Introducción a los módulos cargables del núcleo (LKM)
Primer ejemplo de un LKM
El LKM Makefile
Cómo compilar un LKM en un ordenador con Linux
Cómo compilar un LKM en el RPi
Nuestro primer ejemplo de LKM a prueba
Comprobación del parámetro LKM
Ejemplo de un LKM empotrado
Rutinas de servicio de interrupción (ISR)
Rendimiento
Controlador GPIO LKM de botón mejorado
La interfaz kobject
Controlador GPIO LKM de LED mejorado
Hilos de ejecución del núcleo
Conclusiones
Resumen
Introducción
La idea básica del proyecto Raspberry Pi (RPi) es la de desarrollar una plataforma de computación pequeña y asequible que sirviera para estimular el interés de los niños por aprender los aspectos fundamentales de las tecnologías de la información y las comunicaciones. La rápida evolución de los dispositivos SoC (System-on a -Chip) de bajo coste para aplicaciones móviles posibilitó una amplísima distribución de la plataforma asequible RPi a principios de 2012. Su impacto fue inmediato: en febrero de 2015 ya se habían vendido más de cinco millones de placas Raspberry Pi. La proliferación de smartphones nos ha permitido dar por sentado que podemos tener ordenadores capaces de llevar a cabo miles de millones de operaciones por segundo en la palma de la mano. No obstante, el hecho de que podamos modificar el hardware y el software de unos dispositivos tan pequeños como potentes y adaptarlos a nuestras necesidades, así como desarrollar nuestras propias creaciones, no deja de resultar asombroso. Mejor aún: ahora es posible adquirir un Raspberry Pi Zero por menos de cinco euros, casi lo mismo que un desayuno.
Las placas Raspberry Pi propiamente dichas resultan demasiado complejas para que las utilice el público general. Es, sin embargo, su capacidad de ejecutar una versión empotrada (embedded) de Linux lo que las convierte en plataformas accesibles, adaptables y potentes. En conjunto, Linux y los sistemas empotrados hacen posible un desarrollo sencillo para este tipo de dispositivos, destinados realizar funciones en edificios inteligentes, dispositivos IoT (Internet of Things, literalmente "Internet de las cosas"), robótica, energía inteligente, ciudades inteligentes, interacción hombre-ordenador (HCI o Human-Computer Interaction por sus siglas en inglés), sistemas ciberfísicos, impresión en 3D, sistemas avanzados para vehículos y muchas más aplicaciones.
La integración del software Linux de alto nivel con unos componentes electrónicos de bajo nivel representa un cambio de paradigma en el ámbito del desarrollo para sistemas empotrados. Poder construir un circuito con componentes electrónicos de bajo nivel e instalar un servidor web Linux, que permitirá su control desde Internet, con solo unos pocos comandos solo se puede definir como revolucionario. Es fácil utilizar el Raspberry Pi como ordenador Linux de propósito general, pero es muchísimo más interesante, y todo un desafío, remangarse y manipular directamente los componentes electrónicos en los circuitos de nuestro propio diseño. ¡Para eso está este libro!
Este libro debería resultar muy atractivo para inventores, manitas, estudiantes, emprendedores, hackers, artistas y soñadores, es decir, para todo el mundo que desee llevar la potencia de Linux empotrado a sus productos, invenciones, creaciones o proyectos y comprender verdaderamente la plataforma RPi con todo detalle. No es este, sin embargo, un libro de recetas. Con escasas excepciones todo lo mostrado aquí se explica a un nivel que permitirá al lector diseñar, construir y depurar sus propias ampliaciones a los conceptos presentados. Tampoco se incluye en el libro ningún gran proyecto de diseño para el que se deba comprar un conjunto predeterminado de componentes y periféricos con los que alcanzar un resultado muy concreto. Más bien, este libro trata de proporcionar al lector el conocimiento básico suficiente, así como los detalles técnicos, que le permita explorar por su cuenta y, además, lo motive a hacerlo.
Creo firmemente en el aprendizaje con la práctica, así, presento ejemplos con hardware de muy bajo coste y muy fácil de encontrar de modo que el lector pueda seguir adelante. Mediante estos ejemplos prácticos, se describe con todo detalle el significado de los pasos a seguir. De este modo, cuando el lector sustituya sus propios componentes, módulos y periféricos hardware, será capaz de adaptar el contenido de este libro a sus propias necesidades. Y respecto a ese "gran proyecto de diseño", lo dejamos a la imaginación del lector.
En 2014 escribí un libro muy bien recibido sobre la plataforma BeagleBone, titulado: Exploring BeagleBone: Tools and Techniques for Building with Embedded Linux. Como este libro se centra en Linux empotrado (embedded Linux) y pone todo el énfasis en presentar los principios fundamentales, existen ciertas similitudes entre el contenido introductorio de aquel libro y el de éste. Sin embargo, este libro se ha escrito desde el principio directamente para la plataforma RPi y en él se analizan sus puntos fuertes y se abordan varias de sus debilidades. Asimismo, he aprovechado la oportunidad de ampliar el material para tratar temas como el desarrollo para el núcleo (kernel) de Linux, el Arduino como procesador de servicios, nodos sensores WiFi, comunicación XBee, mensajería MQTT, dispositivos IoT, el concepto "plataforma como servicio" (Platform as a Service, PaaS por sus siglas en inglés) y mucho más. Si tiene una copia de Exploring BeagleBone, debería visitar el sitio web del libro (www.exploringrpi.com) a fin de comparar el contenido de ambos antes de decidir cuál comprar.
Al escribir este libro me propuse cumplir los objetivos siguientes:
❏Explicar el funcionamiento de Linux en sistemas empotrados y su interacción con los circuitos electrónicos, y guiar para ello al lector por los distintos aspectos y desafíos que presenta la popular plataforma RPi.
❏Proporcionar información detallada y formación en profundidad acerca de Linux, electrónica y programación. Todo ello resulta necesario para dominar una variedad amplia y exhaustiva de temas en este ámbito.
❏Crear una colección práctica de ejemplos tipo "¡Hola, mundo!", tanto en hardware como en software, de todos los temas tratados en el libro, por ejemplo: interfaces a bajo nivel, entrada/salida de propósito general (General Purpose Input/Output, GPIO), buses, conversores analógico-digital (Analog-to-Digital Converter, ADC) conectados a bus, así como transmisores/receptores asíncronos universales (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART). Igualmente, se analizan librerías para programación de alto nivel como OpenCV y el Framework Qt. Por último, en el libro se cubren también temas más avanzados como la manipulación de registros a bajo nivel y el desarrollo de módulos cargables del núcleo (Loadable Kernel Module, LKM) de Linux.
❏Mejorar y ampliar las capacidades de interfaz que ofrece la plataforma RPi mediante el desarrollo de frameworks para conectarla a circuitos, por ejemplo ADC basados en SPI, a procesadores de servicio, como Arduino y NodeMCU, y a plataformas y servicios IoT basados en la nube.
❏Asegurar que todos y cada uno de los circuitos y fragmentos de código fuente tengan un amplio alcance pedagógico y que estén diseñados específicamente para funcionar en el Raspberry Pi. Todos y cada uno de los circuitos y ejemplos de código fuente de este libro se compiló y probó en la plataforma RPi; la mayoría, en múltiples versiones de la placa.
❏Utilizar ejemplos "¡Hola, mundo!" para construir una librería de código que el lector pueda emplear y adaptar después a sus propios proyectos con Raspberry Pi.
❏Publicar todo el código fuente en GitHub de forma que resulte fácil de utilizar.
❏Apoyar este libro con un sólido contenido digital, como los vídeos en el canal DerekMolloyDCU de YouTube y el sitio web, www.exploringrpi.com, desarrollado específicamente para este libro.
❏Asegurar que, al finalizar el libro, el lector contará con todo lo necesario