Desenvolvimento para Sistemas Embarcados (CEA 513) Conceitos Gerais

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1 Universidade Federal de Ouro Preto Departamento de Computação e Sistemas - DECSI Desenvolvimento para Sistemas Embarcados (CEA 513) Conceitos Gerais Vicente Amorim

2 Sumário * Metodologia de Desenvolvimento * Conceitos Básicos * Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Inicialização do Sistema * Tipos de Configurações de boot * Layout de memória do sistema

3 Metodologia de Desenvolvimento

4 Metodologia de Desenvolvimento * Por que usar Linux?? - Razões para a adoção em massa deste SO: Estrutura e modularidade; Facilidade nas correções de código; Extensibilidade; Configurabilidade; Disponibilidade do código-fonte; Suporte a diferentes tipos de hardware; Suporte a protocolos de comunicação e padrões de software; Disponibilidade de ferramentas;

5 Metodologia de Desenvolvimento * Por que usar Linux?? - Razões para a adoção em massa deste SO: Suporte da comunidade; Licenciamento; Custo; Independência de vendedores; etc.

6 Metodologia de Desenvolvimento * Introdução - Durante o desenvolvimento, algumas tarefas podem ser feitas em série enquanto outras, em paralelo. - Escolha de uma distribuição Linux adequada pode fazer a diferença no re-trabalho a ser executado. - 4 fases: Criação de um sistema Linux alvo; Configuração e uso de ferramentas de desenvolvimento; Desenvolvimento; Aspectos relacionados a rede.

7 Metodologia de Desenvolvimento * Criação de um sistema Linux alvo - Configuração e escolha dos componentes de sw necessários. - Evitar pegar os componentes mais novos. - Não envolve desenvolvimento de software em si. - 4 etapas: Determinação dos componentes do sistema; Configuração e compilação do kernel; Criação do sistema de arquivos raíz; e Escolha e configuração do software de inicialização.

8 Metodologia de Desenvolvimento * Configuração e Uso de Ferramentas de Desenvolvimento - Desenvolvimento de sw para embarcados é diferente do paradigma para desktops/servidores. - Desenvolvimento do sw é feito em um ambiente e execução é dada em outro: Cross-development. - Dois passos básicos: Desenvolvimento; e Testes. - Diferentes ambientes de desenvolvimento e produção.

9 Metodologia de Desenvolvimento * Desenvolvimento - Uma vez que tudo é Linux, então o mesmo programa irá rodar no host e target certo? Comumente host e target possuem arquiteturas diferentes. host e target implementam diferentes tipos de hardware. Determinados comportamentos podem ser relegados os usuários no host. Ex.: Reinicialização em caso de erro. target deve tratar maioria dos erros e exceções. Como os recursos são gerenciados no host e target??

10 Metodologia de Desenvolvimento * Aspectos relacionados a rede - Acesso à rede permite que um sistema embarcado interaja com elementos externos. - Pode ser usado ainda como ferramenta auxiliar durante o processo de desenvolvimento. - Componentes relacionados à rede devem ser escolhidos: Hardware; Protocolos; Serviços; etc...

11 Conceitos Básicos

12 Conceitos Básicos * Tipos de configurações de host/target - São possíveis três configurações básicas: Linked setup; Removable storage setup; Standalone setup;

13 Conceitos Básicos * Tipos de configurações de host/target - Linked setup: Target e host são permanentemente conectados através de um cabo físico. Nenhum hardware de armazenamento é utilizado durante a transferência dos dados. Elementos de sw podem ser acessados via FTP/TFTP/RS232.

14 Conceitos Básicos * Tipos de configurações de host/target - Removable Storage Setup: Não existe link físico entre o host e target. Dispositivo de armazenamento é escrito pelo host, transferido para o target, e então utilizado em seu processo de boot. Pode ser dado através de uma memória flash interna ou mesmo através de disp. de memória secundária.

15 Conceitos Básicos * Tipos de configurações de host/target - Standalone Setup: O próprio target é o sistema de desenvolvimento. Configuração similar aos desktops atuais. Software a ser gerado e de desenvolvimento estão presentes diretamente no target. Setup parecido com o usado em desenvolvimento para PCs comuns.

16 Conceitos Básicos * Tipos de configurações de host/target para debug - Três interfaces básicas: Conexão serial Velocidade e número de portas pode ser limitado.

17 Conceitos Básicos * Tipos de configurações de host/target para debug - Três interfaces básicas: Conexão via interface de rede Pilha de protocolos de rede deve ser carregada logo no início do processo de boot.

18 Conceitos Básicos * Tipos de configurações de host/target para debug - Três interfaces básicas: Hardware específico para debug. Uso de hardware BDM e JTAG normalmente tem um alto custo financeiro se comparado com outras soluções.

19 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux

20 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Sistemas baseados em Linux são componentizados. * Componentes fazem parte de uma arquitetura genérica. * Arquitetura organizada em componentes: - Melhor organização do código; - Facilidade na compreensão geral do sistema; - Compreensão dos componentes separadamente facilita na compreensão do todo. - Necessário estudo sobre a interação entre os componentes.

21 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Componentes e arquitetura:

22 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Restrições de hardware: - CPU de no mínimo 32-bits c/ suporte a MMU. - Memória RAM suficiente para acomodar o sistema e suas necessidades. - Capacidades mínimas de I/O: Comunicação com periféricos, debug, etc. - Kernel precisa ser capaz de carregar, acessar e gerenciar um sistema de arquivos mínimo (root filesystem) - através da rede/ memória.

23 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Linux kernel - Principal componente do SO. - Provê gerenciamento do hardware e uma interface de alto-nível para as aplicações em nível de usuário. - Gerenciam acesso a I/O, drivers de dispositivo (device drivers), controle de escalonamento, compartilhamento de memória, etc. - Em teoria: Facilidade na portabilidade de aplicativos utilizando uma determinada API do kernel.

24 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Linux kernel - Internamente dividido em duas camadas básicas: Camada de baixo-nível e Camada de alto-nível

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26 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Linux kernel - Internamente dividido em duas camadas básicas: Camada de baixo-nível Utilizada especificamente para configuração do hardware. Controle direto de recursos do hardware usando API independente do mesmo. Gerencia operações da CPU, memória e interface básica dos dispositivos. Camada de alto-nível Entregam abstrações comuns a todos os sistemas Unix: Processos, arquivos, sockets, sinais, etc. Visam facilitar as tarefas dos usuários do nível de aplicação.

27 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Linux kernel - Obrigatoriamente deve existir pelo menos um sistema de arquivos estruturado (rootfilesystem). - Primeira aplicação a ser executada é carregado desse sistema de arquivos. - Operações como carga/descarga de módulos - dentre outras - são dependentes do sistema de arquivos. - Pode ser armazenado e operado de um dispositivo físico de armazenamento ou carregado em RAM durante a inicialização.

28 Arquitetura Genérica de um Sistema Linux * Linux kernel - Acima do kernel existem as aplicações e utilitários em nível de usuário. - Aplicações fazem uso de bibliotecas que acessam os serviços providos pelo kernel. - Comunicação com o kernel não é feita diretamente (system calls). - Principal biblioteca dos sistemas Linux: GNU C lib. - Bibliotecas são ligadas dinamicamente: Não são parte da aplicação final mas sim carregadas em tempo de execução.

29 Inicialização do Sistema

30 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - Carregamento e configuração iniciais dos principais componentes. - Três módulos básicos participam do processo de inicialização: bootloader; kernel; processo init.

31 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - bootloader: Primeiro software a ser executado durante a inicialização. Altamente dependente do tipo de hardware considerado. Grande variedade de tipos e soluções em Linux. Conduz a parte de inicialização de baixo-nível do hardware e então repassa o controle ao código de inicialização do kernel. Ex.: uboot, LILO, GRUB, etherboot, blob, sh-boot, redboot, etc

32 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - kernel: Código inicial do kernel difere de acordo com arq. utilizada. Partes específicas escritas em linguagem assembly. Inicialização do próprio código antes de executar qualquer tipo de código em C. Uma vez que isso é feito, o kernel inicia a rotina start_kernel() que é independente de arquitetura. start_kernel() inicializa as funcões de alto-nível do kernel, sist. de arquivos e processo init.

33 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - processo init: Uma vez que o kernel termina sua inicialização, o trabalho é passado para tal processo. Programa comum que roda em espaço de usuário e está no sistema de arquivos raiz. Finaliza o processo de inicialização e inicia diversos componentes de software. Diferentes processos/programas de init podem ser utilizados.

34 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - Exemplo: Processo de inicialização do Android.

35 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - Exemplo: Processo de inicialização do Android.

36 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - Exemplo: Processo de inicialização do Android.

37 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - Exemplo: Processo de inicialização do Android.

38 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - Exemplo: Processo de inicialização do Android.

39 Inicialização do Sistema * Para ficar apto ao uso, um sistema embarcado deve ser inicializado. - Exemplo: Processo de inicialização do Android.

40 Inicialização do Sistema * Inicialização via busybox - Busybox: Implementa versões leves dos utilitários Unix agrupados em um único executável. Redução no número de funcionalidades de cada utilitário mas aumento da portabilidade. Ideal para ambientes com poucos recursos e embarcados. Software open-source e distribuído através da GPL2.

41 Inicialização do Sistema * Inicialização via busybox - Além dos comandos mais comuns, o busybox provê funcionalidades de inicialização de sistemas. Processo de inicialização bem adaptado a sistemas embarcados. Por ser um único pacote, não carrega sw adicional. Ao contrário dos sistemas comuns, o init é mapeado diretamente para o binário do pacote busybox. Quando chamado, quem executa a inicialização é na verdade o busybox.

42 Inicialização do Sistema * Inicialização via busybox - Execução de 6 tarefas sequenciais: 1. Configuração de um handler para o init; 2. Inicialização do console; 3. Parser do arquivo inittab (/etc/inittab); 4. Execução do script de inicialização (/etc/init.d/rcs); 5. Execução de todos os comandos bloqueantes do inittab; e 6. Execução de todos os comandos únicos do inittab - rodam uma única vez.

43 Inicialização do Sistema * Inicialização via busybox - Script de inicialização: Montagem/remontagem do sistema de arquivos em modo rw. Montagem de sistema de arquivos adicionais. Configuração e inicialização de interfaces de rede. Inicialização de daemons do sistema.

44 Inicialização do Sistema * Inicialização via busybox - Script de inicialização:

45 Tipos de Configurações de boot

46 Tipos de Configurações de boot * O tipo de configuração de boot do sistema influencia diretamente na escolha do bootloader. * Determinados tipos configuração de boot requerem a presença de um hardware específico: - Ex.: Boot via rede cabeada requer hardware de redee serviços relacionados. * bootloaders possuem algumas limitações: - Nem todos suportam discos, redes ou conexões seriais.

47 Tipos de Configurações de boot * Considerações básicas: - Todas as CPUs carregam sua primeira instrução à partir de um endereço fixo assignado pelo fabricante. - Qualquer sistema usando uma CPU faz uso de armazenamento de estado sólido para este primeiro passo. Inicialmente memória ROM, posteriormente memória flash (NAND). - A complexidade e sofisticação do sistema de boot depende do tipo de sistema a ser adotado.

48 Tipos de Configurações de boot * Três diferentes setups de boot para Linux embarcado: - Dispositivos de armazenamento de estado sólido: Dispositivo de estado sólido armazena: Código do bootloader; Parâmetros de configuração; Kernel; e Sistema de arquivos raiz.

49 Tipos de Configurações de boot * Três diferentes setups de boot para Linux embarcado: - Dispositivos de armazenamento em discos rígidos: Tipo de configuração mais comum e conhecida pelo mercado. Kernel e sistema de arquivos raiz se encontram em um disco rígido. bootloader inicial carrega um bootloader secundário do próprio disco (ou o kernel diretamente). Um dos sistemas de arquivos no disco (em alguma partição específica) é utilizado como sistema de arquivos raiz (root filesystem).

50 Tipos de Configurações de boot * Três diferentes setups de boot para Linux embarcado: - Rede de comunicação: Kernel e sistema de arquivos raiz são carregados via um link de rede. Possibilidade de se manter o kernel em um disco (ou memória flash) e carregar via rede (NFS) somente o sistema de arquivos raiz. kernel pode ser baixado via FTP e sistemas de arquivos raiz via NFS. Ideal para os primeiros estágios do desenvolvimento

51 Layout de Memória do Sistema

52 Layout de Memória do Sistema * Layout de memória de sistemas embarcados se assemelha muito a de sistemas convencionais. - Diferença entre memória física e virtual extremamente importante. - Mais importante: Periféricos de hardware são acessíveis à partir do espaço de endereçamento físico. São completamente invisíveis (ou possuem acesso restrito) a memória virtual.

53 Layout de Memória do Sistema * Pontos importantes: - Mapeamento físico é importante pois provê informação de como configurar o kernel e como desenvolver drivers. Durante configuração do kernel, pode ser necessário especificar a localização da memória flash no sistema; Durante desenvolvimento pode ser necessário escrever um driver para um periférico mapeado em memória; bootloader deve receber informações relativas aos componentes que o mesmo deve carregar.

54 Layout de Memória do Sistema * Ex.: layout de memória do Compaq ipaq

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