Kategoria: Linux Embedded

Przy budowie, rozwoju modyfikacji systemów wbudowanych opartych o linux embedded konieczny jest wybór tzw. toolchian’a. Powinien on być dopasowany do architektury procesora.

Czym właściwie jest toolchain?

Toolchain to zestaw narzędzi, w skład którego wchodzi m.in kompilator, linker, biblioteki, debugger. Wykorzystywany jest on do budowy bootloader’a, jądra systemu oraz systemu plików, a później też do budowy aplikacji użytkownika. Mówiąc o budowaniu mam na myśli możliwość skompilowania programów napisanych w językach: asembler, C oraz C++. Ponieważ w tych językach dostarczane są podstawowe elementy systemu. Toolchain zazwyczaj basuje na projekcie GNU GCC. Toolchain może pracować w dwojaki sposób:

• Natywnie: toolchain jest uruchamiany na tym samym typie maszyny co budowana aplikacja. Jest to znane rozwiązanie ze świata komputerów PC. 
• Cross: toolchain uruchamiany jest na innej maszynie niż zbudowana aplikacja. Czyli kompilacja aplikacji wykonywana jest na innej architekturze niż docelowa.

Zazwyczaj używane jest podejście cross. W polskiej terminologii funkcjonuje pojecie kompilacji skrośnej na to zagadnienie.  Maszyna na której uruchamiany jest toolchain do budowy aplikacji to HOST a maszyna docelowa to TARGET. Podejście takie stosowane jest głównie z takiego powodu, że maszyna host posiada znaczenie większą moc obliczeniową, oraz łatwiejszy dostęp i użytkowanie. Minusem takiego podejścia jest wymóg kompilacji skrośnej oprócz budowanej aplikacji również używanych bibliotek. Co czasem może utrudniać prace. Aby ułatwić pracę programistom powstały do tego celu specjalne narzędzia. Zazwyczaj używa się Buildroot lub Yocto. 

Toolchain powinien uwzględniać: architekturę procesora (np. x86, arm, mips), kolejność bajtów (big lub little-endian), wsparcie obliczeń zmienne-przecinkowych, ABI – Application Binary Interface – reguły współpracy między programami, bibliotekami a system operacyjnym i sprzętem.

Nazwa toolchain’a zawiera w sobie informacje o: CPU (np. Arm, mips x86_64), dostawcy toolchiain’a (np. Buildroot, poky), kernel, systemie operacyjnym(np gnu, może być dołączona też informacji o ABI). Informacje te rozdzielone są myślnikiem. Przykładowe nazwy toolchain’ów: 

• x86_64-linux-gnu
• arm-linux-gnueabihf
• arm-buildroot-linux-gnueabi

Biblioteka standardowa język C

Język C jest jeżykiem systemów operacyjnych z rodziny Unix. Biblioteka języka C jest wykorzystywana przez każdy program (nawet napisany w innym języku niż C) do komunikacji z jądrem systemu operacyjnego. Używa ona wywołania systemowe do komunikacji z kernelem. Jest interfejsem pomiędzy przestrzenią użytkownika a przestrzenią jądra. Możliwe jest ominięcie biblioteki C poprzez bezpośrednie wywołanie systemowe, ale bywa to utrudnione i zazwyczaj niekonieczne.

Dostępnych jest kilka implementacji bibilliteki C. Najbardziej popularne to:

• Glibc – biblioteka stworzona w ramach projektu GNU. Najbardziej kompletna implementacja POSIX API. 
• eglibc – wersja glibc dla embedded. Dodano opcje konfguracji, wsparcie kilku architektur. Od 2014 nie jest nadal rozwijana. Została złączona z glibc.
• uClibc – implementacja przystosowana pod systemy wbudowane. Jest ona o wiele lżejsza niż glibc. Nie implementuje ona w pełni standardu POSIX, ale można uruchomić z nią większość aplikacji współpracujących z glic. Pierwotnie powstała ona dla systemu uClinux – linux dla procesory bez jednostki zarządzania pamięci.
• musl libc – lekka implementacja biblioteki jezka C dla systemów wbudowanych
• dietlibc – podobnie jak musl libc, odchudzona implementacja biblioteki C. Zawiera najważniejsze i najcześciej używane funkcje. 

Wielkość pamięci masowej i RAM determinuje wybór odpowiedniej biblioteki języka C. Użycie dystrybucji uClinux implikuje użycie biblioteki uClibc.

Wstęp

Zastosowanie Linuxa w urządzeniach embedded jest i staje się coraz bardziej popularne. Przykładowo występuje on w urządzeniach IoT (pełniących role gateway), routerach, telewizorach, rejestratorach video oraz jądro Linuxa używa Android. Warto również wspomnieć o zastosowaniach w branży samochodowej, medycznej i różnych gałęziach przemysłu.

Dlaczego w tego typu urządzeniach używa się systemów operacyjnych? A nie na przykład oprogramowania typu bare-metal lub z wykorzystaniem systemu czasu rzeczywistego – RTOS? Po części jest to związane ze wzrostem mocy obliczeniowej procesorów. Zarówno tych stosowanych w komputerach klasy PC jak i w systemach wbudowanych. Urządzenia embedded często wykorzystują układy scalone które mają w sobie zintegrowany procesor, pamięć oraz całą gamę układów peryferyjnych tj. JTAG, regulatory zasilania, interfejsy komunikacyjne, przetworniki analogowe cyfrowe, timery itp. Są to układy typu SoC(System on Chip).

Linux posiada dobre wsparcie dla obsługi komunikacji sieciowej, Wi-FI, Bluetooth, USB, pamięci masowej oraz sterowników do urządzeń peryferyjnych. Przyspiesza to pracę w budowie urządzeń opartych o te elementy. Linux jest przesortowany, dostosowanych do różnego rodzaju architektur MIPS, x86 ARM – tak popularnej w świecie embedded.  Większość producentów układów SoC dostarcza przygotowaną dystrybucję linuxa, która zawiera obsługę peryferii danego układu. Dodatkowo dostarczają opisy jak samemu takie lub podobne modyfikacji wykonać.

Warto też wspomnieć, że linux jest open source. Dostęp do źródeł, modyfikacji,  umożliwia dopasowania systemu do konkretnego sprzętu (np pod dany SoC) oraz pod konkretne zastosowanie. W celu zwiększenia wydajności wycina się z systemu nieużywane funkcjonalności (np. nie zawsze konieczny jest interfejs graficzny – GUI). Dostęp do kodu źródłowego jądra linuxa nie jest uzależniony od dostawcy sprzętu. 

Niestety złożoność systemu, różnorodność konfiguracji, dostępnych narzędzi, paczek czy mnogość końcowych dystrybucji może wprowadzać w zakłopotanie i trudności w zrozumieniu działania. 

Linux a RTOS

Nie w każdych urządzeniu embedded linux będzie właściwym wyborem. W bardzo małych urządzenia, z małymi procesorami będzie to niemożliwe. W takich systemach wystarczy oprogramowania typu bare-metal (czyli firmware uruchomiony bez pośrednio na procesorze bez sytemu operacyjnego) lub użycie systemu czasu rzeczywistego RTOS(real-time operation system). Zastosowanie systemu operacyjnego Linux jest ograniczone w urządzenia mocno energooszczędnych czy z restrykcjami czasowymi wykonania danych funkcji.  W takim wypadku lepiej sprawdzi się RTOS.

Warto wspomnieć o różnicach pomiędzy system operacyjnym typu Linux a  RTOS. Podstawowa różnica to  przewidywalność i zachowanie reżimów czasowych. Scheduler (planista) w tym systemach przydziela czas procesora na innych zasadach. 

Linux ma Fair Scheduling 

• Dba o to by każdy wątek dostał odrobinę czasu procesora
• Czas procesora przydzielany i odbierany jest w niedeterministycznych chwilach czasu

RTOS

• W danej chwili wykonuje się jedynie najważniejszy wątek

Linux embedded części składowe

Linux embedded składa się z czterech podstawowych elementów. Są to:

• Toolchain – zawiera zestaw narzędzi (m.in kompilator, debuger) potrzebnych do tworzenia oprogramowania dla danego urządzenia (target divice). W głównej mierze zależny od architektury procesora.
• Bootloader – program inicjalizujący wstępną konfigurację procesora i niezbędnych peryferii oraz ładuje i startuje kernel Linuksa
• Kernel – serce, główna część systemu, zarządza zasobami systemowymi i dostępem do sprzętu
• Root filesystem – zawiera programy i biblioteki, które są wykorzystywane po inicjalizacji jądra