Sistemas Embarcados. Introdução (1/2) Dispositivos de bloco e MTD. Introdução (2/2) Aula 08

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1 Introdução (1/2) Sistemas Embarcados Sistemas de arquivos Necessidade de armazenamento de dados Questões: Tipo de dispositivo a ser utilizado no armazenamento? Armazenamento permanente ou volátil? Forma de organizar e acessar os dados? Sistemas operacionais respondem a essas questões através de sistemas de arquivos Conjunto de arquivos e diretórios mantidos em uma partição de um dispositivo de armazenamento e.g: ext2, ext3, NTFS, reiserfs, etc Módulo de software que provê acesso ao arquivos Aula 08 2 Introdução (2/2) Dispositivos de bloco e MTD Armazenamento em sistemas embarcados ROM: armazenamento de dados para leitura (read only) NVRAM: armazenamento de dados para leitura/escrita (Non Volatile) Memórias flash são exemplos típicos NVRAM são usados normalmente para armazenar: Boot loader Imagem do sistema operacional Aplicações e bibliotecas Arquivos e dados de configuração Block devices (dispositivos de bloco) Floppy ou discos rígidos (SCSI, IDE, etc) Flash empregadas como discos IDE Ramdisks Dispositivos de loop Memory Technology Devices (MTD) Flash, ROM ou RAM Emulação de MTD em dispositivos de bloco Possuem características diferentes que impactam no tipo de sistema de arquivo a ser usado Vários tipos de sistemas de arquivos 3 4

2 Sistemas de arquivos convencionais RAM filesystems Dispositivos de bloco Sistemas não jornalizados Pode gerar inconsistências após um desligamento abrupto ou colapso (crash = pendurada) Exemplos tradicionais Linux: ext2 e fsck Windows: FAT e scandisk Sistemas de arquivos jornalizados Garantem a consistência após desligamentos ou crashes Todas as escritas são logadas em um jornal antes de serem efetivadas no disco (commit) Exemplos: ext3, ext4, reiserfs, JFS (ibm), XFS (sgi), NTFS... Prático para armazenar dados que não precisam ser mantidos entre sucessivos boot do sistema Emula na RAM um dispositivo de armazenamento tipo bloco Sistema de arquivos convencional orientado a bloco Tamanho fixo Espaço não usado da RAM é desperdiçado Ocupa espaço duplo na RAM (uma cópia em cache e outra no dispositivo) Versão melhorada: tmfs Elimina o desperdício na RAM Mantém apenas uma cópia dos dados Consome memória por demanda 5 6 cramfs squasfs Compressed block filesystem Emprega a bibliteca zlib (usada no zip) Principais características Simples Read-only Projetado para sistema embarcados Tamanho máximo do sistema de arquivos: 256 MBytes Maior arquivo possível: 16 MB Evolução sobre o cramfs Tamanho máx. do sistema de arquivos e de arquivos é de 2 64 bytes Principais características: Sistema de arquivos read-only e comprimido Emprega gzip ou LZMA para compressão Integrado no kernel Anteriormente era disponibilizado apenas via patch Utilizado na maioria das distribuições live de linux combinado com o unionfs 7 8

3 Union mounts Memórias flash Permite vários sistemas de arquivos serem montados a partir de um único ponto de montagem Sobrepõe vários sistemas de arquivos Um diretório pode possuir arquivos de vários sistemas de arquivos Não há um ponto de montagem único por sistema de arquivo Geralmente um sistema de arquivos é montado como read-write e os demais como read-only Implementado através do unionfs e do aufs Organizadas em regiões de 32, 64 ou 128 KB (eraseblocks) Possuem três operações básicas: read, write e erase Para escrever é necessário apagar O procedimento de erase apresenta alguns detalhes: Executado sobre um eraseblock inteiro (não dá para apagar bytes!!) Um eraseblock tem um número limitado de apagamentos (vida útil) Wear leveling: escrever uniformemente na flash para aumentar a vida útil Construídas de duas formas diferentes (NOR e NAND) 9 10 Flash NOR versus Flash NAND Diferenças entre discos e dispositivos MTD NOR NAND Acesso a dados Acesso randômico a dados Área é dividida em blocos e estes em páginas. O acesso é a páginas Operações Read, write e erase (eraseblocks) Read e write (páginas) e erase (blocos) Interface c/ sistema Barramento de dados e endereços Diferentes formas. Normalmente através de um barramento de 8 bits (dados/comandos) Composto por setores Discos (block devices) Setores são pequenos (512, 1024 bytes) MTD Composto por blocos (eraseblocks) Erase blocks são grandes (32, 64, 128 KB) Código para execução Desempenho Bad blocks Permite execução do código diretamente armazenado Leitura rápida, escrita e apagamento lentos Normalmente não tem esse problema porque foram projetadas para armazenar dados de sistema. Necessário copiar código para memória Leitura, escrita e apagamento rápidos Dispositivos de armazenamento de baixo custo. Possui bad blocks, mas eles são marcados e não usados. Utilização Execução de código (boot loader) Armazenamento de dados (mp3, set-top boxes, etc). Duas operações básicas: read e write Três operações: read eraseblock, write erasabloc e erase eraseblock Bad-sectors são remapeados e escondidos Bad-blocks devem ser tratados pelo software pelo hardware (LBA disk drives) Setores de disco tem um grande ciclo de vida Eraseblocks tem ciclo de vida limitado a 10 4 ou 10 5 ciclos de apagamento 11 12

4 Memória flash e sistemas de arquivos O que existe para o mundo de embarcados... Sistemas de arquivos convencionais não são adequados para flash O apagamento é feito sobre blocos grandes ao passo que dispositivos orientados a disco os blocos são pequenos Usam cache em RAM para desempenho Inconsistências do sistema de arquivos em caso de corte de alimentação Convencionais: sync periódicos e saída via shutdown Embarcados podem ficam sem energia repentinamente (bateria) Vantagem dos sistemas convencionais Existem e tem um conjunto apropriado de primitivas e vasto suporte do sistema operacional Flash Translation Layer Idéia é adaptar sistemas de arquivos convencionais para os dispositivos do tipo flash Sistemas de arquivos específicos para flash Arquitetura MTD Mecanismos e primitivas para acesso a flash Flash Translation Layer (FTL/NFTL) Journaling Flash File System v2 jffs2 Camada de software que emula um dispositivo de bloco para flash Objetivo é usar toda a infra-estrutura já existente de sistemas de arquivos Desvantagem: Não trata das inconveniências dos sistemas de arquivos tradicionais Desempenho Trata uma flash como se fosse um dispositivo orientado a bloco Patenteado Sistema de arquivos convencional (ext2, ext 3 etc) FTL/NTFL Flash FLT: memórias NOR NFLT: memórias NAND Projetado para homogeneizar escrita em setores de flash Problema da limitação do número de escritas na flash Sistema de arquivos comprimido Permitir o máximo de dados em um setor da flash Compensar o tempo de acesso a flash 15 16

5 Yet Another Flash Filing System yaffs2 Memory Technology Device (MTD) Características: Destinada para flash do tipo NAND Sem suporte a compressão Solução software livre para tratar dispositivos NVRAM (flash) Integrado no núcleo do linux a partir da versão 2.4 Filosofia: tratar dispositivos de memória como tal e não como discos Composto por duas partes: drives e aplicativos Dispositivos MTD (Pleonasmo) Flash (NAND, NOR non CFI e NOR CFI compliant) Commom Flash Interface Flash disks (ATA-based e linear) Armazenamento de massa Arquitetura MTD Arquitetura MTD (outra visão...) Linux filesystem interface MTD User modules jffs2 Char device Block device yaffs2 Read-only block device Flash Translation Layers for block device emulation Caution: patented algorithms! FTL NFTL INFTL MTD core User-space applications Regular fs (cramfs) MTD apps (jffs 2, nftl) Block device Char device Raw device Aplicações MTD MTD Chip drivers CFI flash NAND flash DiskOnChip flash RAM chips ROM chips Block device Virtual memory Virtual devices appearing as MTD devices Low-level drivers sync( ) Flahs Drivers erase( ) read( )/write( ) lock( )/unlock( ) read_oob( )/write_oob( ) read_ecc( )/write_ecc( ) suspend( )/resume( ) Flash BSP BSP for flash Memory devices hardware Hardware (Flash+Placa) 19 20

6 Mapeamento da flash Inicialização da mtd_info struct mtd_info (include/linux/mtd/mtd.h) Ponto central do MTD Estrutura de dados que mantém ponteiros para rotinas do core e das aplicações, tipo de flash (NOR ou NAND) e seu mapeamento Mapeamento = divisão da flash em partições Dividido em duas partes: Criação e inicialização da estrutura mtd_info Registrar a estrutura mtd_info no core MTD Para flashes NOR: Endereço E/S onde a flash está mapeada O tamanho da flash Largura do barramento (8, 16, 32 bits) Rotinas para read, write e cópia de blocos Para flashes NAND NAND recebe comandos a partir da CPU, portanto deve haver uma configuração inicial Uma vez configurada é necessário definir a mtd_info Auxilio de funções nand_chip( ); nand_scan( ) Registro da mtd_info Dispositivos de bloco/caracter Adicionar o dispositivo na estrutura do núcleo Particionamento: Permite criar múltiplas partições na flash (pode ter diferentes FS) e tamanho Feito com auxilio de estruturas de dados (struct mtd_partition) e funções (add_mtd_partition) Concatenação Possibilidade de fazer com que duas flashes sejam vistas como uma única flash (virtual) O MTD oferece dois drivers diferentes para serem usados: Caracter: /dev/mtd? /dev/mtdr? (? = 0, 1, 2,...15) Bloco: /dev/mtb? (?=0, 1, ) /dev//mtd1// Major=90; minor=1 /dev/mtdb1 Major=31; minor=1 Char device Block device mdt_table 23 24

7 Mtdutils package Sistemas de arquivos para embarcados Conjunto de programas para criação, utilização, inicialização e testes de dispositivos MTD Utilitários: erase, eraseall, nftl_format, nftldump, doc_loadbios,doc_loadip1, nandum, nandtest, nandwrite, mkfs.jffs2, lock, unlock, mtd_debug, fcp Ramdisk RAMFS CRAMFS (Compressed File System) JFFS e JFFS2 (Journaling Flash File Systems) NFS PROC File system O que é necessário em um sistema linux embarcado real Dica 1: Swap, usar ou não usar? Eis a questão... Arquivos imprescindíveis init (o processo que será o pai de todos, pid = 1) Bibliotecas necessárias a carga de processos Libc, para permitir a execução de aplicativos Arquivos desejados Binutils: vários utilitários empregados por scripts de inicialização e por outros programas Shell (para permitir scripts e interação na console remota/local) Acesso remoto (telnet, ssh, etc...) Selecionar entre ligações estáticas ou dinâmicas Swap Sem controle direto do programador Gerenciado pela MMU Diminui tempo de resposta (page faults) Fatal para dispositivos baseados em flash Número de escritas limita a vida útil Recomendação: Reduzir a ocupação de memória e desabilitar swap no kernel Opção de fazer a MMU do processador realizar a proteção de memória com limite de endereçamento existente de memória RAM 27 28

8 Dicas 2: Sistemas de arquivos a blocos para flash Roadmap para escolha de sistema de arquivos Tipicamente para armazenamento de dados Não se pode usar jff2 ou yaffs Emulação MTD pode ser usada, mas pode haver conflitos nas politicas de escritas do jffs/yaffs com o gerenciamento feito onchip Não usar sistemas de arquivos jornalizados A manutenção do jornal e escrita regular em mesmo setores compromote a vida util Empregar um sistema de arquivo tipo fat ou ext2 com as seguintes opções de montagem noatime: não põe data de modificação nos i-nodes sync: escrita imediata sem passar pela cache de E/S Reduz inconsistências em caso de falta de energia Orientações genéricas Tipo de armazenamento? MTD Usar jffs2 ou yaffs2 read-only ou readwrite Bloco Read-only? Sim Usar Squashfs read-only Não Não Dados Não É flash? voláteis? Sim usar ext2 com noatime + sync como opções para mount Sim usar tmpfs Usar ext3, reiser4, XFS or JFS Dicas 3: misturar sistemas de arquivos read-only e read-write Utilitários comuns Separar os espaços de endereçamentos Usar um sistema de arquivos read-only com compressão, como o squashfs, para o rootfs Compressão economiza espaço O que tem no rootfs dificilmente é modificado (binários, kernel, scritps, etc) Evita problemas de inconsistências Partição read-write jornalizada para armazenar dados de configuração ou do usuário Garante a consistência em caso de falta de energia Atividade que não é feita corriqueiramente Partiçãoem RAM read-write para arquivos temporários Uso do tmpfs Criação de um sistema de arquivos (filesystem) Definir quais são os diretórios e arquivos necessários Criar uma imagem no sistema de desenvolvimento Colocar a imagem no dispostivo (tftp, gravador externo, monitor, etc..) Alguns exemplos de ferramentas: mkcramfs (script), mkisofs (utiliário), mkfs.jffs (utilitário), cpio Script para criar ramdisks Referência: Linux Initial RAM disk (initrd) overview, de Tim Jones, em Buildroot Busybox

9 Leituras complementares P. Ragavahn, A. Lad, S. Neelakandan. Embedded Linux System Design and Developement. Auerbach, C. Hallinan. Embedded Linux Primer: A Practical Real-World Approach. Prentice Hall, K. Yaghmour. Building Embedded Linux Systems. Oreilly,

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