Linux embarqué : construire son OS Tanguy Rissetperso.citi.insa-lyon.fr/trisset/cours/rts12/slides/embedded-linux.pdf · Construire un Linux embarqué Devant le nombre croissant

RTS12Linux embarqu : construire son OS

Tanguy Risset

[email protected]

Labo CITI, INSA de Lyon, Dpt Tlcom

jan. 2011

RTS12 : Linux embarqu : 1

[email protected]

Historique Linux embarqu

Nombreuses versions de Linux embarqu pour diffrentstypes de matriel (Tlphones portable, PDA, set-topboxes, ...). Les caractristiques de ces systmes :

peu de RAM mmoire Flash (pas de disque dur) De nombreux priphriques spcifiques

Noyau Linux lger, souvent temps rel Quelques solutions Linux embarqu :

Distribution Linux Familiar (PDA) Open Moko (smart phones) Busy Box (commandes essentielles Unix en un seul fichier) Open Zaurus (PDA Sharp) ...

RTS12 : Linux embarqu : Introduction 2

Construire un Linux embarqu

Devant le nombre croissant de plate-formes apparaissant,les dveloppeurs ont mis en commun leurs efforts pourdvelopper des plate-formes de construction de linuxembarqu.

CrossTools OpenEmbedded

Construire un noyau simple pour larchitecture cible Slectionner seulement les paquets ncessaires Mettre en place le systme de boot Construire un environnement de compilation croise


Architecture globale


Matriel embarqu

Le matriel embarqu est diffrent du matriel classique : Diverses architectures de processeur : ARM, MIPS,

PowerPC... et x86 aussi Stockage en mmoire Flash (de type NAND ou NOR),

limite en capacit (quelques MB quelque centaine deMB)

RAM capacit limite (Quelques MB quelques dizainesde MB)

Diffrents bus spcifiques : I2C, SPI, CAN... Existence de cartes de dveloppement avec des facilits

de tlchargement du code et de debug.


Exemple

Beaglboard

Arm Cortex A8 1 GHz DaVinci digital media

processor (DM3730,ARM+DSP) Puce graphique 3D 512 MB of DDR SDRAM 4GB SD-Card I2C, SPI, DVI-D, S-Video, 4

port USB Hub, StereoIn/Out, Ethernet 10/100...

Open Moko

ARM 920T 400 MHz,Samsung 2442B 2 MB of NOR flash 128 MB of RAM 256 MB of NAND flash 640x480 touchscreen , Bluetooth, GSM, serial,

GPS, sound, 2 buttons,Wifi, USB, etc.


Configuration minimale pour Linux embarqu

Un CPU support par GCC et le noyau linux CPU 32 bits Les CPU sans MMU sont aussi supports travers le

projet uCinux

Au moins 4 8 MB de RAM Au moins 2 4 MB de stockage mmoire Linux nest pas adapt aux systmes bass sur les petits

micro-controleurs comme lEZ430 (quelque centaines dekB de Flash et RAM), pour ces systmes l : Pas dOS OS ddi (Contiki, FreeRTOS...)


Composants logiciels

Une chane de compilation croise Compilateur qui tourne sur la machine de dveloppement

mais qui gnre du code pour la plate-forme embarque. Bootloader

Dmarr par le matriel directement, responsable desinitialisations de base, du chargement et de lexcution dunoyau

Noyau Linux Responsable de la gestion des diffrents services pour les

applications (processus, mmoire virtuelle, pile rseau,pilote de priphrique, ...)

Librairie C Interface entre le noyau linux et les applications de lespace

utilisateur Librairies et application

Votre programme....


Systme de fichier Root

Dans un systme Linux, plusieurs systmesde fichiers peuvent tre monts et crer unhirarchie globale de fichiers et rpertoires Un systme de fichier particulier, le systme

de fichier root est mont en / . Sur les Linux embarqus, le systme de

fichier root contient toutes les librairies,applications, et donnes du systme. Construire ce systme de fichier est lune des

tche essentielle de lintgration de Linux surla plate-forme embarque. En gnral le noyau est spar du systme

de fichier root


Chane de compilation croise La chane de compilation classique est une chane de

compilation native Pour les systmes embarqus, on utilise une chane de

compilation croise (cross-compiling toolchain). Elle est gnralement compose de

Binutils : as, ld, objdump, nm, strip, ... En-ttes du noyau (kernel header) Compilateur GCC

I peut cibler diffrents CPU : ARM, AVR, Blackfin, CRIS, FRV,M32, MIPS, MN10300, PowerPC, SH, v850, i386, x86_64,IA64, Xtensa, etc

Bibliothque C/C++I Composant essentiel, permet linteraction entre les

programmes et le noyauI De nombreuses dclinaisons :glibc, uClibc, eglibc,

dietlibc, newlibI La libC est choisie en mme temps que la chane de

compilation croise, gcc tant compil avec. Dbugger GDB

RTS12 : Linux embarqu : Chanes de compilation croises 10

Librairie C

glibc GNU Lib C ' 2.5MB pour ARM eglibc embedded glibc uClibc, librairie trs lgre Dietlibc (' 70KB) Newlib Exemples de tailles de programmes :


Construire une chane de compilation

Bien distinguer La machine sur laquelle est construite la chane de

compilation (build machine) La machine sur laquelle la chane de compilation va tre

excute (host machine) La machine sur laquelle les binaires gnrs par la chane

de compilation vont tre excuts (target machine).

En gnral, host et build machines sont les mmes. Choisir la libc Choisir les versions des diffrents composants Configurer la chane :

format binaire, ABI (Application Binary Interface) calcul flottant ? Locale, IPV6, etc...


tapes de construction

Une fois tous les choix effectus (ou.. pour toutes lesconfigurations choisies) : Extraire et installer les en-ttes du noyau Extraire, configurer et installer les binutils Extraire, configurer et installer une premire version de gcc

qui va gnrer les binaires pour la cible. Extraire, configurer et compiler la libc en utilisant le

compilateur construit ltape prcdente Configurer et compiler le cross-compilateur gcc


Construire une chane de compilation croise

On peut le faire soi-mme... en thorie... On peut utiliser une chane de compilation pr-compile

CodeSourcery, http://www.codesourcery.com http://elinux.org/Toolchains Mais, aucune prise sur la configuration (paquets installs,

target machine...) Ou on peut utiliser des outils de gnration de chanes de

compilation CrossTools, Le prcurseur (Dan Kegel), plus maintenuhttp://www.kegel.com/crosstool

Crosstool-ng, http://ymorin.isageek.org/dokuwiki/projects/crosstool

buildroot, http://buildroot.uclibc.org PTXdist, http://www.pengutronix.de/software/ptxdist OpenEmbedded, le plus complethttp://www.openembedded.org/


http://www.codesourcery.comhttp://elinux.org/Toolchainshttp://www.kegel.com/crosstoolhttp://ymorin.isageek. org/dokuwiki/projects/crosstoolhttp://ymorin.isageek. org/dokuwiki/projects/crosstoolhttp://buildroot.uclibc.orghttp://www.pengutronix.de/software/ptxdisthttp://www.openembedded.org/

Le bootloader

Sur les architectures embarques, le boot de bas niveauest trs dpendant du CPU et de la plate-forme. Certaines cartes ont une Flash partir de laquelle le CPU

boote aprs un reset Certains CPU ont un morceau de code intgr dans une

ROM qui charge automatiquement une petite portion deFlash dans la RAM

Il existe de nombreux bootloader open-source gnriques,parmis eux : U-Boot, Universal boot, standard de facto, maintenu par

Denx http://www.denx.de/wiki/UBoot Barebox, successeur dU-boot, mais ne supporte pas

encore autant de matriels

RTS12 : Linux embarqu : La sequnce de boot 15

http://www.denx.de/wiki/UBoot

U-boot U-boot doit tre install dans la mmoire Flash pour tre

excut par le matriel : La carte propose un moniteur de boot qui permet de flasher

le bootloader de second niveau (cest le cas sur labeagleboard)

U-boot est dj install et peut tre utilis pour se re-flasher(attention, peut rendre la carte inutilisable !)

La carte propose une interface JTAG qui permet dcriredans la Flash sans aucun system tournant sur la carte.

Une fois install, U-boot propose, par lintermdiaire duport srie, un certain nombre de commandes. U-boot est alors utilis pour charger et booter sur une

image noyau (uImage ou U-boot image), mais il peut aussichanger limage noyau ou le systme de fichier rootprsent sur le systme. La communication avec lhte se fait par Ethernet (tftp)

ou le port srie


Linux : Squence de boot traditionnelle

1. Bootloader Excute par le CPU une adresse fixe en ROM/Flash Initialize le support du matriel ou se trouve le noyau

(Flash, rseau, SD-card...) Charge limage du noyau dans la RAM Lance lexcution du noyau

2. Noyau Se dcompresse lui-mme Initialise le noyau et les pilotes compils statiquement

utiliss pour accder le systme de fichier root monte le systme de fichier root excute le premier programme utilisateur (spcifi par le

parametre init du noyau).3. Premier programme utilisateur

Configure lespace utilisateur et dmarre les servicessystmes


Mais...

Cette squence implique que tous les pilotes depriphriques sont compils statiquement dans le noyau. Cette hypothse est valide dans le monde embarqu ou le

noyau est paramtr en fonction du matriel, elle lestbeaucoup moins pour les PC de bureau. Le systme de boot actuel contient donc le mcanismeinitramfs (ex-initrd) Un petit systme de fichier contenu dans le noyau lui-mme Il peut dtecter le matriel, charger les modules du noyau

ncessaires Il monte alors le systme de fichier root et excute linit


Connaissance pour Linux embarqu

La mise ne place dun linux embarqu ncessite deconnatre un peu le mcanisme de boot, notamment pourparametrer correctement la commande de lancement dunoyau. Il faut aussi connatre ladministration linux (gestion de

paquets, installation driver, etc.) Enfin suivant le type de stockage physique disponible, le

systme de fichier peut tre spcifique Pour normment de plates-formes existantes, les

configurations requises sont disponibles dans les outils deconstruction de chane de compilation commeOpenEmbedded


OpenEmbedded

Initi par les dveloppement mis en commun de ladistribution OpenZaurus pour les PDA Sharp Zaurus et dela distribution Familiar pour PDAs. Rejoint ensuite par de nombreuses distributions :

OpenSimpad, GPE Phone Edition, ngstrm, OpenMoko... Bas sur bitbake : un norme Makefile mondial OpenEmbedded contient actuellement (2011)

2097 packages dans recipes/ 7294 versions de packages dans recipes//*.bb

305 machines dfinies dans conf/machine 34 distributions dfinies dans conf/distro

RTS12 : Linux embarqu : OpenEmbedded 20

BitBake

BitBake est le composant permettant OpenEmbeddeddexister Implment en python partir de loutils de gestion des la

distribution Gentoo (emerge) BitBake peut :

Tlecharger les sources sur internet (.tgz, svn, git,...) Appliquer les patches Construire les composants Construire le compilateur et le cross-compilateur Configurer, compiler la libc Crer le systme de fichier root, Crer et installer les packages additionel necessaires

(systme de gestion de paquets ipkg)


BitBake


Utilisation dOpenEmbedded : beaglboard

Procdure suivie pour la mise en place de ce cours Distribution Angstrom :http://www.angstrom-distribution.org/

git clonegit://gitorious.org/angstrom/angstrom-setup-scripts.git

(installe bitbake et openembedded, tout est fait dans lerepertoire angstrom-setup-scripts.) export MACHINE=beagleboard bitbake console-image ....... Quelques heures et 5 Gigas plus tard ....


http://www.angstrom-distribution.org/

Dploiement dAngstrom avec OpenEmbedded

dans le repertoireangstrom-setup-scripts/build/tmp-angstrom_2008_1/

deploy/glibc/images/beagleboard

fichiers u-Boot, uImage Systme de fichier rootAngstrom-console-image-glibc-ipk-2010.

7-test-20110111-beagleboard.rootfs.tar.bz2

Modules modules-beagleboard.tgz

Une fois tout cela install sur la carte SD.....


angstrom-setup-scripts/build/tmp-angstrom_2008_1/deploy/glibc/images/beagleboardangstrom-setup-scripts/build/tmp-angstrom_2008_1/deploy/glibc/images/beagleboardAngstrom-console-image-glibc-ipk-2010.7-test-20110111-beagleboard.rootfs.tar.bz2Angstrom-console-image-glibc-ipk-2010.7-test-20110111-beagleboard.rootfs.tar.bz2modules-beagleboard.tgz

beaglboard booting AngstromTexas Instruments X-Loader 1.4.4ss (Jul 28 2010 - 16:59:13)Beagle xM Rev AReading boot sectorLoading u-boot.bin from mmcU-Boot 2010.03 (Aug 06 2010 - 11:28:56)[....]reading boot.scr** Unable to read "boot.scr" from mmc 1:1 **reading uImage[...]

Loading Kernel Image ... OKOK

Starting kernel ...Uncompressing Linux.............................................................[ 0.000000] Linux version 2.6.32 (koen@dominion) (gcc version 4.3.3 (GCC) ) 0[..............]Starting GPE display manager: gpe-dm

.-------.| | .-.| | |-----.-----.-----.| | .----..-----.-----.| | | __ | ---'| '--.| .-'| | || | | | | |--- || --'| | | ' | | | |'---'---'--'--'--. |-----''----''--' '-----'-'-'-'

-' |'---'

The Angstrom Distribution beagleboard ttyS2Angstrom 2009.X-test-20100104 beagleboard ttyS2

beagleboard login: rootroot@beagleboard:~#


Rfrences

Certains slides et illustrations proviennent de Free Electrons :http://free-electrons.com/

Prsentations BeagleBoad :http://beagleboard.org/esc


http://free-electrons.com/http://beagleboard.org/esc

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