

复制代码

mmap.cpp

1. /*
   
2. * Author: Matthias Hahn <matthias.hahn@intel.com>
   
3. * Copyright (C) 2014 Intel Corporation
   
4. * This file is part of mmap IPC sample provided under the MIT license
   
5. *
   
6. * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
   
7. * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
   
8. * in the Software without restriction, including without limitation the rights
   
9. * 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 <LED8><LED13> (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 "<led8><led13>"; 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<struct mmapData*>(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. }

复制代码