TP 18 - Communication

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1 TP 18 - Communication 3 GI, INSA de Lyon Mars Objectifs Le but de ce TP est d étudier la programmation directe à bas niveau du hardware d un ordinateur et du système d exploitation (Linux). Pour cela, de nouveaux concepts sont présentés : le signal, lié au concept de l interruption la temporisation le fichier virtuel, utilisé pour gérer un périphérique Quelques remarques : N oubliez pas de consulter le manuel de Linux si vous avez besoin de plus d informations sur une fonction (e.g., man open ). N oubliez pas de vérifier les valeurs renvoyées par les fonctions (ex. open(), read(), write(), ioctl(), etc.). Pensez que le code d exemple dans ce sujet n est pas toujours à copier-coller! (Ceci est une remarque moins évidente que l on pourrait croire). Souvent il s agit du prototype d une fonction ou de la déclaration d une structure qui permet d expliquer le type de chaque paramètre d une fonction!! Les exercices 2 et 3 nécessitent les permissions d administrateur lors de l exécution du programme (demander au prof). Les fichiers suivants sont à inclure dans tous les exercices : #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <string.h> Exercice 1 : capturer un signal Cet exercice utilise le signal SIGINT pour terminer un programme bloqué dans une boucle sans fin. Pour cela, il faut capturer ce signal par une routine avant de bloquer le processus principal. Quand le signal est reçu, un message est écrit sur l écran avant de terminer le programme. Le signal SIGINT peut être envoyé par l utilisateur en appuyant sur les touches CTRL + C ou par le terminal en exécutant la commande kill. Exercice 2 : programmer une temporisation Dans cet exercice nous écrivons un programme qui va jouer une plage de fréquences sur l haut-parleur interne du PC. Les bornes de la plage (les limites inférieure et supérieure de 1

2 la fréquence) ainsi que la vitesse de changement sont saisies au clavier. Ensuite, la plage est jouée. En parallèle, une nouvelle commande peut être saisie au clavier. Cet exercice reprend la notion de signal de l exercice précédent. Nous mettrons en place une temporisation déclenchant un signal toutes les 1/10 seconde. Le signal est capturé par une routine chargée de programmer la fréquence courant en respectant les commandes dans des variables globales. Ces variables sont mises à jour par le programme principal. Remarque : lors de la programmation d un système de signal l utilisation des variables globales est permise. Dans ce cas, les variables globales sont nécessaires puisqu il est impossible de rajouter un argument à une routine gérant un signal. Exercice 3 : programmer le port série (logiciel de chat ) Nous désirons faire communiquer deux PC par l intermédiaire de leurs ports série. La communication sera alternée : un PC émet pendant que l autre reçoit. Puis, ils échangent leur rôle à la réception/émission du caractère spécial \n (nouvelle ligne : clavier Entrée ). La fin de la communication est déclenchée à l émission/réception du caractère #. Le logiciel de chat utilisera le mode dite non-canonique, c.à.d. chaque caractère est immédiatement envoyé au récepteur. Le transfère ne s effectue donc pas ligne par ligne ou message par message. 2

3 2 Interruptions et signaux Un système d interruptions est un outil technique crucial pour la programmation d un système de contrôle : l ordinateur est capable d interrompre la tâche en cours d exécution et de changer de contexte. Cet ordonnancement est basé sur la génération d interruptions. Une interruption déclenche l exécution d une fonction associée à l interruption (un gestionnaire d interruptions ou handler ). Cela permet de gérer les périphériques de manière asynchrone, sans avoir besoin de boucler en attendant qu un registre soit à la bonne valeur ou qu une opération soit terminée. Lorsqu un périphérique a besoin de signaler un événement au noyau (par exemple une touche du clavier est appuyée), il déclenche une interruption. Sous UNIX, le noyau du système gère tout ce qui est de bas niveau, c.à.d la gestion des processus, des interruptions matérielles, etc... Il est donc impossible de changer directement les routines associées aux interruptions. C est pour cela que la programmation de routines asynchrones est réalisée à l aide de signaux. Les signaux sont des interruptions logicielles. Comme les interruptions, les signaux sont envoyés pour indiquer l arrivée d un événement, par exemple : signalisation des erreurs, violation mémoire, erreur dans une E/S, terminaison par l utilisateur. Les signaux peuvent être envoyés par un processus afin de communiquer avec d autres processus. Chaque signal est identifié par un numéro, représenté par une constante déclarée dans la librairie signal.h, par exemple : Signal Function SIGALRM Alarm clock SIGTERM Terminaison SIGINT Interruption SIGUSR1 User signal 1 SIGUSR2 User signal 2 SIGPIPE Broken Pipe SIGKILL Killed SIGQUIT Quit SIGTERM Terminated Dans un terminal, la commande kill permet d envoyer un signal à un processus en spécifiant son PID. Par défaut, le signal SIGINT est envoyé. Un Exemple : kill Cette commande envoie le signal SIGTERM (=9) au processus ayant le PID Comportement vis à vis des signaux Plusieurs comportements d un processus vis à vis d un signal sont possibles : terminer (souvent par défaut) capturer (certains signaux) ignorer (certains signaux) 3

4 Un processus peut modifier son comportement suivant le signal reçus par l appel de la fonction signal() : sighandler_t signal(int signum, sighandler_t new_handler); La fonction signal prend comme premier paramètre le signal à gérer. Le deuxième argument est un pointeur sur la fonction qui va être exécutée lorsque le signal sera reçu (handler=sig IGN permet au processus appelant d ignorer le signal). La fonction renvoie le pointeur à la fonction qu était installée avant l appel. Rappel : en C ou C++, un pointer sur une fonction est obtenu en spécifiant le nom de la fonction, sans parenthèses. La déclaration d une variable de type pointeur sur une fonction, nécessaire pour stocker l ancien handler renvoyé par signal(), se fait comme suit : void (*old_handler)(int); Les fichiers suivants sont à inclure : #include <unistd.h> #include <sys/signal.h> 3 Programmer une temporisation Le système fournit pour chaque processus trois temporisations, chacune avec un fonctionnement particulier. Dans cet exemple nous nous servons de la temporisation ITIMER REAL qui décroît en temps réel une fois le processus est démarré. Un signal SIGALRM est émis à l expiration du délai et la temporisation redémarre éventuellement. Lors de la configuration de la temporisation, deux propriétés lui sont associées : la durée de l intervalle (it interval) et la valeur courante (it value). Les temporisations décroissent de it value à zéro, déclenchant un signal, et sont remplacées à it interval. Une temporisation s arrête si elle est mise à zéro (it value vaut zéro) ou bien elle expire et it interval vaut zéro. Une temporisation est configurée par la fonction suivante : int setitimer(int which, const struct itimerval *val, struct itimerval *old); setitimer() positionne la temporisation avec les valeurs de val. Si old est non NULL, les paramètres précédents de la temporisation y sont inscrits. La fonction renvoie 0 si elle réussit, ou -1 si elle échoue, auquel cas errno contient le code d erreur. Les arguments new est old sont de type struct itimerval, une structure prédéfinie dans la librairie sys/time.h. Elle comprend les éléments nécessaires pour stocker les deux proprietés d une temporisation (it interval) et (it value). Chaque unité de temps est séparée en deux parties secondes et µ-secondes à l aide d une structure timeval : 4

5 struct itimerval { struct timeval it_interval; /* valeur suivante */ struct timeval it_value; /* valeur actuelle */ }; struct timeval { long tv_sec; /* secondes */ long tv_usec; /* micro secondes */ }; Le fichier suivant est à inclure : #include <sys/time.h> 4 Entrée/sortie avec les appels systèmes Jusqu à présent, les fonctions d entrée et de sortie que nous avons évoquées (fprintf, fscanf, etc.) sont de haut niveau. Elles sont indépendantes des systèmes d exploitation que l on utilise. Nous allons nous intéresser, à présent, à des fonctions de plus bas niveau qui peuvent différer d un système à l autre. Dans cette famille d appels systèmes, nous identifions les différents flux entrées/sorties par des entiers appelés descripteurs. Les périphériques (clavier et écran par exemple), peuvent ainsi être utilisés par les mêmes appels de systèmes que pour les fichiers. Sous UNIX, on considère souvent toute forme d entrée/sortie comme un fichier (virtuel). Les avantages d utiliser directement les appels systèmes pour manipuler des fichiers (comparé à scanf() par exemple) sont qu ils sont plus rapides, et généraux. scanf() et printf() utilisent des tampons pour éviter d appeler trop souvent les appels systèmes read() et write(). Cependant, dans certains cas, cela peut être un désavantage. Les fichiers suivants sont à inclure : #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> Ouverture d un fichier int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); open() ouvre un fichier et retourne un descripteur de fichier (petit entier non négatif à utiliser avec read, write, etc...). flags est l un des éléments O RDONLY, O WRONLY ou O RDWR qui réclament, respectivement, l ouverture du fichier en lecture seule, écriture seule, ou lecture/écriture. D autres options peuvent être rajoutées dans certains cas. Par exemple, en ouvrant un l option O NOCTTY nous permet de nous détacher du terminal, puisque nous ne voulons pas être terminé si l on reçoit un caractère CTRL-C (le comportement par défaut). 5

6 Fermeture d un fichier int close(int fd); La fonction close() ferme le descripteur fd. Lecture ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); read() lit jusqu à count octets depuis le descripteur du fichier fd dans le tampon pointé par buf. La fonction renvoie -1 si elle échoue, auquel cas errno contient le code d erreur. Sinon, read renvoie le nombre d octets lus (0 en fin de fichier). Ecriture ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); write écrit jusqu à count octets dans le fichier associé au descripteur fd depuis le tampon pointé par buf. La fonction renvoie le nombre d octets écrits (0 signifiant aucune ecriture), ou -1 si elle échoue, auquel cas errno contient le code d erreur. Fichiers et périphériques Sous UNIX, un périphérique est géré par l intermédiaire d un fichier virtuel correspondant situé dans le répertoire /dev (Angl. device =périphérique). Ainsi, l interface de série peut être utilisée en ouvrant le fichier /dev/ttys0, la souris est géré par le fichier /dev/mouse, etc. Lors du démarrage d un processus, trois fichiers virtuels sont ouverts automatiquement par le système : il s agit de l entrée standard, la sortie standard et la sortie d erreur. Leurs descripteurs sont 0, 1 et 2 (respectivement) : descripteur fonction equiv. librairie C equiv. librairie C++ par défaut 0 entrée standard stdin cin clavier 1 sortie standard stdout cout écran (terminal) 2 sortie erreur stderr cerr écran (terminal) 5 Programmer le haut-parleur interne L accès au haut-parleur interne d un PC se fait par l intermédiaire d un fichier virtuel /dev/console. L émission d un son avec la fréquence freq est déclenchée par la commande : ioctl(fd,kiocsound, /freq); 6

7 fd est le descripteur du fichier /dev/console et KIOCSOUND est une constante prédéfinie. La commande ioctl() renvoie 0 si elle réussit, ou -1 si elle échoue, auquel cas errno contient le code d erreur. Les fichiers suivants sont à inclure : #include <sys/ioctl.h> #include <linux/kd.h> 6 Configurer le clavier et le port série Par défaut, la plupart d entrées et de sorties de Linux sont configurées en mode canonique, c.à.d les caractères reçus sont stockés dans un tampon et ils ne sont disponibles qu à la réception d un caractère \n. Ceci est un handicap pour notre logiciel de chat : un caractère rentré par l émetteur ne serait pas disponible tout de suite sur l écran du récepteur. Il serait envoyé avec le reste de la ligne après la saisie du retour à la ligne (clavier Entrée ). Pour éviter cette situation, nous allons configurer les entrées en mode non-canonique, c.à.d. tous les caractères sont immédiatement disponibles à la lecture. Ce raisonnement s applique à la gestion du port série aussi qu à la lecture du clavier. Par défaut, la lecture du clavier à l aide des fonctions scanf() et getch() ainsi qu à l aide de l appel système read() est configurée en mode cannonique. Pour se servir du mode noncannonique, le paramétrage du périphérique doit être changé. De plus, les fonctions fprintf() et fscanf() ne sont pas supportées. La configuration d un port de communication (terminal, clavier, port série, etc.) est réalisée par deux fonctions : int tcgetattr (int fd, struct termios *termios_p); int tcsetattr (int fd, int optional_actions, struct termios *termios_p); tcgetattr() obtient les paramètres associés à l objet référencé par le descripteur fichier fd et les stocke dans la structure termios pointée par termios p. tcsetattr() fixe les paramètres du terminal en lisant la structure termios pointée par termios p. optional actions précise quand les changements auront lieu (=TCSANOW dans le cadre de ce TP). La structure termios est prédéfinie dans la librairie termios.h. Dans ce TP nous ne nous intéressons pas à toutes les propriétés d un port de communication, puisqu elles dépendent du type de port (clavier, port série) et de l utilisation. Ceci est expliqué dans les sous sections suivantes. Les fichiers suivants sont à inclure : #include <termios.h> #include <unistd.h>device 7

8 6.1 Configurer le clavier Concernant le clavier, le seule paramétrage que nous désirons faire est le passage au mode non-cannonique. Ceci se fait en changeant l élément c lflag de la structure termios : val.c_lflag &= (~ICANON); Bien évidemment, la variable val de type struct termios doit être chargée avec tcgetattr() avant le changement. Ensuite, les changements sont appliqués à l aide de la fonction tcsetattr(). Rappelons nous, que nous n avons pas besoin d ouvrir le clavier avec open(). Le descripteur fichier du clavier est disponible dés le démarrage du programme, il est égale à Configurer le port série Comme nous l avons déjà évoqué, le fichier virtuel gérant le port série est le fichier /dev/ttys0. Concernant le paramétrage du port série nous suivons une autre stratégie : tous les éléments d une structure termios sont initialisés à zéro à l aide de la fonction memset(). Ensuite, les différents éléments sont remplis avec des constantes définissant les paramètres de la connexion : memset (&newtio, 0, sizeof(newtio)); newtio.c_cflag = B38400 CRTSCTS CS8 CLOCAL CREAD; newtio.c_iflag = IGNPAR; newtio.c_oflag = 0; newtio.c_lflag = 0; newtio.c_cc[vtime] = 0; newtio.c_cc[vmin] = 1; La fonction des paramètres est expliquée dans le tableau suivant : Constante B38400 CRTSCTS CS8 CLOCAL CREAD IGNPAR fonction affecte la vitesse contrôle de flux matériel 8n1 (8 bits, sans parité, 1 bit d arrêt) permet la connexion locale, pas de contrôle par le modem permet la réception des caractères permet d ignorer les octets ayant une erreur de parité Bien évidemment, comme dans le cas du clavier, les changements doivent être appliqués à l aide de la fonction tcsetattr(). Après l ouverture et la configuration, nous pouvons accéder au port série comme nous accédons à un fichier, c.à.d. à l aide des appels système read() et write. 8

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