Просмотр кода страницы Мини-компьютеры/периферия/GPIO

{{stub}}

Настройка систем ALT Linux для поддержки
периферии к одноплатным и другим мини-компьютерам,
которая подключается/подпаивается к разъемам/контактам на плате.


{| style="border:1px solid #AAA; background:#F9F9F9; margin: 0 0 1em 1em; padding:.2em; text-align:left;" class=noprint
|-
|[[Image:Gnome-dialog-warning.svg]]
| '''Внимание:'''
Страница предназначена для обсуждения настройки систем ALT Linux.
Пожалуйста, не указывайте здесь 
1) несистемную периферию (датчики и т.д.),
работа с которой идет от пользователя
и не требует настройки системы.
2) схематику подключения для конкретных плат.
|-
|}


== Часы реального времени. ==

[[Изображение:Pcf8563-rtc.jpg|200px|left]]

Много одноплатных компьютеров не имеет встроенных часов (rtc clock).
Но можно подключить готовый модуль с отсеком для батарейки и
микросхемой rtc clock, как правило, подключаемой по шине I2C.


=== Советы начинающему пользователю по выбору rtc clock ===

В продаже есть множество готовых модулей rtc clock для Arduino, Raspberry Pi и т.д. от 50р и выше.
Модуль можно спаять и самостоятельно, для винтажности взяв отсек для батарейки и часовой кварц
со старой нерабочей материнки (кварцы там обычно ставили точнее, чем ширпотреб на готовых модулях).
Если нужно качество и точность, я бы рекомендовал модуль на микросхеме DS3231.
В общем случае, при выборе модуля для одноплатного компьютера желательно, чтобы 
* модуль мог работать от питания 3.3V (выводы GPIO одноплатников, того же Raspberry Pi, не толерантны к 5V). Это микросхемы DS3231, DS1302, pcf8563, ...
* на модуле либо не было подтягивающих резисторов к линиям SDA/SCL, либо их можно было легко отключить джамперами.
Обычно в одноплатнике на линии i2c уже есть подтягивающие резисторы к 3.3V,
поэтому в модуле часов подтягивающие резисторы не нужны.

{| style="border:1px solid #AAA; background:#F9F9F9; margin: 0 0 1em 1em; padding:.2em; text-align:center;" class=noprint
|-
|[[Image:Gnome-dialog-warning.svg]]
|-
| '''Внимание:''' при подключении 5V модуля rtc clock для Arduino отключите подтягивающие резисторы с SDA/SCL на 5V!
|}

Нужно быть осторожными с готовыми модулями для Arduino на микросхеме DS1307.
Они могут соблазнять дешевизной и изобилием предложений.
Сама по себе микросхема DS1307 питается от 5 вольт, но общается с одноплатником по шине I2C
сигналами с уровнем 30%VDD (Low) и 70%VDD (High), т.е. не больше 3.5V.
Таким образом, ее можно безболезненно подключать к выводам, не толерантным к 5V.
Но! на плате модуля для Arduino могут быть распаяны подтягивающие резисторы (4K7) к 5V.
Через них 5V придет на входы SoC одноплатника. Обычно это не смертельно.
Резисторы 4K7 ограничивают ток до 10мА, плюс в SoC на входах может быть встроенная защита
от перенапряжения. Но это нештатный режим, ведущий со временем к деградации чипа.
<ref>http://electromost.com/news/raspberry_pi_dlja_domashnej_avtomatizacii_chasy_realnogo_vremeni/2015-09-13-135</ref>
Это как в дешевых светодиодных лампочках недобросовестные производители
делают из 7W 10W, повышая напряжение на светодиодах, что резко сокращает срок их службы.
Поэтому для постоянного подключения к одноплатнику такой модуль нужно доработать, выпаяв из него подтягивающие резисторы.

Пример доработки модуля TinyRTC для Arduino:
[[Изображение:TinyRTCArduinoShield.jpg]]

<br>

=== Статус поддержки i2c rtc clock ===

В ядре поддерживаются практически все популярные микросхемы i2c rtc clock.
Однако их настройка требует некоторых телодвижений.

=== тестовое подключение i2c rtc clock ===

К примеру, рассмотрим пробное подключение модуля с микросхемой часов pcf8563
к шине i2c №1 (/dev/i2c-1).

 # i2cdetect -y 1
      0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
 00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 50: -- 51 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 70: -- -- -- -- -- -- -- --

Видим, что устройство доступно на шине №1 (опция -y 1)
с адресом 0x51. Выполняем команду
 # echo pcf8563 0x51 > /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device
после чего появится устройство /dev/rtc0.
# dmesg | grep rtc
 [   18.259456] rtc-pcf8563 1-0051: registered as rtc0

 # i2cdetect -y 1
      0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
 00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 50: -- UU -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
 70: -- -- -- -- -- -- -- --

теперь i2cdetect по адресу 0x51 показывет UU, что означает, что
данное устройство открыто ядром и недоступно пользователю.

Для практически любого модуля часов указания по тестовому подключению
можно легко найти в интернет.

=== Настройка системы для i2c rtc clock ===

Тонкость настройки системы для i2c rtc clock в том, чтобы
при загрузке подключить часы и выставить время как можно раньше,
чтобы получить правильное время в логах и отсутствие странного в /etc/adjtime.

В идеале, ядро должно увидеть часы прямо при старте ядра.
Этот идеал достижим с помощью механизма 
[https://elinux.org/Device_Tree_Reference Device Tree] и
[https://elinux.org/Device_Tree_Reference#Overlays Device Tree Overlay].

В отсутствие BIOS/UEFI механизм Device_Tree позволяет использовать одно
и то же универсальное ядро, подгружая ему загрузчиком файл {{term|.dtb}}
(Device Tree Binary) с описанием устройств конкретной платы.
Более того, в Device_Tree есть возможность менять конфигурацию платы
с помощью механизма Device Tree Overlay. Варианты конфигурации
можно скомпилировать в файлы {{term|.dtbo}} и загрузчик u-boot
при загрузке объединит файл {{term|.dtb}} с файлами {{term|.dtbo}}
и получит текущую конфигурацию платы, которую передаст ядру.
Device Tree можно условно сравнить с BIOS, а Overlays - с меню настроек BIOS.

В Raspbian имеется огромный набор оверлеев под различную GPIO периферию.
для указанного выше модуля rtc в Raspbian достаточно добавить в
{{path|/boot/config.txt}}
 dtoverlay=i2c-rtc,pcf8563
и система загрузится как на машине со встроенными часами. кроме как в загрузчик,
собственно в систему никаких настроек вносить не надо.
К сожалению, это все богатство пока не входит в vanilla kernel,
и сам механизм Device_Tree еще в разработке<ref>https://archive.fosdem.org/2018/schedule/event/hwenablement_simplifying_soc_enablement_in_linux/</ref>.

Таким образом, в ALT файл оверлея придется откуда-то взять, адаптировать при необходимости,
оттранслировать в {{term|.dtbo}}. Далее, в ALT конфигурации загрузчика 
не предусмотрена поддержка оверлеев, надо смотреть, как сделано,
например, в armbian<ref>https://docs.armbian.com/User-Guide_Allwinner_overlays</ref>.

Поэтому сейчас в ALT, к сожалению, проще править настройки.
достаточно написать обработчики событий появления устройств i2c и rtc.
казалось бы, для модуля из примера выше достаточно 
 KERNEL=="i2c-1", SUBSYSTEM=="i2c-dev", ACTION=="add", RUN+="/bin/sh -c 'echo pcf8563 0x51 > /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device'"
 KERNEL=="rtc0", SUBSYSTEM=="rtc", ACTION=="add", RUN+="/sbin/hwclock -s --utc -f /dev/rtc0"
но udev запускает скрипты без CAP_SYS_TIME,
пришлось hwclock выносить в systemd service:

 $ cat /etc/udev/rules.d/10-i2c-rtc.rules
 KERNEL=="i2c-1", SUBSYSTEM=="i2c-dev", ACTION=="add", RUN+="/bin/sh -c 'echo pcf8563 0x51 > /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device'"
 KERNEL=="rtc0", SUBSYSTEM=="rtc", SUBSYSTEMS=="i2c", TAG+="systemd", ENV{SYSTEMD_WANTS}="i2c-rtc-hwclock.service"

 $ cat /etc/systemd/system/i2c-rtc-hwclock.service
 [Install]
 RequiresMountsFor=/usr/share/zoneinfo
 
 [Unit]
 Description=Set system time from i2c hardware real time clock
 CapabilityBoundingSet=CAP_SYS_TIME
 Before=time-set.target getty.target chrony.service ntpd.service systemd-timedated.service
 WantedBy=time-set.target getty.target chrony.service ntpd.service systemd-timedated.service
 
 [Service]
 Type=oneshot
 ExecStart=/sbin/hwclock -s --utc

С такими настройками время выставляется на раннем этапе загрузки.

== модуль дисплея (TFT/IPS LCD, опционально с тачскрином) ==

Представляет собой плату, на которой распаян TFT/IPS экран,
опционально с тачскрином (тогда на плате также распаян
контроллер тачскрина) и, возможно, другой периферией:
кнопками, слотом для SD карты и т.д.
Для подключения к микроконтроллеру на плате есть одинарная/двойная гребенка (PLS/PLD)
либо PBD (для подключения к гребенке).
Популярные разьемы подключения рассчитаны на Arduino Uno, Arduino Mega, 
Raspberry Pi, отладочные платы для микроконтроллеров STM32.

Естественно, если одноплатник с GPIO гребенкой формата Raspberry PI: raspberry pi, banana pi, orange pi,...
то готовые модули для Raspberry Pi предпочтительнее. Это модули от Waveshare и их многочисленные китайские клоны.

TFT экран, подключаемый к GPIO, не является альтернативой
нормальному монитору, подключаемому через HDMI.
Как монитор, он имеет такие недостатки, как
* (обычно) низкое разрешение (320x240, 480x320)
* в отсутствие eeprom цветовой профиль взять негде,
поэтому скорее всего по умолчанию будут искаженные цвета,
и гамма-коррекцию нужно будет подбирать вручную;
* (обычно) невысокий fps.
* (обычно) драйвер фреймбуфера более кривой и глючный, чем для VideoCore.

Это нишевое решение для панели отображения состояния/управления.
Достоинства: 
* компактность
* низкая цена - если не подошло, не жалко выбросить
* бонусом к более крупным экранам обычно идет touchscreen.
* простота вывода изображения. 
не нужно явно программировать вывод состояния на экран.
драйвер ядра дает фреймбуфер /dev/fb1,
на нем запускаются обычный X (или Wayland),
с драйвером fbturbo,
под которыми запускается обычное linux приложение.

Также есть модули для Raspberry Pi, которые подключают экран через HDMI, а 
через GPIO разьем получают питание и подключают по шине SPI ресзистивный тачскрин.

Еще более дорогие модули GPIO разьем не используют:
подключают экран через HDMI и имеют емкостный тачскрин с мультитач,
который подключают под USB, здесь не рассматриваются, так как это уже не GPIO.

=== Советы начинающему пользователю по выбору железа ===

если одноплатник с GPIO гребенкой формата Raspberry PI: raspberry pi, banana pi, orange pi,...

* интерфейс подключения - SPI.

дешевое решение: 
* если рабочий стол на экран не нужен, достаточно выводить окошко со статусом (темрературой, загрузкой, ...) то модуль низкого разрешения без тачскрина (1.8' ' 240X160 - $3).
* если это панель управления, то нужны размеры от 2.4' ', разрешение от 320X240, и тачскрин.
* если нужна возможность открыть рабочий стол, то нужны размеры от 2.8' ' и разрешение от 320X240. Готовое решение - 10$ c явной поддержкой Raspberry Pi (продавец предоставляет настройки для fbtft, либо клон waveshare модуля)

Модули с подключением по hdmi на порядок дороже. Их не стоит покупать, если вы не планируете
использовать одноплатник как планшет-кирпич. За половину их цены можно купить качественный PVA
монитор б/у и переходник HDMI->DVI, либо, альтернативно, если под рукой есть нерабочий ноутбук
или монитор с целой матрицей, ее можно демонтировать и подключить отдельно к одноплатнику
через подходящий универсальный HDMI-> LVDS конвертер (12-25$) (кроме матриц от старых телефонов и большинства планшетов - там обычно портретное разрешение).

=== Статус поддержки ===

==== экран ====

Поддержка оборудования. Драйвер 
[https://github.com/notro/fbtft/wiki fbtft] входит в ядро еще с версии 3.35.
При правильной настройке позволяет подключать достаточно большое число tft панелей с 
Display Bus Interface (DBI), подключаемый по интерфейсам
*    SPI (четыре управляющих сигнала)
*    Motorola 6800 (четыре управляющих сигнала и параллельная шина данных шириной 8/16 бит)
*    Intel 8080 (четыре управляющих сигнала и параллельная шина данных шириной 8/16 бит)
контроллер tft панели может поддерживать несколько интерфейсов,
но на плате tft модуля будет выведен обычно только 1 из них.

На платах форм-фактора RaspberryPi для последних двух интерфейсов не получится задействовать
DMA (требуется 2 полных 8-битных порта ввода-вывода, разведенных на разъемы). Плату tft модуля с 
параллельной шиной данных придется подключать в режиме GPIO
(bitbang, программно выставлять биты на каждый пин gpio по отдельности, что не добавляет скорости работы).
соответствие пинов и битов задается опцией fbtft, к примеру
 gpios=reset:17,dc:2,wr:3,cs:27,db00:21,db01:20,db02:16,db03:12,db04:1,db05:7,db06:8,db07:25,db08:26,db09:19,db10:13,db11:6,db12:5,db13:0,db14:11,db15:9
Поэтому для форм-фактора RaspberryPi оптимальным является подключение по шине SPI
(для небольших разрешений, 320x240 и меньше). Большие разрешения упираются в пропускную способность SPI
[https://www.willprice.dev/2017/09/16/adventures-with-tft-screens-for-raspberry-pi.html (на 480x320 на стандартной частоте работы SPI было 4fps, разгон SPI дал 7+fps)].

==== тачскрин ====

резистивный тачскрин (касание стилусом) на контроллере xpt2046/ads7846
с подключением по шине SPI
поддерживается модулем ядра ads7846

подробнее о поддержке см.
https://github.com/notro/fbtft/wiki/Touchpanel

=== тестовое подключение модуля дисплея ===

==== экран ====

Для тестирования 
 modprobe fbtft <options>
создаст устройство /dev/fb1.

 ... продолжение следует ...

Для настройки в ALT прописываем опции fbtft в /etc/modprobe.d/

==== тачскрин ====

 ...

[[Категория:Hardware]]
[[Категория:HCL]]
[[Категория:Мини-компьютеры]]