STM32F4 USB RNDISドライバー（Webインターフェイスを介したデバイス制御）

親愛なる友人、楽しい時間を！



まず、お正月のご祝福をお祈り申し上げます。



この記事の前半で、 STM32F4シリーズコントローラー用のRNDIS USBドライバーの開発が発表されました。 それ以来、ライブラリは徐々に進化し、現在は最初のリリースバージョンに成長しています。 LRNDIS（LWIP + RNDIS）と呼ばれるライブラリにより、STM32F4コントローラーに基づいて、USBモデムデバイスとWebベースの制御を備えた他のデバイスの両方を作成できます。 AndroidタブレットのWebブラウザーからstm32f4-discoveryボードを制御する例をビデオに示します。







ビデオページには、ソースボードへのリンクとディスカバリボードのHEXファームウェアファイルが含まれており、これを使用してこの実験を繰り返すことができます。 この記事では、WEBインターフェースを介したアクセステクノロジーがいつどのように役立つか、およびLRNDISライブラリがSTM32F4コントローラーに対してどのように機能するかについて説明しています。 USBおよびデバイスのイーサネットネットワークの操作に関するトレーニング資料もあります。



図書館の背景





プロジェクトの背景は非常に典型的です。 暖かい夏の日でした。 Ghm ...顧客にとってのタスクは、サービス管理インターフェースを備えたデバイスを開発することでした。





長期サポートが保証された標準を使用することが決定されました。 現在および未来の時制で最も完全なオペレーティングシステムのセットでサポートされるクライアントデバイス管理プログラムを作成できるようにする標準。 最初のカップルでは、​​一般的なクロスプラットフォームフレームワークの欠点が見つかりました。

-java：OSでのJVMの必要性、および厄介な仮定から生じる仮想マシンの配布の必要性

-qt： バージョン管理された移植の定期的な必要性とAndroid での実行の微妙な違い 。



いいえ、これらの困難は怖くないはずです。 問題は、おそらく、長期的な支援の要素を考慮に入れて、私たちが時々過小評価している時間だけです。



そこで、デバイスを制御するためのWEBインターフェイスを作成するというアイデアが生まれました。 サードパーティのソフトウェアを開発する必要はありません。コントロールページを表示するためのブラウザはすべての必要なOSにあります。 インターフェイス設計の可能性は膨大です。 http / html / js標準に関するサポート期間も疑いの余地がありません。



計画によると、経営陣は次のように機能するはずでした。

1. USBデバイスはネットワークカードで表されます

2.クライアントコンピューター（PCまたはガジェット）は、デバイスのネットワークで作業するためのIPアドレスを受け取ります

3.クライアントコンピューター上のWebブラウザーのリクエストで、デバイスはページを返します

4.ページには、現在の状態と使用可能なコントロールに関する情報が含まれています

5.クライアントがコントロールをアクティブ化すると、対応するHTTP要求がブラウザーから送信されます。

実際、ブラウザーとデバイスの間では、同じテキストコマンドが使用されますが、HTTPプロトコルの形式のみです。

これは、考えられる多数のソリューションの選択肢の1つにすぎないことを理解する必要があります。 長所と短所があります。 主に純粋にネットワークデバイスのメーカーがWebインターフェイスの使用に頼るようになったので、モデムとルーターをセットアップしました。 この記事のメッセージ-本当に便利なものを適用しましょう。 そして、途中の困難を恐れないでください。今それらを克服することは、将来的に私たちに多くの時間を節約します！



ライブラリスコープ





残念ながら、最初の発表は完全には成功しませんでした。 スコープについての話は逃しました。

少し追いついて、このトピックを明らかにしてみましょう。

デバイスのシステム設計の段階にいる場合、次の考慮事項により、Webベースのインターフェイスを使用するようになる可能性があります（物理チャネル、イーサネット、USBに関係なく）。

1.デバイスには、制御および/または診断インターフェースが必要です

2.コントロールは、開発段階だけでなく、運用段階でも使用できます（ユーザーソフトウェア）。

3.ユーザーの資格が十分に高くない可能性があり、使いやすい管理インターフェイスが必要

4.「使いやすい」管理方法は、さまざまなプラットフォームとOSで利用できる必要があります。

5.適切なツールを長期間維持する必要があります。

追加の基準は、最初にネットワークデバイスを開発するかどうかです。 また：（そうでなければ）ファームウェアにネットワークスタックとWebサーバーを追加することは、デバイスの機能がそれほど豊富でないという背景に対して冗長であるかどうか。 つまり、電球コントローラーにWebインターフェイスを追加することは、明らかに冗長なソリューションです。



Webベースのインターフェイスを信じている場合、次の考慮事項が物理的な通信チャネルの選択に役立ちます（イーサネットとUSBの観点から）。

種類	インサーキット接続	典型的なアプリケーション
イーサネット	イーサネットPHYコントローラー	-産業機器 -ネットワーク機能を備えた家電製品と追加。 食べ物
USB	ULPIコントローラーまたはMKへの直接接続	家庭および産業機器の一部。 特に、次の場合： -デバイスは電源供給を保証していません（たとえばバッテリー駆動） -USBインターフェイスのみでホストに接続される可能性のあるデバイス（タブレットなど） -小型デバイスクラス

私は自分で追加します-すべての魅力にもかかわらず、信頼性を高める必要がある産業ノードでUSBを使用することはお勧めしません。多くの場合、マイナスの経験があります。 代替手段がない場合、持続可能性の問題を徹底的に研究する必要があります。

上記のポイントに基づいて、ライブラリの範囲が明確になります。家庭および産業用機器の一部で、

-MK STM32F4に基づいて作業する

-使いやすい管理インターフェイスが必要です

-異なるハードウェアおよびソフトウェアスイートの下から管理する必要がある

-保証された電源がない場合があります

-管理ソフトウェアの長期間のサポートが必要

純粋なネットワークデバイスの分野以外でも、この技術を使用する多くの可能な例があります。

たとえば、現時点では、stm32f4-discoveryを、ポータブルな信号発生器/アナライザーとオシロスコープの機能を備えたアマチュア開発ツールに変える計画があります。 そのようなアシスタントを電話に接続し、興味のある回路で何が起こっているかをダイナミクスで調べます。 無料のプラスから-ソフトウェアを収集またはインストールする必要はありません。 HEXファイルをフラッシュしてブラウザを開くだけで十分です-GUIインターフェイスのすべての魅力がそこにあります。 私の気難しい味のために-あなたが必要なもの。 もちろん、このツールは専門的な開発用ではありませんが、特定の関心があります。



だから、私はそれを整理したことを願っています。 次に、ライブラリの動作について説明します。



仕組み





この質問に急いで答えません。 ネットワークとのやり取りの経験が少ない人は、当然のこととして恥ずかしいかもしれません。 したがって、1つまたは別の相互作用プロトコルに関して、そのレベルでの簡単な技術的な説明も行います...私自身もかつて欠けていました。



手順1. USBデバイスを接続します。

前述のように、この時点で、デバイスはホストに「私はネットワークカードです！」と伝えます。

ホスト（クライアントコンピューター）は、クラフトを接続した後、リクエストの送信を開始します。



デバイスに関する情報を受信した後、ホストOSは対話に適したドライバーを検索します。 フラッシュドライブ（USBクラスMSC）やマウス付きキーボード（HIDクラス）などの典型的なケースでは、クラスの標準ドライバーがロードされます。 USBネットワークカード（RNDISサブクラスを含むCDCクラス）のようなより「難しい」ケースでは、オペレーティングシステムは裁量に任されます。

-OS linux / android / macは、原則として、正常な交換を確立しようとします

-Windows OSは外部ドライバーのインストールを要求します

最初のケースのデバイスはすぐに動作します。

Windows（後のXP）の場合、 標準のMicrosoftドライバーをインストールできます。 Windows XPの場合、LRNDISライブラリのリポジトリで利用可能なinfファイルをインストールする必要があります 。



ステップ2.ドライバーはRNDISデバイスを初期化します

この図は、RNDISデバイス（Windows OS）との通信の原理を示しています。







あなたはそれについてもっとここで読むことができます。



つまり、RNDISプロトコルは外部デバイス用のNDISの拡張機能です。 プロトコルの役割は、PnPサポートとネットワークパケット交換を提供することです。 本質的に、RNDISは独立したネットワークインターフェイスであり、その情報負荷はチャネル/ネットワーク層のフレーム（イーサネットまたはIPフレーム、オプション）です。



上記の図では、これにより「Miniport Remote NDIS」キューブが実装され、次の役割を果たします。

-通信サービス（MACアドレス、パケットサイズ、速度などをネットワークデバイスに問い合わせます）

-ホストによって送信されたホストパケットをRNDISヘッダーでラップします

-デバイスから受信したパケットをブロードキャストし、RNDISヘッダーをスローします

MiniPort Remote NDIS USBキューブは、USBバスドライバーを使用したRNDISパッケージの転送を担当します。

STM32コントローラー側では、usbd_rndis_core.cファイルがRNDISプロトコルをサポートし、USBで動作します。 ミニポートリモートNDISホストの「キューブ」と同じことを行います-ヘッダーを接着/固定解除し、ドライバーの質問にも答えます。 usbd_rndis_core.hファイルからMACアドレスや速度などの回答を取得します。

RNDISの初期化が正常に完了すると、Windowsドライバーはネットワークインターフェイスを作成します。ネットワークインターフェイスは、その後「ネットワークコントロールセンター」およびトレイインジケーター領域に表示されます。



ステップ3. IPアドレスの取得

それで、なぜ動的アドレスを取得するためのサービスが必要なのでしょうか。 このサービスはDHCP （動的ホスト構成プロトコル）と呼ばれます 。

ホストがデバイスを初期化すると、ネットワークインターフェイスが作成されます。





IPアドレスをインターフェイスに割り当てるには、主に2つの戦略があります。静的メソッド（ユーザーがインターフェイスのアドレスを指定する場合）と動的メソッド（DHCPサービスを使用）です。



後者は、ホストでインターフェイスを作成するときに、DHCPクライアントサービスがアクティブになることです。 DHCPサーバーがネットワークに存在することを期待して、 UDPプロトコルを介してネットワーク（構成はまだ不明）にブロードキャストパケットを送信し始めます。







DHCPサーバーの一般的な機能、特にコントローラーの機能は、クライアントに応答することです。 応答として、コントローラーは「言います」：クライアント、あなたはそのようなネットワークにいて、そのようなIPアドレスを保持し、そのようなアドレスを持つDNSサーバーも持っています。



その後、ホストははるかに「感じ」ます。指定されたIPアドレスをインターフェイスに割り当て、DNSサーバーのIPアドレスを記憶します。



初期化が終了しました。ホストブラウザーでページ名（run.stm）を入力できるようになりました。



LRNDISライブラリの動作はカスタマイズ可能であると言わなければなりません。 DHCPサーバーサービスは、アセンブリから除外できます。 その後、ホストは192.168.7。（2-254）の範囲に属するアドレスを登録する必要があります。 このようなネットワークはデフォルトで作成されます。 パラメーター（192.168.7.0/24）も構成可能です。 この例では、クライアントは192.168.7.2 ... 192.168.7.4の範囲のアドレスを24時間のリース時間で受け取ります。

ライブラリのセットアップの詳細については、 前の記事を参照してください 。



ステップ4.ページをロードする

ページをダウンロードするには、ユーザーはデバイス192.168.7.1のアドレスを直接入力できます。

ただし、数字を覚えておく必要はありません。 DHCPサーバーに加えて、DNSサーバーをサポートするライブラリを構築することができます。その機能はネットワーク名を解決することです。 公開された例では、DNSサーバーはリソース名「run.stm」を解決するようにトレーニングされています。



したがって、ブラウザでrun.stmを記述すると、ホストネットワークサービスはDNSサーバーにリクエストを送信し、それに応答して、サーバーが有用に通知します：「run.stm」ドメイン名はIPアドレス192.168.7.1に対応します。 次に、既知のアドレスにあるホストブラウザーは、 HTTP要求を送信してルートページを取得するためにTCP接続を確立します。



Firefoxブラウザーとコントローラー間の要求と応答：







ページ読み込み時のクエリ履歴：







履歴から、ルートHTMLドキュメントを読み込んだ後、ブラウザーはコントローラーから他の2つのファイル、discovery.svgとzepto.min.jsもダウンロードすることがわかります。 1つ目は、ディスカバリーボードの画像です。 SVG形式が選択されているのは、ベクターグラフィックスのイメージであるため、マイクロコントローラーのROMのスペースをほとんど占有しないためです。 スクリプトファイルzepto.min.jsが含まれています。 は有名なJQUERYの単純化されたアナログです。 ROMのスペースの細心の節約は行われていないことに注意してください。 すべての静的リソースに対して35 KBの犠牲がありますが、コントローラーのメモリはまだ十分です。 さらに、インターフェイスの複雑さがさらに増すこのサイズは、著しく遅くなることを約束します。 インターフェースが大幅に成長した場合-常に静的リソースを圧縮形式で保存および提供する方法があります-すべての既知のブラウザーは現在、その場で解凍をサポートします。



ブラウザが送信する別のリクエストは、/ state.cgiリクエストです。 これは、1秒あたり5回の頻度で、ルートHTMLドキュメントからのスクリプトによって形成されます。 デバイスの現在の状態のダイナミクスを取得する要求が必要です。

この要求を受信すると、コントローラーはJSON形式で次の行を生成して応答します。

{ "systick": 9528746, "button": 0, "acc": [54, -288, 936], "leds": { "g": 0, "o": 0, "r": 0 } }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

これには、デバイスの現在の状態に関するすべてのデータが含まれ、JavaScriptコードを使用してページに表示されます。



さて、おそらくブラウザと通信する最後の瞬間は、ブラウザを制御する方法です。



この例では、3つのLEDが制御されています。 たとえば、JavaScriptを使用して赤色のLEDフラグをクリックすると、「r」パラメーターが渡され、値が0または1のHTTP GETリクエストが送信されます。完全なリクエストは次のようになります。/ctl.cgi?r=1



何らかの方法で、論理状態0/1、テキストフィールドの値、ボタンクリックの通知など、データセットを転送できます。 このアプローチの利点は、厳密に形式化されたコントロールメッセージを受け取るため、プログラムロジックがコントロールをまったく認識しない可能性があることにあります。 インターフェイスパーツ（HTML + JS）をすべての設備でローカルに変更およびデバッグし、ファームウェアの一部としてコントローラーに一度アップロードすることもできます。 重要ではないローカルWeb開発は、適切な専門家が処理できます。



LWIPスタックについて

ライブラリに組み込まれたこのネットワークスタック用でない場合、ネットワーク交換は手配できません。

ライブラリはベアメタル（OSおよび動的メモリ割り当てなし）で動作するため、ソケットアドインは使用できません。 したがって、未加工のAPIスタックを使用してネットワークアプリケーションを作成します。 幸いなことに、このトピックに関する多くの情報がネット上にあります。



また、パッケージの貢献には、多くの既製のソリューションがあります。 そこから、HTTPサーバーが使用されました。



前の記事で、スタックとその設定について簡単に説明しました。 現時点では、ファイル内のスタックにとって重要な一連の定義が洗練されています。





mem_mallocの問題も解決されました。 現在のファームウェアバージョンは動的割り当てを使用しませんが、mem_mallocを呼び出すとハードウェアがクラッシュしました。 以前は無視されていた定義MEM_ALIGNMENTを追加することで許可されます。



同じ理由で、コミュニティでサポートされているHTTPサーバーは着実に機能しているため、独自のプランを作成することはできません。



未解決の問題

1.他のソフトウェアに含めるための独自の条件があるかもしれないlwipスタックの再ライセンスのニュアンス。

2.「マルチクエリ」パケットを処理するためのDNSサーバーの最終化。



結論の代わりに

読者の忍耐に感謝し、この記事が彼にとって役立つことを願っています。 ソースコードで公開されているLRNDISライブラリは、MITライセンスの権利の下で使用できます。 有形の時間と予備力が捧げられた作品が他の誰かにとって有用であるならば、私はそれを注目に値します。 最悪の場合、オープンライブラリを使用しないと、これは機能しません。



ライブラリのサポートは現在計画されているため、質問についてはfsenok@gmail.comまでお問い合わせください。