BeagleBone Black: Capes verwalten

© Dmitriy Cherevko, 123RF

Alles Kapuze

Der BeagleBone Black ist zwar etwas teurer als der RasPi, dafür aber ähnlich flexibel und deutlich leistungsfähiger. Zudem erlaubt ein ausgefeiltes System das flexible Verwalten von Erweiterungsplatinen, den sogenannten Capes.

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Das Duo aus Device Tree und Capemgr erlaubt, die 96 Pins auf den Steckerleisten des BeagleBone Black fast nach Belieben für eigene Einsatzzwecke zu konfigurieren. Dieser Artikel vermittelt die dazu nötigen Grundlagen.

Der im BeagleBone Black verbaute Sitara-AM3359-Prozessor [1] von Texas Instruments implementiert über zahlreiche Signalleitungen ein GPIO-Interface sowie andere Kommunikationsschnittstellen wie SPI, I2C und UARTs. Diese Signalleitungen führt das Board über die Pins der Steckerleisten P8 und P9 (Abbildung 1) nach außen, sodass sich alle problemlos nutzen lassen. Während der Raspberry Pi auf seiner P1-Anschlussleiste lediglich 26 (Modell B) beziehungsweise 40 (Modell B+) Pins bereitstellt, verfügt der BeagleBone Black über nicht weniger als 96 Pins und bietet damit eine erheblich größere Vielfalt an Anschlussmöglichkeiten.

Abbildung 1: Die Steckerleisten P8 und P9 des BeagleBone Black stellen auf 96 Pins zahlreich Signalleitungen und eine Stromversorgung bereit. (Bild: BeagleBone Black System Reference Manual [2])

Die CPU des BeagleBone Black kann weitaus mehr Signale liefern, als es Pins auf dem Chip gibt, sodass sich nicht alle davon gleichzeitig nach außen führen lassen. Als Benutzer müssen Sie also entscheiden, welches der Signale das System "multiplexen" soll, also auf einen bestimmten Pin legen, um eine bestimmte Anwendung zu ermöglichen. Daher gilt es zu verstehen, wozu die einzelnen Signale dienen, um die für die jeweilige Applikation am besten geeigneten zu multiplexen und so die Fähigkeiten des BeagleBone Black voll auszureizen.

Capes

Was der Raspberry Pi mit dem Modell B+ und dem HAT-Konzept erst vor Kurzem eingeführt hat, beherrscht der BeagleBone schon seit Langem: Bereits sein Vorgänger führte standardisierte, über die Steckerleisten P8 und P9 mit dem SBC kommunizierende Erweiterungsplatinen ein, die in der BeagleBone-Welt "Capes" heißen (siehe Kasten "Was ist ein Cape?"). Die Ansteuerung der Capes erfolgt über spezifische, in einer vorgegebenen Konfiguration multiplexte I/O-Signale des Prozessors. Einige Capes schleifen Signalleitungen durch, sodass sich bis zu vier der Erweiterungsplatinen auf dem BeagleBone Black stapeln lassen.

Was ist ein Cape?

Eigene Schaltungen über einige Pins der Steckerleisten P8 und P9 mit dem BeagleBone Black zu verbinden, ist nicht besonders schwierig, macht das angeschlossene Board aber noch nicht zum Cape. Ein solches identifiziert sich während des Bootens über den I2C-Bus (die Pins P9.19 und P9.20) beim Capebus. Verläuft diese Anmeldung erfolgreich, multiplext der Kernel automatisch die notwendigen Pins und lädt die erforderlichen Gerätetreiber. Einige Cape-Konfigurationen hält der Kernel ständig vor, wie etwa HDMI und eMMC, andere lassen sich zwischen Neustarts hinzufügen oder entfernen. Der Identifikationsmechanismus stellt also sicher, dass der Kernel nach jedem Neustart weiß, welche Capes derzeit tatsächlich mit dem System verbunden sind.

Die große Anzahl verschiedener SBCs und Erweiterungsplatinen macht es unmöglich, alle Konfigurationen hartkodiert im Kernel vorzuhalten. Das Problem betrifft freilich nicht nur die BeagleBone-Familie, sondern alle Single-Board-Computer mit konfigurierbaren Erweiterungssteckern. Schon sehr früh lag auf der Hand, dass der Linux-Kernel deswegen einen flexiblen Mechanismus benötigte, um die passenden Signale zu identifizieren und zu multiplexen.

Dazu wurde dem Kernel 2008 eine Datenstruktur namens Device Tree [3] hinzugefügt. Sie ermöglicht es, Pin-Multiplex-Konfigurationen zu spezifizieren und bestimmten Pin-Layouts passende Treiber zuzuordnen. Ein als Cape Manager (Capemgr [4]) bezeichneter Kernel-Mechanismus sorgt für die notwendigen dynamischen Änderungen am eigentlich statischen Device-Baum.

Im Folgenden nehmen wir das Device-Tree-Konzept und den Capemgr näher unter die Lupe. Dabei zeigen wir, welche Pins auf dem BeagleBone Black Sie für eigene Projekte verwenden können und von welchen Sie besser die Finger lassen. Außerdem erfahren Sie, wie Sie eigene Modifikationen am Device Tree aus dem Userspace heraus via Capemgr vornehmen.

Device Tree im Detail

Einige Aspekte der Hardware-Konfiguration des BeagleBone Black ändern sich so gut wie nie, etwa die Kernspannung der CPU und die verschiedenen Taktsignale. Zwar lassen sie sich für spezielle Anwendungen durchaus modifizieren, etwa für das Stromsparen durch Heruntertakten des Prozessors, aber für solche speziellen Fälle stellt auch ein Rekompilieren des Kernels kein größeres Problem dar. Das Pin-Multiplexing dagegen muss sich jederzeit ändern lassen, wenn der Benutzer Capes entfernt oder neue hinzukommen – möglichst sogar dynamisch während des Betriebs. Wie bringt der Linux-Kernel solche statischen und dynamischen Konfigurationen unter eine Decke?

Genau dafür wurde der Device Tree konzipiert, der ursprünglich im Rahmen des Open-Firmware-Projekts entstand. Er besteht aus einer Datenstruktur von hierarchisch angeordneten Knoten, die die Eigenschaften und Konfiguration von Hardware-Komponenten beschreiben. Jeder Knoten enthält mehrere Datenpaare aus Namen und Wert, die jeweils eine Eigenschaft der entsprechenden Komponente definieren. Zu diesen Eigenschaften zählen unter anderem die Art und Weise, wie Pins seitens der Kernel-Gerätetreiber anzusprechen sind, sowie die Parameter, die die Treiber dazu benötigen.

Der spezielle Device-Tree-Compiler dtc übersetzt die für Menschen lesbaren Device-Tree-Quelldateien (.dts) in binäre Form (.dtb). Der Kernel lädt beim Booten das resultierende File, für den BeagleBone Black heißt es am335x-boneblack.dtb, das die grundlegende Konfiguration sowie das Pin-Multiplexing beschreibt. Listing 1 zeigt den grundlegenden Aufbau einer einfachen Device-Tree-Quelldatei mit einigen Nodes, von denen jeder wenigstens eine Eigenschaft der zugehörigen Hardware beschreibt. In der Praxis gestalten sich solche Quelldateien oft sehr komplex und enthalten Dutzende Knoten mit jeweils mehreren Eigenschaften.

Listing 1

 

/* Wurzelknoten */
/ {
  /* Unterknoten der Wurzel */
  node1 {
    /*Knoteneigenschaften */
    property1 = "Wert";
    property2= <1 2 3>;
  };
  /* Unterknoten der Wurzel */
  node2 {
    property1 = <1>;
    /* Unterknoten von node2 */
    node3 {
      property1 = "Wert";
    };
  };
};

Bei Änderungen am Device Tree muss man nicht jedes Mal die Quelldatei neu übersetzen und das System frisch booten. Stattdessen wendet man ein sogenanntes Overlay auf den Device Tree an. Ähnlich wie beim dynamischen Linken von Treibern in den laufenden Kernel fügen solche Overlays neue Knoten in die Gerätestruktur ein. Als Quelldatei dient auch in diesem Fall eine DTS-Datei, deren Kompilat jedoch die Dateinamensendung .dtbo trägt ("Device Tree Binary Overlay").

DTBO-Files speichert das System im Firmware-Verzeichnis, unter Linux also in /lib/firmware, unter Android in /system/vendor/firmware. Um eigene Overlays aus einer DTS-Datei zu übersetzen, verwenden Sie das folgende Kommando:

$ dtc -O dtb -o [TleNr]-[Version].dtbo -b 0 -b 0 -@ source.dts

Dabei bezeichnet TleNr die Teilenummer, eine beliebige bislang noch nicht verwendete Zeichenkette zur Bezeichnung der Komponente. Die Version, üblicherweise eine vierstellige, bei 00A0 beginnende Hexadezimalzahl, dient der Unterscheidung verschiedener Overlay-Versionen für dieselbe TleNr. In aller Regel kommen Sie mit der Versionsnummer 00A0 aus, es sei denn, Sie verwenden mehrere Spielarten einer Hardware-Komponente, von denen jede ein spezifisches Overlay benötigt.

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