Erlang для IoT

Волна интереса к микроэлектронным устройствам и их взаимодействию между собой для промышленных и бытовых нужд привела к развитию большого количества конструкторов для разработки на базе достаточно мощных SoC (систем на чипе), достаточно миниатюрных относительно микроконтроллерных решений, но уже содержащих в себе полноценную операционную систему. Разработка приложений для таких конструкторов практически не отличается от обычной серверной разработки, за исключением того, что ограничение по ресурсам все равно надо держать в уме.

По мере роста производительности и возможностей все больше обороты набирает практика использования интерпретируемых языков высокого уровня, таких как Lua, Python, JS для разработки приложений. Некоторые языки постепенно проникают и в “младших братьев”, микроконтроллеры, правда, в очень ограниченном варианте.

Причин тому несколько:

• быстрое прототипирование — при всем моем уважении к языку Си, на котором, в основном, производится разработка для микроконтроллеров, назвать его лаконичным очень сложно. Языки высокого уровня позволяют писать меньше кода и упрощают внесение изменений в уже написанное, что на стадии создания прототипа очень важно;
• автоматическое управление памятью и абстрагирование механизмов сложных вычислений — думаю, не нуждается в комментариях, оба процесса в ручном исполнении при достаточном объеме проекта превращаются в источник большого количества головной боли;
• упрощение отладки и тестирования — интерпретируемый код проще проверить на рабочей станции до момента полевых испытаний;
• борьба со сложностью — зачастую, большая производительность порождает естественное прагматичное желание запихнуть на устройство побольше предварительной обработки и анализа, что отнюдь не добавляет простоты в разработке.

Увы, за все удобства приходиться платить. В данном случае цена за удобства — самые ценные ресурсы, производительность и размер кода (во многих случаях придется приходится носить с собой довольно объемную среду исполнения). Поэтому полевое применение языков высокого уровня в SoC и SoM — штука неоднозначная и, местами, компромиссная.

Мы используем для разработки язык Erlang, применяя его как по прямому назначению (создание серверных приложений и control plane), так и весьма непривычно — web-приложения. Поэтому идея использовать инфраструктуру этого языка для создания IoT-решений возникла задолго до появления плат, на которых среда выполнения Erlang-а могла бы работать без проблем.

Причин использовать Erlang было множество, самые весомые:

• Erlang очень удобен для разбора и создания бинарных последовательностей. Сопоставление с образцом (pattern matching) в паре с обработкой битовых данных позволяет реализовывать бинарные протоколы весьма быстро и немногословно;
• отсутствие глобальных переменных и иммутабельность для большинства данных — позволяет писать и, что не менее важно, поддерживать надежные приложения, в котором сложно случайно поменять что-то не то;
• легкие процессы с обработкой сообщений, очень похожие на то, с чем разработчикам встраиваемых систем приходится иметь дело. По сути они представляют собой процедуру инициализации и процедуру, которая в бесконечном цикле обрабатывает входящие сообщения, изменяя внутреннее состояние. Очень похоже на Arduino, только процессов может быть много и работают они параллельно, кроме того, в промежутке между сообщениями процедуру обработки можно поменять на лету (hot code reload), что бывает весьма удобно в случае, когда надо исправить незначительные ошибки или скорректировать поведение;
• изолированное окружение и автоматическое выделение памяти, думаю, в пояснении не нуждаются;
• кросс-платформеность — байт-код для среды выполнения ERTS может быть собран на машине разработчика, а затем без проблем перенесен на целевое устройство;
• отличные средства интроспекции — возможность подключиться к работающему приложению по сети и посмотреть, что оно так подтормаживает, нередко бывает очень полезно.

Первой рабочей платой, на которой мы попробовали Erlang, была Carambola 2 ^[1] литовских разработчиков 8devices ^[2], собранной на популярном чипе AR9331. Первая версия этой платы, увы, имела недостаточный объем flash-памяти, чтобы поместить среду выполнения. А вот вторая версия уже вполне себе позволяла вместить как ERTS, так и небольшое приложение.

Установка производилась классическим для такого рода устройств методом — сборкой образа OpenWRT, содержащего Erlang, с последующей прошивкой его в flash-память устройства. Первый запуск среды, увы, привел к разочарованию — все повисло. Причины этого я уже рассказывал на конференции InoThings 2018 ^[3], но, увы, как потом оказалось, ввел коллег в заблуждение, ошибочно назвав источник такого поведения.

Вкратце перескажу. При работе с файлами виртуальная машина ERTS использует тип off_t, размер которого в дистрибутиве вычисляется при автоконфигурировании сборки (если она идет на целевой платформе) или же подставляется из среды кросс-компиляции, как то в случае OpenWRT. Непонятно почему, но в настройках для процессоров MIPS и производных в файле конфигурации сборки стоит вдвое больший размер, чем есть по факту. Проблемы бы не возникало, если бы код виртуальной машины использовал не директивы препроцессора типа

#if SIZEOF_OFF_T == 4

а банальную проверку в коде (подозреваю, что итоговый результат компиляции был бы одинаковым, но проверять не хватило запала):

if (sizeof(off_t) == 4) { 

В результате собранная на первой итерации ERTS при попытке прочитать при старте файл ~/.erlang.cookie (своеобразный пароль для идентификации при сетевом взаимодействии) благополучно получал мусор в старших разрядах и с треском зависал.

Исправляющий патч ^[4] и пакет с предпоследней версией ERTS для OpenWRT можно скачать с GitHub ^[5]. Помимо этого проблем пока не наблюдалось, все работало как и ожидается.

Второй аппаратной платформой, на которой мы попробовали Erlang, стал конструктор LinkIt Smart 7688 ^[6] от компаний Mediatek и SeeedStudio ^[7], специально созданный для быстрого прототипирования и изучения основ. Эта плата просто апофеоз разврата в плане ресурсов — подросшая в полтора раза частота MIPS-ядра, больше оперативной памяти (для ERTS это важно, GC не дремлет) и больше flash-памяти, а также наличие MicroSD-карты и возможности использования со-процессора Atmel Atmega 32U4 в версии Duo ^[8] для работы с периферией.

В общем, платформа очень даже подходила для продолжения банкета, а наличие дополнительных подключаемых устройств, соединяющихся без пайки, позволяет быстро и условно красиво собрать на коленке стенд для испытаний.

В комплекте с платформой идет ПО с собственным web-интерфейсом, а также с Python и NodeJS-библиотеками для разработки. Экосистема для сборки не изменилась — это, по-прежнему, OpenWRT. Если по каким-то причинам вы посчитаете лишним это все многообразие, то на вышеупомянутом репозитории есть пакеты, содержащие минимальный набор обязательных компонентов ^[9]. После сборки образ flash-памяти записывается на устройство и после перезагрузки можно смело пользоваться REPL-ом.

Для построения приложений на Erlang-е для IoT необходимо решить один архитектурный вопрос.

Язык проектировался и разрабатывался с прицелом на то, что будет служить control plane, т.е. управляющим слоем, в то время как работать с железом предполагалось посредством FFI. Для этого предусмотрены три типа взаимодействия:

1. порты (ports) — отдельно работающие процессы, написанные на любом языке, взаимодействие с которыми происходит через потоки ввода/вывода. Могут перезапускаться в случае падения, но из-за метода взаимодействия их производительность в плане коммуникации невелика (впрочем, нам будет достаточно);
2. NIF-функции — выглядят как стандартные функции языка, но их вызов порождает выполнение скомпилированного кода в пространстве среды исполнения. В случае ошибки могут утянуть за собой виртуальную машину целиком.
3. C-node — когда работа целиком производится в отдельном процессе, а взаимодействие осуществляется как с отдельно запущенной средой выполнения по сети. Этот вариант мы рассматривать не будем в силу достаточно больших накладных расходов в рамках одного слабого устройства.

Дилемма заключается в следующем — мы можем вынести в FFI только транспортные вещи (т.е. поддержку GPIO, I2C, SPI, PWM, UART и т.д.), а взаимодействие непосредственно с датчиками и прочими устройствами реализовать на Erlang-е, или же, наоборот, вынести драйвера устройств целиком в код внешних модулей, оставив приложению получение сырых данных и их обработку, в этом случае, возможно, имеет смысл воспользоваться уже написанным кодом.

Мы решили использовать первый вариант. Причин тому несколько:

• потому что можем;
• как я уже упоминал, Erlang имеет в комплекте достаточно мощные средства для сборки и разборки бинарных последовательностей, при этом достаточно простую математику, позволяющую не заботится о защите от переполнений и прочей магии, применяемой для обработки результатов. Не то, чтобы эта магия пугала, но на неофитов она действует шокирующе;
• интуитивно казалось, что драйвера на языке высокого уровня будут проще и надежнее (упавший процесс перезапустит супервизор, что приведет к реинициализации контролируемого устройства).

Поэтому довольно быстро была найдена библиотека ErlangALE ^[10], которая содержала в себе уже реализованную поддержку GPIO, I2C и SPI через интерфейсы ядра, а о них, в свою очередь, уже позаботились разработчики аппаратной платформы. Библиотека для работы с UART ^[11] у нас уже была проверенная, плюс довеском подключили erlexec ^[12] — приложение, позволяющее создавать и управлять процессами ОС.

Все перечисленные приложения использовали порты (отдельно запускаемые бинарные процессы) для работы с оборудованием и ОС, что требовало поддержки кросс-компиляции для языков С и С++, для чего был написан достаточно вычурный shell-скрипт ^[13], конфигурирующий среду сборки на применение нужных компиляторов.

Для тестирования принятых решений мы собрали простое устройство из LinkIt Smart 7866, двух I2C устройств (датчика температуры и давления BMP280 и OLED-дисплея 128 на 64 точки) и USB GPS-модуля, отдающего данные по UART. GPIO был проверен на светодиоде на плате, он работает, а SPI-дисплей подключать показалось ненужным на данном этапе усложнением.

Получилось достаточно компактное и простое приложение, исходный код ^[14] можно посмотреть на Github-е.

Я не буду углубляться в фрагменты кода, а постараюсь обзорно описать, как работает приложение.

Драйвера всех устройств выполнены в виде gen_server-процессов, это удобно, потому что позволяет складывать в состояние дополнительные параметры и, иногда, состояние устройства. Последнее можно видеть на примере uart_gps ^[15] — данные с UART-а приходят асинхронно, разбираются парсером NMEA0183 ^[16] и результаты записываются в состояние процесса, откуда достаются по запросу.

Основной цикл приложения описан в модуле gps_temp_display ^[17] — ежесекундно процесс вычитывает данные GPS и запрашивает состояние температуры и давления у BMP280 и выдает их на OLED-дисплей. Ради интереса можно посмотреть на драйвера дисплея ^[18] и датчика BMP280 ^[19] — все получилось достаточно лаконично, 150-170 строк на модуль.

В общем и целом на вышеуказанную задачу (написание кода драйверов, объединение все в одно приложение, сборка и тестирование) ушло порядка четырех вечеров по два часа в среднем, т.е. строго говоря — пара рабочих дней. Как мне лично кажется, это хороший показатель, чтобы попробовать применить Erlang в более сложных и серьезных встраиваемых приложениях, не требующих строгих ограничений реального времени.

Разумеется, наши попытки применения Erlang-а для встраиваемых систем отнюдь не единственные. Существует несколько интересных проектов на этот счет:

• nerves-project.org ^[20] — нацелен на создание встраиваемой экосистемы на базе Elixir;
• www.grisp.org ^[21] — еще более радикальный подход, предполагающий запуск ERTS напрямую на железе (bare metal Erlang system);
• github.com/bettio/AtomVM ^[22] и github.com/cloudozer/ling ^[23] — попытки создать компактную версию ERTS, пригодную для применения в микроконтроллерах и слабых SoC/SoM.

Автор: Максим

Источник ^[24]