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Linux pour l’embarqué

Module E4 : Systèmes temps-réel Audrey Marchand 2005-2006

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Plan du cours

Module E4 : Systèmes temps-réel Audrey Marchand 2005-2006

Qu’est-ce qu’un système embarqué ?

Les solutions embarquées « classiques »

Linux embarqué : une solution attrayante ?

Méthodologie de création d’un système Linux embarqué

Implantation d’un Linux embarqué sur une cible

Les offres Linux embarqué

3Module E4 : Systèmes temps-réel Audrey Marchand 2005-2006


- Définition

- Caractéristiques générales

- Domaines d’applications

- Exemples


- Un système embarqué (embedded system) est un système ou un périphérique informatique qui assure une fonction dédiée et qui est généralement conçu pour être utilisé avec une application logicielle spécifique

- Synonyme : système enfoui

- Les systèmes embarqués sont en général utilisés dans un environnement matériel contraint

ex : Tableau de bord d’un véhicule géré par un programme embarqué


Définition


- Un système embarqué doit être :

- spécifique

- fiable

- sécurisé

- optimisé

- modulaire

- adaptable

- configurable

- maintenable dans le temps


Caractéristiques générales


- Produits de grande consommation


Domaines d’applications

- Electronique grand public

- Automobile

- Télécommunications

- Avionique, spatial

- Réseaux et périphériques informatiques

- Contrôle de processus industriels

- Systèmes médicaux


- Fonctionnalités embarquées dans le téléphone portable :


Exemples (1)


- Fonctionnalités embarquées dans l’automobile de demain :


Exemples (2)

Télémètre laser

Alternateur

Actionneur d’accélérateur

Badge hyperfréquence

Ecran

Caméra

Ecran de vision de nuit

Antenne

Récepteur GPS

Emetteur-récepteurinfrarouge

Batterie supplémentaire

Calculateur de navigation

Calculateur d’interfacehomme/machine

Calculateur de direction

Actionneur de direction

Calculateur de traitement d’images

Actionneur des freinsProjecteurs infrarouges


- Empreinte mémoire en fonction du type d’application embarquée :


Empreinte mémoire des systèmes embarqués

0.1 à 0.50.5 à 22 à 88 à 3264 ou plusPlusieurs centaines

Plusieurs milliers

ROMEn Mo

Moins de 0.10.1 à 42 à 88 à 3216 à 6432 à 128128 ou +RAMEn Mo

Profondément enfoui

Emb. Typique

Emb. Moyen

Emb. Gros

PC emb.DesktopServeurProduit

« Linux embarqué » – Pierre Ficheux, Edt Eyrolles, 2000



- VxWorks

- Windows CE

- pSOS+

- QNX

- Nucleus

- µC/OS II

- eCOS

http://www.windriver.com

http://www.qnx.com

http://www.ucos-ii.com

http://www.microsoft.com/windows/embedded

http://www.acceleratedtechnology.com

http://ecos.sourceware.org

http://www.windriver.com


- Distribué par Microsoft


Windows CE

- Performances (Pentium 200MHz) :

- Temps moyen de changement de contexte : 34.4 µs- Temps moyen de latence aux interruptions : 9.5 µs

- Caractéristiques :

- Variante du système d’exploitation Windows pour les systèmes embarqués

- cibles supportées : ARM, MIPS, PowerPC, SH, x86

- conforme à la définition d’un OS temps-réel (temps de latence aux interruptions déterministe)


- Distribué par Accelerated Technology Inc.


Nucleus

- Caractéristiques :

- Système d’exploitation temps-réel

- Gratuit et livré avec les sources

- Cibles supportées : 68k, x86, ARM, ColdFire, DSP, SH, MIPS, PowerPC, SPARC, MicroBlaze, Xscale, …

- Le noyau inclut :

- une couche TCP/IP- une interface graphique- un navigateur Web- un serveur HTTP



eCOS

- eCOS : embedded Configurable Operating System

- Système d’exploitation temps-réel conçu pour les applications embarquées

- Gratuit

- cibles supportées : ARM, CalmRISC, FR-V, H8, IA32, M68K, MatsushitaAM3x, MIPS, NEC V8xx, PowerPC, SPARC, SuperH

- Depuis mai 2002 : distribué sous la eCos Licence (GPL-compatible Free Software License)

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Linux embarqué, une solution attrayante ?

- La position des industriels vis-à-vis du marché

- Linux pour l’embarqué

- Positionnement de Linux sur le marché de l’embarqué



Position vis-à-vis des licences propriétaires

Snapshot of the Embedded Linux market

La position des industriels vis-à-vis du marché

- Consentez-vous à payer des royalties pour un OS embarqué ?

en 2005en 2004en 2003



Position vis-à-vis des services offerts

Snapshot of the Embedded Linux market


- Consentez-vous à payer pour un support/service de développement ?

en 2005en 2004en 2003



Facteurs influant sur le choix d’un OS embarqué


Snapshot of the Embedded Linux market - March, 2004



Facteurs influant sur le choix de Linux pour l’embarqué




Quelques dates clés


- 1999 : Linux embarqué apparaît pour la 1ère fois officiellement à une exposition Linux World

- 2000 : création du consortium Linux embarqué (Embedded Linux Consortium) regroupant :

- des éditeurs de distributions Linux

- des éditeurs de systèmes temps-réel propriétaires

- des fabricants de composants



Description


- Linux embarqué est une adaptation du noyau Linux à un système embarqué

- Les fonctionnalités du noyau Linux embarqué sont adaptées aux capacités du système embarqué :

- Moins de mémoire requise

- Moins de services disponibles

- Boot depuis une mémoire ROM (FLASH)

- Pas de clavier ou de souris requis

- Une version de Linux embarqué peut être configurée « à la carte » pour fonctionner sur une plateforme donnée



Points forts de Linux pour l’embarqué (1)


- Faible coût

- Fiabilité

- Performances

- Ouverture

- Portabilité

- Modularité

- Adaptabilité

- Configurabilité



Points forts de Linux pour l’embarqué (2)




Points faibles de Linux pour l’embarqué (1)


- Méconnaissance des licences

- Crédibilité de l’open-source

- Support technique

- Support temps-réel

- Outils de développement



Points faibles de Linux pour l’embarqué (2)




Distribution des parts du marché

Positionnement de Linux sur le marché de l’embarqué

- Quel système avez-vous utilisé pour vos applications embarquées ces 2 dernières années ? Lequel utiliserez-vous ces 2 prochaines années ?

Snapshot of the Embedded Linux market - May, 2005



La place croissante de Linux embarqué

- Utilisation (actuelle et envisagée) de Linux sur ces 5 dernières années :





La progression de l’usage de Linux embarqué

- Croissance estimée du marché Linux embarqué :

VDC (Venture Development Corporation) market research - August, 2004




- Les distributions Linux classiques

- Les distributions Linux embarqué commerciales

- Les distributions Linux embarqué libres

- La répartition des distributions sur le marché

- Quelques exemples de produits utilisant Linux



Les distributions classiques

Les distributions Linux classiques

- Debian http://www.debian.org

- RedHat http://www.fr.redhat.com

- Mandrake http://www.linux-mandrake.com

- SuSe http://www.suse.de/fr

- Slackware http://www.slackware.com

- Installation d’une version « édulcorée » d’une distribution classique pour del’embarqué haute disponibilité (taille RAM > 64Mo, taille ROM >150Mo)



Les revendeurs commerciaux en Linux embarqué

Les distributions Linux embarqué commerciales

- Montavista (Montavista Linux)

- Metrowerks (Creation Suite for Linux)

- LynuxWorks (BlueCat - BlueCat RT)

- RedHat (Embedded)

- FSMLabs (RTLinuxPro)

- TimeSys (Linux RT)

- Koan (Klinux)

- REDSonic (REDICE-Linux)

- VxWorks (Commercial Grade Linux)



Répartition de l’usage des distributions Linux commerciales

Les distributions Linux embarqué commerciales




Les distributions Linux embarqué libres


- RTAI

- RTLinuxFree

- KURT

- OpenEmbedded

- µClinux

- Embedded Debian Project

- PeeWee Linux

- EtLinux



Répartition de l’usage des distributions Linux libres





Répartition de l’usage de l’ensemble des distributions Linux

La répartition des distributions sur le marché




Produits à base de Linux embarqué (1)

Quelques exemples de produits utilisant Linux

- Phatnoise PhatBox -- un autoradio avec disque dur

- D-Link MediaLounge DSM-320 -- un lecteur multimédia sans fil

- iRiver PMC-120 -- un lecteur multimedia portable

- Linksys Wireless-G WRT54G -- Routeur sans fil-G à haut débit



Produits à base de Linux embarqué (2)

Quelques exemples de produits utilisant Linux

- Motorola E895 -- un téléphone mobile tri-bande GSM, GPRS et EDGE

- Nokia 770 Internet Tablet -- un PDA-tablet PC

- Tivo Series 2 -- un magnétoscope numérique

-TomTom GO -- un navigateur GPS pour automobile


Méthodologie de création d’un Linux embarqué *

- Méthodologie générale

- Rappels sur la structure de Linux

- Construction du système de base

* d’après « Linux embarqué » – Pierre Ficheux, Editions Eyrolles, 2000


Méthodologie de création d’un Linux embarqué

Généralités

Rappels sur la structure de Linux

- Un système Linux est composé de 3 parties :

- le noyau (kernel)

- la libc, bibliothèque principale pour les applications

- les applications (ou commandes)

- le bootstrap, programme (chargeur) de démarrage

- Le système Linux est chargé en mémoire grâce à un logiciel situé dans le MBR :



La séquence de démarrage


- chargement du système par un chargeur de démarrage (ex: LILO, GRUB)

- chargement du noyau Linux

- lancement du programme d’initialisation /sbin/init

- exploration du fichier /etc/inittab contenant le chemin d’accès au script de démarrage final du système

- Elle est toujours la même :



Les répertoires principaux


- /bin : principales commandes utilisateur

- /boot : noyaux et chargeurs du système

- /dev : pseudo-fichiers des pilotes (devices)

- /etc : fichiers de configuration

- /lib : bibliothèques partagées et modules

- /mnt : points de montages

- /opt : applications externes

- /sbin : principales commandes système

- /tmp : fichiers temporaires

- /usr : hiérarchie secondaire

- /var : données variables



Différentes méthodes de construction

Méthodologie générale

- Distribution standard

- LFS : Linux From Scratch

- LFS sur la base d’une distribution standard

- Utilisation d’une distribution GNU/Linux du commerce

- Pb : espace disque conséquent (minimum 100Mo)

- Construction du système GNU/Linux en se basant

uniquement sur les sources des programmes

- Investissement important

- Construction du système en se basant sur les applications d’une

distribution standard



LFS sur la base d’une distribution standard

Construction du système de base

- Etapes clés de construction à partir d’une distribution standard :

1) Assimiler le fonctionnement du système Linux

2) Extraire les éléments essentiels du système

3) Assemblage des composants pour la construction de la cible finale



Les différentes phases de construction


- Création des répertoires

- Création des nœuds sur /dev

- Remplissage de /bin et /sbin

- Création des bibliothèques sur /lib

- Remplissage du répertoire /etc

- Configuration du noyau

- Compilation du noyau

- Installation du noyau



Création des répertoires


- Création d’un certain nombre de répertoires indispensables :

/bin /boot /dev /etc /lib /proc

/root /sbin /tmp /usr /var

- Création d’un certain nombre de répertoires utiles :

/usr/lib/kdb/keytables

/var/log /var/run

/etc/sysconfig



Création des nœuds sur /dev


- /dev : regroupe les points d’entrées (nœuds) vers le matériel :

- /dev/cdrom : accès au lecteur CD

- /dev/fd0 : accès au lecteur de disquettes

- /dev/hdaN : accès à la Nième partition du disque dur maître

- /dev/hdbN : accès à la Nième partition du disque dur esclave

- /dev/sda1 : accès au port USB

- /dev/mouse : accès à la souris

- /dev/console : accès à un terminal Linux



Remplissage de /bin et /sbin


- Copie des programmes indispensables au démarrage d’un système minimal :

/sbin/init

/sbin/update

/bin/mount

/bin/rm

/bin/sh



Création des bibliothèques sur /lib


- Création des bibliothèques partagées utilisées par les commandes précédentes

utilisation du script automatique mklibs.sh issu du projet DEBIAN

- crée un graphe des dépendances de l’arborescence des exécutables et des librairies

- crée une version des librairies débarrassée des modules inutiles



Remplissage du répertoire /etc


- La version minimale du répertoire /etc contient les fichiers suivants :

/etc/termcap

/etc/inittab

/etc/rc.d/rc.S

/etc/fstab

/etc/lilo.conf



Configuration du noyau (1)


# make xconfig





- Configuration générale :





- Choix du processeur cible :





- Choix des systèmes de fichiers supportés :



Compilation du noyau


- Construction des dépendances des fichiers :

- Compilation du noyau :

- Compilation des modules chargeables dynamiquement :

# make dep

# make bzImage

# make modules



Installation du noyau


- Installation des modules chargeables dynamiquement :

- Installation du noyau dans le répertoire /boot :

# make modules_install

- copie du noyau compressé bzImage

- copie du fichier System.map (listes des adresses internes du noyau)



- Transfert du Linux embarqué sur la cible

- Configuration du chargeur de démarrage LILO

- Création d’une disquette de démarrage

- Implantation finale sur le système cible



Configuration de LILO (LInux LOader)

Configuration du chargeur de démarrage LILO

- LILO est configurable par un fichier unique /etc/lilo.conf :

boot=/dev/hda

map=/boot/map

install=/boot/boot.b

prompt

timeout=50

default=monlinuxembarque

image=/boot/bzImage

label=monlinuxembarque

read-only

root=/dev/hda2

- La validation de la configuration s’effectue par l’appel de commande /sbin/lilo



Transfert du système sur la cible

Transfert du Linux embarqué sur la cible

- Copie de l’arborescence créée sur le système hôte, vers le système embarqué :

# cp –Rdp source destination

Gestion correcte des fichiers

spéciaux (/dev)

Préservation des liens symboliques

Conservation des caractéristiques des fichiers

originaux



Création d’une disquette bootable

Création d’une disquette de démarrage

- Copie de l’image du noyau sur la disquette :

# dd < /boot/bzImage > /dev/fd0

- Spécification de l’emplacement du système de fichier principal sur le système embarqué :

# rdev /dev/fd0 /dev/hda3

# rdev –R /dev/fd0 1

- Montage du système de fichier principal en lecture seule :



Implantation d’un système cible bootable

Implantation finale sur le système cible

- Ecriture de la configuration dans le secteur de démarrage du système cible :

# lilo

- La création et l’implantation du système Linux embarqué sont terminées !


Références

- Portail communautaire général : http://www.realtimelinux.org

- Portail Linux embarqué : http://www.linuxdevices.com

- Portail plus jeune : http://www.realtimelinuxfoundation.org

- RTAI : http://aero.polimi.it/projects/rtai

- Portail communautaire RTAI : http://www.rtai.org

- RTLinuxPro : http://www.fsmlabs.com

- Portail communautaire RTLinuxFree : http://www.rtlinuxfree.com

- Linux Trace Toolkit : http://opersys.com/LTT

- Logiciel Libre : http://www.openresources.com

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