Embarcado

Sistemas Embarcados com Linux – primeiros passos
© Copyright 2008, Marcelo Barros de Almeida
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Sistemas
embarcados com Linux
- primeiros passos -
Eng. Dr. Marcelo Barros de Almeida
marcelobarrosalmeida@gmail.com
Smar Equipamentos Industriais LTDA

2
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Correções, sugestões e traduções são
bem vindas!

3
Marcelo Barros ?
● Formação:
● Engenheiro eletrônico (EFEI, 1996)
● Mestre (UFMG, 1998)
● Doutor (UFMG, 2002)
● Atualmente:
● Engenheiro (Smar Equip. Industriais LTDA)
● Professor do Barão de mauá
● Detalhes, currículo, blogs:
http://linuxabordo.com.br/wiki/index.php?title=Marcelo_Barros
http://jedizone.wordpress.com
http://twitter.com/marcelobarros
smar

4
Sistemas embarcados
com Linux
● Introdução
– Definição e exemplos de sistemas embarcados
– Mercado
– Linux tradicional x Linux embarcado
– Vantagens e cuidados
● Pré-requisitos
● Criando sistemas embarcados
● Créditos, agradecimentos e links

5
Definição de sistema embarcado
?
● O que exatamente significa “sistema embarcado” ?
– Definição da Wikipedia: “um computador de propósito especial, que é
completamente encapsulado pelo dispositivo que controla”.
● Definição muito abrangente. Algumas dicas:
– Propósito específico
– Microprocessado/Microcontrolado
– Aplicação em ROM/Flash
– Restrições de consumo ou tamanho são freqüentes
– Requisitos de tempo real também

6
Exemplos de sistemas embarcados
● Estamos rodeados de sistemas embarcados:
– Alarmes automotivos, sistemas de airbag e ABS, computadores de
bordo, injeção eletrônica, GPS
– Máquinas de lavar, microondas, DVD/Media players, TV Digital
– Calculadoras, videogames, PDAs
– Semáforos, câmeras de vigilância, radares
– Equipamentos para rede (roteadores, switches, modems)
– Telefones celulares, centrais telefônicas
– Equipamentos de controle industriais
● Existem muito mais processadores sendo usado em sistemas
embarcados do que em PCs

7
– pequenos: com apenas alguns kb de RAM e
poucas dezenas de kb de memória não volátil
(programa).
● Ex: processadores MSP430 (Texas Instruments),
com 1 kb de RAM e 60Kb de flash.
– médios: algumas centenas de kb de memória
para programa, dezenas de kb de RAM.
● Ex: inúmeros processadores, como a linha
Coldfire (Freescale) ou mesmo AVR (Atmel).
– grandes: memória não volátil já em megabytes e
RAM na casa das centenas.
– extra-large: dezenas de MB de flash e de RAM.
● Vários fabricantes, principalmente baseados em
processadores ARM, PowerPC e x86.

8
com Linux
PDA Sharp Zauro SL-C3100
Multimídia Archos PMA400
Telefone VoIP WiFi Accton VM1188T
Telefones celulares
Roteador Linksys WTR54G
GPS
Relógio
Tablets DVDs
Robôs

9
Linux embarcado na telefonia celular
● Mercado aquecido, com
grandes empresas apostando
em Linux
– Google/HTC (Android)
– Motorola
– Nokia (Maemo/Trolltech)
– NEC
– Panasonic
● Fundações privadas (LiMo) e
abertas (Open Moko) gerando
especificações e SDKs
57,1%
17,4%
12,0%
7,3%
2,8%2,3%1,1%
Mercado de Smartphones
Symbian RIM Windows Mobile Linux
Mac OS X Palm OS Others
fonte: http://www.linuxdevices.com/news/NS8289089946.html

10
Nem tudo é x86 no mundo de sistemas
embarcados ...
Quais foram as CPU usada nos seus projetos recentes ?
Fonte: pesquisa espontânea realizada por linuxdevices.com (http://linuxdevices.com/news/NS5319577519.html)

11
Nem tudo é fechado no mundo de
sistemas embarcados ...
Fonte: http://www.linuxdevices.com/news/NS4920597981.html
- Linux:18%
- eCos, BSD, FreeRTOS, and TinyOS: 5%

12
Mas ser aberto não significa
ser sempre de graça ...
fonte: http://www.embedded.com/products/softwaretools/210200580

13
Linux tradicional x Linux Embarcado
Kernel Linux
Biblioteca GNU C
libjpeg, libstdc++, libxml, libvorbis...
ls, vi, wget, ssh, httpd, gcc...
Navegador web, escritório, multimídia...
Utilitários de
linha de
comando
Kernel
Biblioteca C
Bibliotecas
compartilhadas
Interface
com o usuário
GNU Tradicional / Sistema Linux Sistema Linux embarcado
uClibc
Muito mais leve
do que a
biblioteca C GNU!
libjpeg, libstdc++, libxml, libvorbis...
busybox
(ls, vi, wget, httpd...)
dropbear (ssh)...
Implementações
muito mais leves!
Sem ferramentas de
desenvolvimento.
Kernel Linux / uClinux (sem MMU)
Interface personalizada
Kernel leve, somente
com as características
necessárias e drivers
Kernel completo com a
maioria das características e com
drivers para todo tipo de hardware
de PC do planeta!!
Gráficos,
navegador web,
servidor de web.

14
Vantagens de Linux embarcado
● Qualidade do código
● Footprint relativamente pequeno:
– Kernel: 0,5 – 2MB de flash
– Sistema de arquivos: variável
– Mesmo assim, pode ser grande para algumas
aplicações
● Portabilidade e escalabilidade
● Grande número de aplicativos disponíveis
● Possibilidade de custos reduzidos
● Suporte
– Fórum, listas, email, FAQs, exemplos, suporte comercial
disponível.
Use the sources you
must, Luke

15
Cuidados com Linux embarcado
● Linux é um sistema de propósito geral !
● Existem muitas opções de aplicativos, requer
análise refinada
● Sistema em evolução constante
● Faça análises imparciais, evite o
deslumbramento
● O formato das licenças deve ser verificado
sempre

16
Licenças e Linux embarcado
GPL2:
You may copy and distribute the
Program (or a work based on it ...) ...
provided that you ... accompany it with
the complete corresponding machine-
readable source code ...
Kernel Linux é GPL2, mas ...
This copyright does *not* cover user
programs that use kernel services by
normal system calls - this is merely
considered normal use of the kernel,
and does *not* fall under the heading of
"derived work" ... (Linus Torvalds)
Lesser GPL (LGPL):
We use this license for certain libraries
in order to permit linking those libraries
into non-free programs ... As an
exception ... you may also combine or
link a "work that uses the Library" with
the Library to produce a work
containing portions of the Library, and
distribute that work under terms of your
choice, provided that the terms permit
modification of the work for the
customer's own use and reverse
engineering for debugging such
modifications ...

17
Licenças e Linux embarcado
● GPL3
– Fortemente contra o DRM (Digital Rights
Management)
– Inibe o uso de patentes
– Contra a “Tivoization”
– Até o momento, o Linux é GPLv2
● Alternativas:
– Uma lista interessante em:
http://debianlinux.net/os.html
– NetBSD
– eCos (médio)
– freeRTOS (pequeno)
St. IGNUcius

18
Sistemas embarcados com Linux
● Introdução
● Pré-requisitos
– Conhecimentos necessários
– Equipamento necessários
– Fazendo escolhas

19
Conhecimentos necessários:
Kernel Linux
● Linux
– Operação e funcionamento do sistema Linux
– Inicialização na plataforma desejada
– Conhecimento da estrutura do Kernel
– Compilação e instalação do Kernel
● Alguns detalhes do Linux*:
– Versão 2.6.12.5:
● ~ 189MB
● ~ 4,686 milhões de linhas
● ~ 468 desenvolvedores
* A study of Linux kernel evolution, Oded Koren, ACM SIGOPS Operating Systems Review, Volume 40 , Issue 2, pag. 110-112

20
ferramentas
● Compiladores cruzados (toolchains)
– Portes do GCC para a plataforma desejada (binutils/glibc/GCC/GDB,...)
– Download de toolchains pré-compilados ou compilação (pode ser facilitada
com buildroot, CrossTool, OpenEmbedded, Scratchbox, T2 Project ...)
● Emuladores
– Qemu (x86/ARM/PPC/MIPS/Sparc)
– Específicos: Skyeye/Softgun/SWARM (ARM), Coldfire emulator
● Outros
– Conhecimentos de redes (Configuração, TFTP, NFS, ...)
– Uso de aplicativos como minicom (console serial), hexdump, conversores
– Controle de versão (CVS/Subversion/Git), patches, diffs, Makefiles, etc

21
programação
● Programar em C é obrigatório
● Assembly para a plataforma desejada pode ser necessário
● Um pouco de shell script não faz mal a ninguém
● Desenvolvimento de módulos e device drivers pode ser
necessário
● Bônus track:
– HTML, servidores HTTP
– CGI e scripts (Python, PHP, Perl, etc)
– Java

22
Equipamentos necessários
● Estação de trabalho Linux
● Plataforma embarcada
● Equipamento para debug
● Cabos (serial e ethernet)
● Switches
Imagem: nbpfaus.net/~pfau/pictures/MyWorkstation.jpg

23
Configuração típica
Cabo ethernet
(crossover)
Cabo serial
Software: NFS, TFTP, compiladores,
editores, consoles seriais, etc.

24
Equipamentos necessários:
plataforma embarcada
● Principais alternativas para a plataforma embarcada
– Desenvolver tudo antes no desktop e recompilar depois para o
sistema desejado
– Emulação: Qemu ou outro emulador específico
– PC (ATX, mini-ITX, nano-ITX)
– PC/104
– SBC (Single Board Computers)
– Hardware hackeado (PDAs, celulares, MP3 players, roteadores, set
top boxes, vídeo games, relógios, etc)
– Hardware proprietário

25
Alguns form-factors para
http://www.linuxdevices.com/articles/AT2614444132.html
http://www.via.com.tw/en/products/mainboards/

26
Exemplo de SBC:
Atmel NGW100
● Processador Atmel AVR32, 32AP7000, industrial,
150Mhz máximo e 210DMIPS.
● Dois controladores ethernet (34Mbits/s de
performance)
● 32MB de SDRAM, 16MB de flash (8MB paralela e
8MB serial)
● Conector para cartões SD/MMC
● USB, JTAG, conectores para expansão
● Toolchain e kernel Linux com suporte a todos os
periféricos
● Esquemáticos, gerber files
● Aproximadamente 80 dólares

27
Exemplo de SBC:
Beagleboard
● Core ARM Cortex-A8 (1200 DMIPS) e cache L2
256KB com acelerador gráfico 2D/3D, da Texas
Instruments
● DSP TMS320C64x+ (HD video e
processamento de sinais até 430MHz)
● 128MB Ram e 256MB Flash
● I2C, I2S, SPI, MMC/SD (via conector de
expansão)
● DVI-D, JTAG, S-Video, SD/MMC+
● Stereo Out, Stereo In
● USB 2.0 HS OTG, Serial RS-232
● Aproximadamente 150 dólares

28
● Hardware proprietário pode ter custo elevado:
– Projeto do circuito eletrônico
– Layout da placa
– Confecção do PCB (Printed Circuit Board) e montagem
– Instrumentação (osciloscópios, analisadores lógicos, multímetros,
estações de soldagem)
– Integração hardware x software
– Mecânica (caixas, fixação, conectores, etc)
– Certificação, quando necessário
● Avaliar sempre o custo do investimento

29
debug
● Se o seu kernel roda sem problemas, o GDB remoto resolve a
depuração dos aplicativos. Caso contrário ...
● JTAG (Joint Test Action Group)
– Permite debug da plataforma através de uma interface simples, geralmente
via porta paralela, USB ou ethernet (ICE-In Circuit Emulation), desde que o
chip tenha suporte ao JTAG
– Custo baixo, alguns podem ser feitos em casa
– Breakpoints, inspeção de memória, execução passo a passo, acesso a
registros, etc
● BDM (Background Debug Mode)
– Funcionalidade ICE similar ao JTAG, empregado pela Motorola
● Emuladores (via hardware)
– Equipamentos que emulam o processador/microcontrolador. Caros.

30
Fazendo escolhas:
plataforma e suporte
● Várias plataformas existentes:
– ARM (vários fabricantes, longa busca...)
– Coldfire (Freescale)
– PowerPC (Freescale/IBM/Apple)
– x86 fanless (Geode/Alchemy da AMD, Celeron M da Intel, Eden da
VIA)
– MIPS (MIPS)
– AVR/AVR32 (Atmel)
● Suporte
– Comercial x comunitário

31
Fazendo escolhas:
distribuições
● Distribuições comerciais
– Montavista
– TimeSys
– LinuxWorks
– WindRiver
– SnapGear
– SysGo
– Koan
– ...
● Distribuições livres
– uClinux
– Emdebian
– Embedded Gentoo
– Embedded/Mobile Ubuntu
– OpenEmbedded
– Familiar
– LTIB (Freescale)
– T2 SDE
– Intel Moblin
– <Ponha seu nome aqui>

32
Fazendo escolhas:
suporte a tempo real
● Suporte a tempo real:
– Comercial:
● RTLinuxPro (Antes FMSLabs, agora Wind River)
● MontaVista
– Open source:
● RTLinux Free (Wind River, licença dual)
● RTAI (Usando Adeos, livre de patentes agora)

33
Fazendo escolhas:
interfaces gráficas
● Várias sistemas gráficos:
– Qtopia
– DirectFB
– Matchbox
– SDL
– FLTK
– MiniGUI
– Nano-X (Microwindows)
Referências: http://www.linuxdevices.com/articles/AT9202043619.html
http://www.linuxjournal.com/article/9403

34
Fazendo escolhas:
interfaces gráficas
Qtopia
Frame buffer
Linux
Qt/Embedded
Frame buffer x Xlib:

35
Em teoria, não existe diferença
entre teoria e prática...
● I'm too young to die
– Target igual (x86), toolchain e kernel prontos para a CPU/placa
● Hey, not too rough
– Target diferente, toolchain e kernel prontos para a CPU/placa (kits)
● Hurt me please
– Target diferente, toolchain portado, porte do kernel para a
CPU mas com novos periféricos na placa (drivers)
● Ultra-violence
– Target diferente, toolchain e porte do Linux “quase” prontos (CPU parecida)
● Nightmare
– Target diferente, sem toolchain portado nem Linux para a CPU/placa (de preferência
SoPC/FPGA)
Imagem: www.idsoftware.com/

36
● Introdução
● Pré-requisitos

37
Criando sistemas embarcados
Com tudo definido, é hora de aprender novas lições:
● Conceito 1: execução em RAM
● Conceito 2: bootloader
● Conceito 3: rootfs
● Conceito 4: init

38
Conceito 1: execução em RAM
● O programa, armazenado em flash, em geral é descompactado para a
RAM. Depois, a execução é transferida para a RAM.
– O custo da memória flash por megabyte é maior
– A velocidade da RAM é bem superior
– O programa pode ser armazenado compactado em flash
– É necessário um bootloader (programa de carga)
● Atenção com processadores sem MMU:
– A memória é compartilhada por aplicativos e pelo próprio kernel. A falha em um
aplicativo pode comprometer o kernel em processadores sem unidade de
gerenciamento de memória (MMU)
● Executando direto da flash com XIP (eXecution In Place):
– http://elinux.org/Kernel_XIP
– http://axfs.sourceforge.net/

39
Conceito 2: bootloader
● Usado para inicializar o sistema operacional e também a
configuração inicial da plataforma em uso
● Geralmente agrega outras tarefas, como descompactação,
boot remoto via rede ou serial, operações com a flash, etc
● Alguns exemplos:
– Das U-Boot: PPC, ARM, AVR32, MIPS, Coldfire, ...
– MicroMonitor: ARM, ColdFire, SH2, 68K, MIPS,
PowerPC, XScale ...
– redBoot: ARM,x86,MIPS,PPC, SHx ....
– Grub/Lilo: x86, boot do Linux, Windows, etc.
– Outros: blob, SmartLoader, colilo, etc.
Imagem: http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20060908/247572/zu1.jpg

40
Conceito 3: rootfs
● O kernel está pronto, mas e o restante das aplicações ? De onde elas serão
lidas ? Rootfs !
● O rootfs é o sistema de arquivo inicial do Linux. Pode ser um arquivo cpio/etx2
(comum em aplicações embarcadas), uma partição (geralmente sistemas não
embarcados) ou ainda via rede (NFS, por exemplo).
● No momento do boot, o parâmetro “root=” é passado para o Linux, indicando ele
irá encontrar o sistema de arquivo inicial. Exemplos:
– root=/dev/hda1
– root=/dev/ram0 rootfstype=ramfs
– root=/dev/mtdblock1 rootfstype=jffs2
● O busybox pode ser uma boa alternativa para popular o rootfs, emulando vários
aplicativos tradicionais do Linux. Pode usar a biblioteca uClibc, bem menor que
a glibc.

41
Conceito 4: init
● Após montar o rootfs, o kernel executa o programa
init (ou outro, caso seja usado o parâmetro “init=”).
Também procura por linuxrc.
● Este é o primeiro programa executado e irá fazer a
inicialização do sistema. O arquivo /etc/inittab dá as
diretrizes de como isto deve ser feito.
● Máquinas com versão completa do Linux podem ter
esquemas diferentes quando são usados módulos
externos que precisam ser carregados antes do
rootfs (esquema kernel  initrd  rootfs).
Arquivo
initrd
Diretório
rootfs
mount

42
Criando um sistema mínimo
com sash e Linux
● O que é necessário num sistema mínimo com Linux ?
– O sistema operacional (kernel Linux)
– Sistema raiz (rootfs), com aplicativo(s) e
bibliotecas
● Sistema mínimo com sash
– sash = static linked shell (sem libc!)
– /dev/console (necessário para o kernel)
– /dev/hda (necessário para o qemu/kernel)
– /bin/sash: processo a ser executado
Qemu
Kernel
rootfs
(sash,dev)
init=/bin/sash

43
com sash e Linux
● Compile um kernel monolítico
● Crie um arquivo vazio e formate-o como ext2
– dd if=/dev/zero of=rootfs.img bz=1024k count=1
– /sbin/mkfs.ext2 -i 1024 -m 0 -F rootfs.img
● “Monte” este arquivo num diretório temporário
– mount -o loop rootfs.img rootfs
● “Popule” este diretório:
– Dispositivo do terminal: /dev/console
– Prompt de comandos (shell) e suas dependências
– Script de partida: /bin/sash
● Execute o qemu para iniciar a emulação
Arquivo
initrd
Diretório
rootfs
mount

44
com sash e Linux: melhorias
● uClibc:
– Restrições menores de licença (LGPL 2)
– Footprint pequeno com quase a mesma funcionalidade da glibc
– http://www.uclibc.org
● Busybox
– Versões reduzidas de utilitários Unix em um único executável, bastante
modular e configurável
– Aceita também uClibc
– Suporta outras plataformas via GCC cross compiler
– http://busybox.net/
● Deve-se ter um toolchain construído com a uClibc

45
● Introdução
● Pré-requisitos

46
Projetos de construção do sistema
● buildroot: http://buildroot.uclibc.org/
● Scratchbox: http://www.scratchbox.org/
● Croostool: http://www.kegel.com/crosstool/
● T2 Project: http://www.t2-project.org
● Podem gerar do zero, usando a uClibc:
– Cross compiler
– Rootfs
– Linux kernel
● Várias plataformas suportadas (x86, ARM, PPC, MIPS ...)

47
Links
● Linux a Bordo: http://linuxabordo.com.br
● Linux Devices: http://linuxdevices.com
● Free Electrons: http://free-electrons.com
● ucdot: http://ucdot.org
● Qemu: http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/
● Busybox: http://www.busybox.net/
● Code sourcery: http://www.codesourcery.com/
● avr32fs: http://code.google.com/p/avr32fs/wiki/MainPage
● Das U-Boot: http://www.denx.de/wiki/UBoot

48
Agradecimentos
● Ao Michael Opdnacker, por deixar público excelente material sobre
Linux embarcado, algumas parte usadas aqui: http://free-electrons.com
● Ao projeto Open Cliparts: http://openclipart.org
● Ao projeto Open Office pelos excelente programas

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