Fachhochschule Augsburg Fachbereich Informatik. Präsentation der Diplomarbeit. zum Thema

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1 Fachhochschule Augsburg Fachbereich Informatik Präsentation der Diplomarbeit zum Thema Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem, praktisch realisiert am Beispiel einer USB-zu-Mikroprozessor und einer USB-zu-CAN Schnittstelle um Uhr, Raum J101 Aufgabensteller: Prof. Dr. Hubert Högl Bearbeiter: Anatolij Gustschin

praktisch realisiert am Beispiel einer USB-zu-Mikroprozessor und einer USB-zu-CAN

2 Überblick Aufgabenstellung USB Grundlagen (USB 1.1) USB-AVR Interface (AVRPIPE), Libavrp USB-CAN-Realisierung (Software) CAN-Grundlagen (kurz) USB-CAN-Interface (UCI), USBCAN-Treiber, Libusbcan Demonstration Literatur, Info-Quellen Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 2

CAN-Grundlagen (kurz) USB-CAN-Interface (UCI), USBCAN-Treiber, Libusbcan

3 Aufgabenstellung USB-Treiber und API Schnittstellen- Programme für Ez-Usb USB-CAN USB-AVR Schnittstellen- Programm im AVR Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 3

4 USB-Grundlagen (USB 1.1) USB-Topologie Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 4

5 USB-Grundlagen (2) Single Master Bus (Host ist Master) Bis zu 127 USB-Geräte 12 MBit/s (ca. 9,7 MBit/s bei einem Gerät) Buskabel mit 4 Leitungen (bis zu 5m lang): +5V D - D+ GND Differenz-Signalleitungen Stromversorgung über den USB-Bus (bis zu 500 ma) Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 5

9,7 MBit/s bei einem Gerät) Buskabel mit 4 Leitungen (bis zu 5m lang): +5V D - D+

6 USB-Grundlagen (3) USB-Transferarten: Control Transfer (max. 10% der Bandbreite) Konfiguration, Steuerung Interrupt Transfer (max. 90%) Statusinformationen Bulk Transfer (keine Bandbreite reserviert) Schnelle Übertragung großer Datenmengen Isochronous Transfer (max. 90% mit Interrupt) Übertragung mit garantierter Bandbreite, allerdings keine Fehlerbehandlung (z.b. Audiodaten) Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 6

90%) Statusinformationen Bulk Transfer (keine Bandbreite reserviert) Schnelle Übertragung großer Datenmengen

7 USB-Grundlagen (4) Aufteilung der Bus-Bandbreite Frame N-1 Frame N Frame N+1 SOF * SOF SOF t 1-1ms t 1 t 1 + 1ms t Frame-Sequenz * SOF: Start-Of-Frame Token Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 7

Frame-Sequenz * SOF: Start-Of-Frame Token Kommunikation von

8 USB-Grundlagen (5) Aufteilung von Transaktionen auf Frames 1-Millisekunden-Frame 1-Millisekunden-Frame Start Of Frame Device 1, Endpoint 2 Device 2, Endpoint 2 Device 5, Endpoint 3 Device 5, Endpoint 3 Unused Start Of Frame Device 5, Endpoint 3 Device 2, Endpoint 2 Device 1, Endpoint 2 Device 5, Endpoint 3 Unused Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 8

Device 5, Endpoint 3 Unused Start Of Frame Device 5, Endpoint 3 Device 2, Endpoint 2 Device 1,

9 Frame-Sequenz

10 Aufteilung von Transaktionen auf Frames

11 Aufbau von Transaktionen IN-Transfer USB-Grundlagen (6) OUT-Transfer Bildquelle: EZ-USB Technical Reference Manual Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 11

12 USB-Grundlagen (7) Control Transfer (Bildquelle: EZ-USB Technical Reference Manual) Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 12

13 USB-AVR Interface (AVRPIPE) Auf der Hostseite: User-Mode Treiber basierend auf Libusb überträgt Daten von/zu Ez-Usb Vorteile: + einfache Realisierung + verwendbar mit neuerem Kernel (2.6.x) In Ez-Usb: Schnittstellenprogramm überträgt Pufferdaten von/zu AVR (synchron) In AVR: Schnittstellenprogramm überträgt Pufferdaten von/zu Ez-Usb auf dessen Anforderung Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 13

x) In Ez-Usb: Schnittstellenprogramm überträgt Pufferdaten von/zu AVR (synchron) In AVR: Schnittstellenprogramm

14 USB-AVR Interface (AVRPIPE) Host -Überträgt Pufferdaten von/zu Ez-Usb (Ez-Usb) -Sendet Anforderungen (Requests) zum Starten des Transfers zw. Ez-Usb und AVR: RQ_SEND_TO_AVR RQ_READ_FROM_AVR RQ_AVR_DATA_AVAILABLE RQ_READ_AVR_SRAM -Puffer-Größen: 32, 64, 128 und 256 Byte Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 14

Ez-Usb und AVR: RQ_SEND_TO_AVR RQ_READ_FROM_AVR RQ_AVR_DATA_AVAILABLE RQ_READ_AVR_SRAM

15 USB-AVR Interface (AVRPIPE) Ez-Usb Schnittstellenprogramm wird beim Anschließen vom Hot-Plug-System zum Gerät übertragen und gestartet (ezusb_ldr, an2131ctl) AVR Schnittstellenprogramm befindet sich im Flash-Speicher im AVR (Programmierung mit avrdude über Parallelport des PC) Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 15

Schnittstellenprogramm befindet sich im Flash-Speicher im AVR (Programmierung mit avrdude

16 USB-AVR Interface (AVRPIPE) Libavrp API zur Anwendungs-Entwicklung int open_avr (int dev_num); int close_avr (int dev_num); int send_to_avr (int dev_num, unsigned char * buffer, unsigned short len); int read_from_avr (int dev_num, unsigned char * buffer ); int avr_data_available (int dev_num); int read_avr_sram (int dev_num, unsigned char * buffer); Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 16

(int dev_num, unsigned char * buffer ); int avr_data_available (int dev_num); int read_avr_sram (int dev_num,

17 CAN-Grundlagen CAN-Bus-Topologie CAN-Nachrichten (Telegramme, Messages) 11-Bit bzw. 29-Bit Identifier ( ) 8-Byte Datenfeld Remote-Nachrichten (ohne Datenfeld) Übertragung mit bis zu 1 MBit/s (10, 20, 50, 100, 125, 250, 500, 1000 Kbit/s) Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 17

.2 29 ) 8-Byte Datenfeld Remote-Nachrichten (ohne Datenfeld) Übertragung mit bis

18 USB-CAN-Realisierung USB-CAN-Interface (UCI): Schnittstellenprogramm im Ez-Usb Chip USBCAN-Treiber auf dem Host (Kernel- Mode) Libusbcan: Bibliothek zur Anwendungsentwicklung (kapselt Treiberschnittstelle) Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 18

Bibliothek zur Anwendungsentwicklung (kapselt Treiberschnittstelle)

19 UCI: USB-CAN-Realisierung - UCI wird beim Anschließen in den Ez-Usb geladen (vom Linux-Hot-Plug System) simuliert ein Reconnect und beantwortet die Anfragen des Hosts zur Geräte-Identifikation (liefert alle notwendigen Deskriptoren) steuert den CAN-Controller (Kommandos vom Treiber) Starten, Anhalten, Bit-Rate und Nachrichten-Filter konfigurieren, etc. übernimmt: CAN-Nachrichtentransfer (USB <---> CAN) Behandlung und Mitteilung von Fehlern bietet Zugriff auf Register des CAN-Controllers (Debug) Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 19

Starten, Anhalten, Bit-Rate und Nachrichten-Filter konfigurieren, etc.

20 USB-CAN-Realisierung UCI (2) UCI Endpoint-Layout Control-Transfers für Gerätesteuerung Interrupt-Transfer für Status-Info und Fehlermeldungen Bulk-Transfers für CAN-Nachrichten Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 20

Fehlermeldungen Bulk-Transfers für CAN-Nachrichten Kommunikation

21 USB-CAN-Realisierung - USBCAN-Treiber USBCAN-Treiber: bisher mit Linux-Kernel 2.4.x und UHCI/OHCI (Kernel 2.6.x geplant) wird automatisch geladen kann bis zu 16 USBCAN-Geräte bedienen unterstützt alle CAN-Bitraten (bis 1 MBit/s) verwaltet Puffer für abgehende und ankommende CAN-Nachrichten signalisiert Nachrichtenempfang und Fehler an die Anwendung bietet Schnittstelle zur Steuerung des USBCAN- Geräts Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 21

22 USB-CAN-Realisierung - Libusbcan Libusbcan kapselt Treiberaufrufe verwendete CAN-Nachrichten-Struktur: typedef struct { unsigned long id; /* message ID */ unsigned int flags; /* std/ext, rtr, dlc */ unsigned char msgdata[can_msg_length]; struct timeval ts; /* time stamp for received msg */ } canmsg_t; Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 22

23 USB-CAN-Realisierung Libusbcan (2) int can_init (void); Funktionen der Bibliothek: int can_open (int dev_num, unsigned char flags); int can_close (int dev_num); int can_start (int dev_num); int can_stop (int dev_num); int can_set_callback (int dev_num, unsigned char type, void(*callback)(unsigned long)); int can_set_baud (int dev_num, unsigned char baud); int can_set_acc_mask (int dev_num, unsigned long mask); int can_set_acc_code (int dev_num, unsigned long code); Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 23

24 USB-CAN-Realisierung Libusbcan (3) Funktionen der Bibliothek: int can_send_msg (int dev_num, canmsg_t *msg); int can_receive_msg (int dev_num, canmsg_t *msg); int can_send_msg_buf (int dev_num, canmsg_t *msg_buf, int size); int can_receive_msg_buf (int dev_num, canmsg_t *msg_buf, int size); int can_reset (int dev_num); void can_print_err (unsigned int err); void can_debug_on (int level); Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 24

25 Literatur [1] USB 2.0, Hans Joachim Kelm (Hrsg.) Franzis' Verlag GmbH, Poing, 2001 [2] CAN; Grundlagen, Protokolle, Bausteine, Anwendungen Konrad Etschberger München, Wien: Hanser, 1994 [3] CAN Controller Area Network; Grundlagen und Praxis Wolfhard Lawrenz (Hrsg.) Heidelberg: Hüthig, 1994 [4] Programming Guide for Linux USB Device Drivers Detlef Fliegl, [5] Linux Device Drivers, 2st Edition A. Rubini, J. Corbet, O'Reilly & Associates, Inc. [6] Understanding the Linux Kernel Daniel P. Bovet & Marco Cesati O'Reilly & Associates, Inc., 2001 Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 25

26 Literatur Außerdem wurden folgende Datenblätter verwendet: [7] EZ-USB Technical Reference Manual, Version 1.10, Cypress Semiconductor [8] SJA1000 Stand-alone CAN controller, Philips Semiconductors, 2000 [9] Atmel ATmega8(L) Datasheet, Atmel Corporation, 2003 [10] AVR Instruction Set, Atmel Corporation, 2002 [11] USB-Tiny-CAN Schaltplan, Version 1.0, MHS-Elektronik, 2004 Kommunikation von Linux-Applikationen mit generischer Hardware über das USB-Subsystem 26

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