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@iwatake2222(iwatake)

ZYBO (Zynq) 初心者ガイド (18)(完) IoT化してスマホからLチカ

Last updated at Posted at 2018-01-17

環境

  • 開発用PC: Windows 10 64-bit
    • Vivado 2017.4 WebPACKライセンス
    • Xilinx SDK 2017.4 (C アプリケーションの実装)
    • Visual Studio Code (Pythonスクリプトの実装)
  • 開発用PC (Linux): Ubuntu 16.04 本家 (日本語版じゃない) (on VirtualBox 5.2.4)
    • PetaLinux 2017.4
  • ターゲットボード: ZYBO (Z7-20)

IoT化してスマホからLチカ

今回は最終回として、これまでやってきた内容を組み合わせて、スマートフォンからZYBO上のLEDやボタンを制御してみます。ラズパイでよくある、こういうやつです(ラズパイ + Bottleでお手軽にIoT環境を作る)。

01.jpg

デモ動画と作り方: https://youtu.be/z613J8RVpog
(Xilinxのブログで紹介されました！！ (https://forums.xilinx.com/t5/Xcell-Daily-Blog/Hands-on-Watch-YouTube-video-maker-takeshi-i-create-an-IoT/ba-p/822967 ))

全体像

全体像は以下の通りです。

02.jpg

下から見ていきます。ZYBO Z7-20ボード上には、PLに接続されたLED x 4、ボタン x 4、スイッチ x 4、カラーLED x 2と、PSに接続されたLED x 1、ボタン x 2があります。PL側のLED、ボタン、スイッチの制御用に、myipというIPを作ります。これは、AXI GPIOとほぼ同等ですが、練習のために自作IPとしました。また、カラーLEDのPWM制御用にmypwmというIPを作成します。PS側のLEDはOSの機能でそのまま制御します。ボタンは今回は使いません。(1時間くらハマったけど、ボタンのGPIO956/957の制御が出来なかった)。

自作IPであるmyipとmypwmは、User space IO(UIO)として制御します。それぞれ、/dev/uio0、/dev/uio1になります。これは、デバイスツリーで設定します。

自作IPの制御用に、Cアプリケーション(myip_controller)を作成します。入出力として名前付きパイプを持ちます。入力パイプで、LED制御コマンド(ON/OFFやカラーLEDのDuty比)を受け付けます。出力パイプで、ボタンとスイッチの状態を出力します。

最上位層にPythonスクリプト(ServerIoT)がいます。ServerIoTは、bottleを使用してサーバーとして動作します。WebAPIとして、setStatusとgetStatusをPOST(JSON)形式で提供します。setStatusが呼ばれたら、PLデバイスの制御コマンドをパイプ経由でmyip_controllerに出力します。PSのLEDは直接制御します。getStatusが呼ばれたら、パイプ経由でmyip_controllerからボタンとスイッチの状態を取得して、呼び元にJSON形式で返します。また、公開ルートパスにアクセスされたら、index.htmlを出力します。このindex.htmlがユーザにとってのビューになります。index.html内にボタンなどが配置されており、ボタンが押されるなどのイベントに応じて、main.jsというJavaScriptを呼び出し、このJavaScriptが先ほどのWebAPIを呼び出します。

ポイント

実は、Cアプリケーションを省略して、Pythonだけで/dev/uio0,1の制御をすることも可能です。今回は練習のために、あえてCアプリケーションで実装しました。

CとPythonの連携については、Boost.Pythonやctypesを使用することもできます。この場合、C側は共有ライブラリ(.so)になります。個人的にこのパターンは以前やったことがあるのと、開発が面倒(soのテストアプリが必要)なので、今回はやめました。
代わりに、名前付きパイプを使用して、文字列でやり取りします。これによって、Python側とCアプリケーションがバイナリ的に疎結合になり、テストが非常にやりやすくなります。C側の開発をするときは、入出力がパイプなので、コンソールからのcatやechoで動作確認できます。Python側も同様です。さらに、入出力がパイプになることで、ハードウェア制御が無くなり、ホストPC上で開発/確認ができます。(ただし、パイプを使うので、Windows コマンドプロンプトだと不可。また、PS GPIOの確認はできない)

各ブロックの責務と詳細

  • ServerIoT
    • Pythonスクリプト。WindowsPCで開発。デバッグはmsysとZYBO実機
    • サーバーとして、WebAPIとビューを提供する
    • WebAPI(setStatus)で指示されたとおりに、名前付きパイプにLED制御コマンドを出力。PS GPIOは自分で制御する
    • WebAPI(getStatus)を受けたら、名前付きパイプからボタンとスイッチの状態を取得する。その後、JSON形式にして呼び元(main.js)に返す
  • myip_controller
    • C++アプリケーション。WindowsPC上のXilinx SDKで開発/デバッグ
    • 自作IP(/dev/uio0、/dev/uio1)の制御
  • Linuxイメージ (カーネル/RootFS)
    • Ubuntu上のPetaLinuxで作成
    • PythonとC++ライブラリをインストール
    • ServerIoTとmyip_controllerを含む。また、これらを起動デーモンとして開始する
    • デバイスツリー設定(system-user.dtsi)によって、自作IPをUIOデバイスとして認識させる
  • hdf
    • ハードウェア情報 (PSの設定と、PLのビットストリーム)。
    • Windows PC上のVivadoで開発

ソースコード

Build方法

ハードウェア(hdf)やビルド済みのバイナリは、既にPebaLinuxプロジェクトに含まれています。そのため、ビルドするだけであれば、PetaLinux プロジェクト (https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_PetaLinux) だけあれば大丈夫です。

開発PCのターミナル
git clone https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_PetaLinux.git
cd ZYBO_IoT_PetaLinux/PjIoT
# 下記ファイルの`SERVER_URL`にZYBOのIPアドレスを設定する。コミットされているのは僕の環境の値 (192.168.1.87)
code project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/files/ServerIoT/static/js/main.js &
petalinux-build
petalinux-package --boot --force --fsbl images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga images/linux/design_iot_wrapper.bit --u-boot

出来上がった、images/linux/BOOT.binとimages/linux/image.ubをFAT32フォーマットのSDカードに書き込みます。その後、同じネットワーク内にあるブラウザからhttp://192.168.1.87:8080/にアクセスします。

Pythonスクリプトを変更したい場合は、project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/files/ServerIoT/を直接編集します。

Cアプリケーション(myip_controller)を変更したい場合は、https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_SDK を取得して、Xilinx SDKで変更/デバッグします。出来上がったバイナリ(myip_controller.elf)をPetaLinuxのproject-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/files/にコピーします。

ハードウェアデザインを変更したい場合は、https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_Vivado を取得して、変更後、hdfを出力します。その後、PetaLinux側にコピーして、petalinux-config --get-hw-description=.した後、再ビルドします。

本プロジェクトの作り方

一からプロジェクトを始める際の、作業の流れを記載します。コードは省略します。代わりに、GitHubへのリンクを載せるようにします。

成果物ベースでのフローは以下のようになります。

image.png

1. ハードウェアの作成 (Vivado on Windows)

Vivadoで新規プロジェクトを作成します。以下のようなハードウェアを作り、ビットストリーム付きのhdfをエクスポートしておきます。
以後、ブロックデザイン名はdesign_iotとします。そのため、出来上がるhdfはdesign_iot_wrapper.hdfとして説明/コマンドなどを記載します。

03.jpg

必要に応じて、この時点でシミュレーションを回して、ハードウェアが期待通りに動いているかを確認します。僕は面倒だったので、SDK上でstandaloneプロジェクトを作り、デバッグ画面でレジスタに読み書きして、期待通りの動作をしているかを確認しました。

完成したdesign_iot_wrapper.hdfを、Ubuntu側にコピーしておきます。

2. ベースとなるLinuxイメージの作成 (PetaLinux on Ubuntu)

Ubuntu上で、新たにPetaLinuxプロジェクトを作ります。先ほど作成したdesign_iot_wrapper.hdfを、~/work/peta/PjIoTにコピーしておきます。そして、このハードウェア情報を基に、プロジェクトのコンフィグを行います。(ビルドはまだ)

開発PCのターミナル
cd ~/work/peta
petalinux-create --type project --template zynq --name PjIoT
cd PjIoT/
petalinux-config --get-hw-description=.

ビルドに進む前に、いくつかやることがあります。
まず、デバイスツリーを変更します。myipとmypwmをUIOデバイスとします。

project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi
/include/ "system-conf.dtsi"
/ {
    chosen {
        bootargs = "console=ttyPS0,115200 earlyprintk uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio";
    };
};

&myip_0 {
    compatible = "generic-uio";
};

&mypwm_0 {
    compatible = "generic-uio";
};

続いて、RootFSのコンフィグを変えて、必要なツールやライブラリをインストールします。menuconfig上で、pythonとcurlとlibstdc++をインストールします。念のためPythonは、全てのパッケージを入れておきます。(本当は、bottleが使っているのだけを入れるべき)。
設定が終わったら、ビルドします。

開発PCのターミナル
petalinux-config -c rootfs
#	Filesystem Packages  → devel  → python  → python
#	Filesystem Packages  → console  → network  → curl
#	Filesystem Packages  → misc  → gcc-runtime -> libstdc++

petalinux-build
petalinux-package --boot --force --fsbl images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga images/linux/design_iot_wrapper.bit --u-boot

04.jpg

完成したイメージ(images/linux/BOOT.binとimages/linux/image.ub)をSDカード(FAT32)に入れて、ZYBOを起動します。pythonがインストールされていることを確認します。また、ifconfigでIPアドレスを確認しておきます。

3-a. Cアプリケーションの開発 (Xilinx SDK on Windows)

myip(/dev/uio0)とmypwm(/dev/uio1)を制御するアプリケーションを開発します。僕はクラスを使いたかったので、実際にはC++アプリケーションになります。
Xilinx SDK上で、メニューバー -> File -> New -> Application Projectで、以下のプロジェクトを作ります。

  • ProjectName = myip_controller
  • OS Platform = linux
  • Processor Type = ps7_cortexa9
  • Language = C++
  • Linux System Root / Linux Toolchain = 非チェック

ここ(https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_SDK/tree/master/myip_controller )にあるようなコードを実装/ビルドします。その後、TCFでデバッグします。デバッグ方法についてはこちら(https://qiita.com/take-iwiw/items/8134ca7098622219b177 )を参考にしてください。

デバッグ開始前に、ZYBO上で、下記コマンドで名前付きパイプを作っておきます。

ZYBO上のターミナル
mkfifo pipe_c2p
mkfifo pipe_p2c
chmod 666 pipe_p2c
chmod 666 pipe_c2p

パイプによるインターフェースは以下のような文字列にします。

  • pipe_p2c (Python → CアプリへのLEDの制御コマンド)
    • "ON,OFF,ON,OFF,100,100,100,100,100,100"
    • ↑はそれぞれ、LD0,LD1,LD2,LD3,R0,G0,B0,R1,G1,B1、に対応。Duty比は0～100
  • pipe_c2p (Cアプリ → Pythonへのボタンとスイッチの状態通知)
    • "{"btn0":"OFF", "btn1":"OFF", "btn2":"OFF", "btn3":"OFF", "sw0":"OFF", "sw1":"OFF", "sw2":"OFF", "sw3":"OFF"}"

そのため、ZYBOのターミナル上で、以下のようなコマンドによって動作確認をします。

ZYBO上のターミナル(デバッグコマンド例)
echo "ON,OFF,ON,OFF,100,100,100,100,100,100" > pipe_p2c
cat pipe_c2p

このように、名前付きパイプと文字列によるシンプルなインターフェースを採用したため、Python側のコーディングの前に、ほぼ本番と同じ状態でのテストが可能となりました。

3-b. Pythonアプリケーションの開発

WebサーバーとなるPythonスクリプトを開発します。開発場所はどこでもいいです。僕は、最初はWindows上で開発していましたが、途中から動作確認は直絶ZYBOで行いました。Windows上でVSCodeでコーディング → SFTP(拡張機能)でZYBOに自動コピー → ZYBOで実行、という流れです。ただし、ZYBOを再起動したらファイルが消えるのでご注意ください。

コード一式は、こちら(https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_PetaLinux/tree/master/PjIoT/project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/files/ServerIoT )にあります。WebサーバやPythonなどの詳細はこの記事(https://qiita.com/take-iwiw/items/3f86281312646fd9d893 )をご参考にしてください。

見た目をよくするために、Bootstrapを取り込んでいます。また、Bottleは、bottle.pyをファイルとして直接配置しています。これは、ZYBO上で追加パッケージのinstallなどをしたくないためです(だから、1ファイルで済むbottleを使用することにしました)。

ある程度出来上がったら、先ほどのCアプリケーションを実行して、結合確認をしてみます。スマホやPCのブラウザから、http://192.168.1.87:8080/ にアクセスして、LED等の制御ができたらOKです。

4. 全てを含んだLinuxイメージの作成 (PetaLinux on Ubuntu)

ここまでの開発では、CアプリケーションはelfバイナリをTCFでデバッグ、PythonスクリプトはSFTPでアップロードしていました。今使用しているイメージでは、RootFSはinitramfsとして、DDR上にマウントされるので、再起動のたびに消えてしまいます。また、実行するのに、毎回手間がかかります。

必要なバイナリやスクリプトを含み、かつ、それらを起動時に自動実行するようにします。なお、Cアプリケーションについては、PetaLinuxでビルドするのではなく、Xilinx SDKでビルド済みの実行ファイルを取り込むことにします。
基本的には、15回目: Linux起動時にアプリケーションを自動実行させる、の通りです。以下コマンドで、myinitという起動用のinit.dデーモンを作ります。レシピと、shスクリプトを編集する必要があります。中身は、(https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_PetaLinux/tree/master/PjIoT/project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit )をご確認ください。

開発PCのターミナル
petalinux-create -t apps --template install -n myinit --enable
code project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/myinit.bb &
code project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/files/myinit &
code project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/files/myinit_run.sh &

petalinux-createでmyinitを作ったら、Xilinx SDKでビルド済みのmyip_controller.elfと、Pythonスクリプト一式をフォルダ(ServerIoT)ごと、project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/files/にコピーしておきます。

レシピと、shスクリプトの編集と、ファイルのコピーが終わったら、下記コマンドで、image.ubを再作成します。

開発PCのターミナル
petalinux-build -c rootfs
petalinux-build -x package

メモ

本来、Cアプリケーション(自作IPの制御)とPythonスクリプト(サーバー)は、別々のデーモンとして動かすべきです。が、今回は横着をして、同一のスクリプト(myinit_run.sh) 内で、Cアプリケーション(自作IPの制御)をバックグラウンドとして動かすことにしました。
なお、名前付きパイプの作成も、myinit_run.sh内で行っています。

Pythonスクリプト(サーバー)の方は、1ファイルだけではなく、htmlなど、複数のファイルを含むディレクトリをインストールする必要があります。そのため、レシピ内で少し工夫が必要でした。(https://github.com/take-iwiw/ZYBO_IoT_PetaLinux/blob/master/PjIoT/project-spec/meta-user/recipes-apps/myinit/myinit.bb )。ただ、この方法で正しいかは不明。

動作確認する

作成したimage.ubを、SDカードに上書きコピーして、ZYBOを起動します。

すると、電源ONするだけで、http://192.168.1.87:8080/ のページが有効になり、LED制御などが出来るはずです。

おわりに

今回は最終回として、今までやってきた内容をほぼ全て詰め込んでみました。また、ZYBOをIoTっぽく使うときのベースとなるプロジェクトにできたと思います。

本連載はこれで終わりです。ツールのインストールから始まり、IPの作成、ベアメタル実装、Linuxまで、一通りの内容を抑えることが出来たと思います。

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