embedded linux systeme - ginzinger electronic systems · 2019. 8. 26. · linux:...

Vorstellung Einführung Embedded Linux Systeme Ginzinger Embedded Linux Ende

Embedded Linux Systeme

Ing. Manfred Schlägl

Ginzinger electronic systems GmbH

18.04.2013

[email protected]

Ing. Manfred Schlägl Ginzinger electronic systems GmbH

Embedded Linux Systeme 1

mailto:[email protected]



1 VorstellungGinzinger electronic systems GmbHIng. Manfred Schlägl

2 EinführungOpen Source und GNU/LinuxEmbedded Systeme

3 Embedded Linux SystemeSkalierbarkeitEchtzeit in Linux

4 Ginzinger Embedded LinuxHardwareembedded Linux Distribution � GELinHerausforderungen in Entwicklung und Produktion

5 EndeLiteratur und Web-Links






www.ginzinger.com

Gründung 1991 durch Ing. Herbert Ginzinger

ca. 80 Mitarbeiter



www.ginzinger.com



Branchen

Medizintechnik

Heizungsbranche

Verkehrs- undSicherheitstechnik

Maschinenbau





Leistungsspektrum

Entwicklung maÿgeschneiderterelektronischer Baugruppen, von derProduktidee bis hin zur SerienfertigungFertigung

Bauteil- und Materialbescha�ungBauteilebestückung in Misch- und SMDTechnologieMontage von Komplettgeräten undBaugruppenumfangreiche Testeinrichtungen(Incircuit-Tester, AOI,...)





Leistungsspektrum

Embedded solutionsLinux-Echtzeitbetriebssystemmaÿgeschneidert nach KundenwunschVielzahl an gra�schen Benutzerschnittstellen

LeistungselektronikEnergieeinsparung bei Geräten/Produkten mithohem Stromaufwand z.B. beiBeleuchtungsanlagen






HTBLA Braunau am Inn

Seit 2006 bei Ginzinger electronic systems

Seit 2013 am Standort LinzBetätigungsfeld:

System-Konzeption und Software-Entwicklung.Embedded Linux Entwicklung: Konzeption, Bootloader,Kernel, Distribution, . . .uC-Entwicklung: Konzeption, Betriebssysteme, Treiber, . . .Bus-Systeme und NetzwerkeKunden-ProjekteProjektplanung und -management

Studium der Informatik an der JKU Linz




Open Source und GNU/Linux










Was ist Open Source?

Source-Code ist verfügbar und kann frei verwendet werden.

Frei wie in Freiheit, nicht wie in Freibier.

Zahllose Lizenzen � bekanntester Vertreter: GNU (L)GPL:(Lesser) General Public LicenceSoftware kann frei verwendet, modi�ziert und auch verkauft werden.Copyright bleibt immer beim Autor.Abgeleitete Software muss wieder unter GPL gestellt werden.

GPL .. dynamische und statische gelinkte Programme gelten als

abgeleitet.

LGPL .. nur dynamisch gelinkte Programme gelten als abgeleitet.





Was ist GNU?

GNU � GNU's Not Unix

1983 von Richard Stallman ins Leben gerufen.

Ziel: Vollständig verwendbare Freie Unix-Variante mit allenWerkzeugen.

Erstes GNU-Programm: Texteditor EMACS von RichardStallman.





Was ist Linux?

1991 von Linus Torvalds als Terminal-Programm gestartet.Erst als Lernprojekt für Intel 80386, dann freier Klon desakademischen Betriebssystems Minix von AndrewTannenbaum.Monolithischer Kernel statt Mikrokernel-Ansatz.1994 Linux-1.0 mit vollständiger TCP/IP-Unterstützung.Aktuelle Version: Linux-3.8 (Stand: 18.04.2013)





Was ist GNU/Linux?

GNU: Vollständiger Userspace, Lizenzmodel(GPL) aber kein(verwendbarer) Betriebssystem-Kern

Linux: Betriebssystem-Kern, aber keine Unix-Userspace.

Kombination um 1992 � Linux-Kernel wurde unter die GPLgestellt.Namens-Streit Linux vs. GNU/Linux

Bei einigen Distributionen wird sehr wenig GNU-basierende Softwareverwendet.Die Bezeichnung Linux wird aus Pragmatismus verwendet.




Embedded Systeme









Embedded Systeme

Herausforderungen

begrenzte Ressourcen(Platz, Rechenleistung, Speicher, Energie, . . . )

Schnittstellen zur physischen Umwelt

Kommunikation und Vernetzung

Echtzeit Anforderungen

Multimedia Anforderungen

Einbettung in komplexe Gesamt-Systeme

Kosten (Entwicklung und Produktion)




Embedded Systeme

Warum ein Betriebssystem?

Generalisierung / Abstraktion

Verlässliche Basis

Plattform-unabhängige Software bzw. Code

komplexe Systeme(Treiber, Ressourcen-, Power -management, . . . )

Connectivity and Communications (Kommunikations-Stacks)

Mehrsprachigkeit und Internationalisierung

Multimedia (Audio, Video, . . . )

Dokumentation




Embedded Systeme

Warum GNU/Linux als Betriebssystem?

Open source Software und Entwicklungs-ToolsUnbegrenzter Einblick (Fehlersuche, . . . )Hersteller-UnabhängigAnpassbarKooperative Weiterentwicklung

Umfangreiche Literatur

Umfangreiches Software-Angebot

Stabile Schnittstellen

Security

Skalierbarkeit

optional Echtzeit




Skalierbarkeit









Skalierbarkeit

Embedded Linux auch auf kleinsten Geräten

Beispiele:

IBM Uhr 2002 Digi ME9210 2008




Skalierbarkeit

Blu-ray Player, Set-Top Boxen. . .

Beispiele:

CMX BRP 1000 Blu-rayPlayer

Dream Multimedia DreamboxDM 800




Skalierbarkeit

Spielkonsolen

Beispiel:

Valve Steam Box




Skalierbarkeit

Router, NAS, Drucker, . . .Beispiele:

Linksys E2100L Iomega StorCenter




Skalierbarkeit

Smartphones, Tablets, . . .

Betriebssysteme wie:

Google Android basierende

Google Chrome OS

MeeGo

Tizen

Ubuntu Touch

Sail�sh OS

. . .




Skalierbarkeit

Netbooks, Notebooks, Workstations, . . .

Einsatz klassischer GNU/Linux-Distributionen wie:

Debian

Ubuntu

openSUSE

Red Hat

Slackware

. . .

Aber auch spezielle Betriebssysteme wie:

Google Android basierende

Google Chrom OS

. . .




Skalierbarkeit

Server, Virtualisierung, Supercomputing, . . .

Ebenfalls klassische, aber auch spezielle GNU/Linux-Distributionen.

VMWare ESX : Virtualisierungs-Cluster

Supercomputer � Beispiel:

IBM Roadrunner

Linux Portierung auf NUMA-Maschinen




Skalierbarkeit

Industrie, Automation, Automotive, . . .

Zahllose Einsatzgebiete:

Gebäude-Automation

Wärmemanagement / Heizungssteuerungen

Medizintechnik (Bedienung und Vernetzung)

Fleet-Management

Car Infotainment Systeme

. . .

ETA StückgutKessel




Skalierbarkeit

Warum kann Linux auf sehr kleinen und sehrgroÿen Systemen eingesetzt werden?

Linux ist nicht gleich Linux!

Fast alle Linux basierenden Systeme werden als Linux bezeichnet,obwohl das Betriebssystem aus vielen Schichten und Komponentenbesteht.Skalierbarkeit wird erreicht durch:

Weglassen nicht benötigter Komponenten/Schichten

Ersetzen von Komponenten/Schichten durch alternativeImplementierungen.




Skalierbarkeit

Software-Schichten

Linux-Kernel

Basis-Bibliotheken für C, C++, . . .(klibc, uClibc, eglibc, glibc, . . . )

Sonstige Bibliotheken (Kryptographie, Kommunikation,Multimedia, . . . )

Konsolen-Programme (Unix-Befehle, Administration undVerwaltung, . . . )

Server und Dämonen (File-Server, Gra�k-Server . . . )

div. Frameworks (Zusammenfassen und Abstrahieren derBibliotheken)

Window-Manager (Fenstersteuerung)

(gra�sche) Benutzer-Applikationen




Skalierbarkeit

Beispiel: klassisches Desktop-SystemLinux-Kernel: Auf Reaktion abgestimmt, mit allen Treibern.Basis-Bibliotheken: glibcSonstige Bibliotheken: viele installiertKonsolen-Programme: voller Funktions-UmfangServer und Dämonen (Dienste):

File-Server (Samba, NFS, . . . )Gra�k-Server (Xorg, Wayland, . . . )Druck-Server (lpd, cups, . . . )System-Information und Steuerung (dbus, . . . ). . .

div. Frameworks: Qt, Gtk, KDE, Java, . . . )Window-Manager (Gnome, KDE, Unity . . . )(gra�sche) Benutzer-Applikationen (Firefox, LibreO�ce, . . . )

Gröÿenordnung: ca. 3-60GB (je nach installierter Software)Ing. Manfred Schlägl Ginzinger electronic systems GmbH



Skalierbarkeit

Beispiel: Server-System ohne gra�sche Ober�äche

Linux-Kernel: Auf Durchsatz abgestimmt, mit allenbenötigten Treibern.

Basis-Bibliotheken: glibc

Sonstige Bibliotheken: benötigte installiert

Konsolen-Programme: voller Funktions-UmfangServer und Dämonen (Dienste):

File-Server (Samba, NFS, . . . )Druck-Server (lpd, cups, . . . )Datenbank-Server (Oracle, . . . )Web-Server (Apache, nginx . . . ). . .

Gröÿenordnung: ca. 0,5-20GB (je nach installierter Software)




Skalierbarkeit

Beispiel: kleinstes Linux-System

Linux-KernelUnterstützung speziell für Ziel-Plattform.Benötigte Treiber �x im Kernel.Genau auf Anwendung abgestimmt.Applikation als Prozess im Kernel

Gröÿenordnung: ca. 0,7-3MB (nur Kernel)Hat in der Praxis wenig Relevanz!




Skalierbarkeit

Beispiel: kleines embedded Linux-System

Linux-KernelUnterstützung speziell für Ziel-Plattform.Benötigte Treiber �x im Kernel.Genau auf Anwendung abgestimmt.Root-Filesystem(Userspace) als Image im Kernel eingepackt.

Basis-Bibliotheken: uClibc

C/C++ Applikation

Gröÿenordnung: ca. 3-10MB




Skalierbarkeit

Beispiel: embedded Linux-System mit GUILinux-Kernel

Unterstützung speziell für Ziel-Plattform.Benötigte Treiber �x im Kernel.Auf Anwendung abgestimmt.

Basis-Bibliothek: eglibcSonstige Bibliotheken: genau auf Applikation abgestimmt.Konsolen-Programme: spezielle (in Funktion eingeschränkte)Embedded-Varianten (B: busybox)Server und Dämonen: nur für Applikation benötigte (B:kleiner Webserver)Framework: Qt Embedded (direkter Zugri� aufGra�k-Treiber)gra�sche Bedien-Applikation

Gröÿenordnung ca. 20-60MBIng. Manfred Schlägl Ginzinger electronic systems GmbH



Skalierbarkeit

Beispiele für weitere Möglichkeiten der Skalierung

Linux-KernelAlternative Task- und IO-Scheduler.Alternative Speicher-Allokatoren.. . .

Bootprozess:Desktop: Boot über Zwischensystem(Laden nötiger Treiber, Überprüfung der Festplatten, etc.).Embedded: direkter Boot in das Haupt-System.

Dateisysteme:kleine, schnelle Read-Only Dateisysteme. (cramfs, romfs, . . . )spezialisierte Flash-Dateisysteme. (j�s2, ubifs, . . . )

. . .




Echtzeit in Linux









Echtzeit in Linux

Echtzeit in Linux

Vorherrschende Meinung:Ein Betriebssystem kann konzeptuell nur entweder aufDurchsatz oder Reaktions-Zeit abgestimmt sein.

Wird durch preempt_rt teilweise widerlegt.Zwei Ansätze unter Linux:

Adeos/XenomaiPreempt_rt




Echtzeit in Linux

Adeos/Xenomai

Nachfolger des kommerzielles Projekts RTAI.

Hinterliegende Konzepte:

Adeos: Kleiner Echtzeit-Kernel zwischen Linux-Kernel und Hardware.Interrupts und Timer werden durch Adeos verwaltet, und Xenomaiund dem Linux-Kernel und zur Verfügung gestellt.Xenomai : implementiert mächtige API's




Echtzeit in Linux

Adeos/Xenomai

Ist eigentlich eine Art der Virtualisierung, aber mit sehr engerAnbindung das Linux-System.Vorteile:

Echtzeit-Prozesse werden als normale Linux-Programme gestartet →Scheduling wird vom Echtzeit-Kernel übernommen.Skins: Sourcen für andere Echtzeit-Betriebssysteme(VxWorks,pSOS+, . . . ) können für Xenomai übersetzt werden.Starke Trennung zwischen Linux- und Echtzeit-Prozessen.Treiber können im Userspace laufen (Interrupts).

Nachteile:Keine Unterstützung in Linux-Mainline.Kernel muss für den Betrieb unter Adeos modi�ziert werden.Sehr eingeschränkter Zugri� auf Linux-Ressourcen.




Echtzeit in Linux

Preempt_rt

Hinterliegende Konzepte:Linux-Kernel selbst wird zum Echtzeit-Betriebssystem.Low-Level-Änderungen → Bestehende Kernel-API bleibt erhalten.

Wird erreicht durch:API für hoch genaue Timer (POSIX -Standard).Deterministischen Scheduler.Verschiebung der Interrupt-Behandlungen in Threads.Alle Betriebssystem-Prozesse unterbrechbar.Prioritäten für alle Prozesse/Threads.Synchronisations-Mechanismen mit Prioritätsbehandlung.

Durch Änderung am Low-Level werden alle Teile des BetriebssystemsEchtzeitfähig.




Echtzeit in Linux

Preempt_rt

Vorteile:Jeder Prozess kann Echtzeit-Prozess werden.Zugri� auf Linux-Ressourcen aus Echtzeit-Prozess möglich.Unterstützung (fast) vollständig in Linux-Mainline.Schon sehr ausgereift und gut getestet.

Nachteile:Schwache Trennung zwischen normalen und Echtzeit -Prozessen.

Bei vielen Querwirkungen → Hohes Fehlerpotential.

Fehler im Linux-Kernel direkte Auswirkung auf Echtzeitverhalten.

Manche Ressourcen prinzipiell nicht deterministisch. (B: Festplatte)

Weiche Echtzeit und kurze Reaktionszeiten sind auch am Desktop sehrwichtig (B: Multimedia).Jeder aktuelle Linux-Desktop pro�tiert von Preempt_rt.




Echtzeit in Linux

ProblemeEchtzeitfähigkeit/Determinismus hängt stark von verwendeterHardware ab.Power-Management

dynamic Frequency-ScalingIdle/Sleep-Modis. . .

CachesProzessor I-/D-Cache (�ush)Peripherie Caches

Bus-ManagementDurchsatz statt ReaktionDMA vs. CPU. . .

Moderne Applikations-Prozessoren sind für Echtzeit-Anforderungennur bedingt geeignet.




Hardware









Hardware

IMX53-Modul

Nachfolger zu ARM9 basierendem Board.

Power-Management

Prozessor: Freescale i.MX53(800MHz ARM Cortex A8)

RAM: 256MB DDR2 800

Flash: 256MB

Ethernet-Phy

div. Schnittstellen aufModul-Connector




Hardware

Boards

Die Module werden in Kunden-spezi�schen Boards verbaut, aufwelchen die benötigen Funktionen implementiert werden.

Mechanik

Stromversorgung

Schnittstellen(Ethernet, USB, RS232, RS485, UART, CAN, . . . )

Display- und Touchscreen-Anbindung

Co-Prozessor für harte Echtzeit-Anforderungen

div. Kommunikations-Module

. . .




embedded Linux Distribution � GELin










Top-Down Entwurf

Verwendung einer Standard Linux-Distribution:

Sehr gut getestet und gewartet.

Skalierung nur bis einem bestimmten Punkt einfach, dannsehr aufwendig.

Nicht auf die Verwendung auf kleinen Systemen ausgelegt. �groÿer Overhead!

Software-Entwicklung aufwendig (Cross-Kompilierung,Kompilierung am Target, . . . )





Bottom-Up Entwurf

Eigens erstelltes Linux-System für jedes Projekt:

Kann perfekt auf Ziel-System abgestimmt werden.

Fehleranfällig und viel Wissen erforderlich.

Aufwändig in Erstellung und Wartung.

Aufwand wiederholt sich für jedes Projekt.





Mittelweg

Erstellung/Verwendung einer Embedded Linux Distribution

Bottom-Up Entwurf nur einmal.

Generalisierung auf Kosten der Skalierbarkeit.

Abgestimmt auf eine bestimmte Plattform.

Fertige Konzepte und Werkzeuge für Software-Entwicklung,Debugging, Zusammenstellung des Gesamt-Systems,System-Update, . . .





GELin

Auf spezielle Plattform abgestimmt.

Basierend auf Mainline-SoftwareTarget-Software

Bibliotheken und Programme in Binärform.Optimiert für spezi�sche Plattform.Spezielle Software für spezi�sche Plattform(Hardware-Beschleunigung, Low-Level Tools, . . . ).

Host-SoftwareCross-Compile -Toolchain und -Environment.Werkzeuge zum Kon�gurieren und Übersetzen des Linux-Kernels.Werkzeuge zum Anlegen, Entwickeln und Erzeugen von Projekten.

Umsetzung von System-Übergreifenden Konzepten(Produzierbarkeit, Debugging, System-Update, . . . )





Funktions-Umfang

Entwicklungs-Umgebungen: Eclipse, Autotools, Make�les, . . .

Debugging: gdb, valgrind, . . .

Programmiersprachen: C/C++

Software-Frameworks: SDL, Qt, GTK+, GTKMM, . . .

Gra�k: Xorg, Qt Embedded, . . .

Multimedia: div. Audio/Video-Codecs, . . .

IT: IPv4, IPv6, ftp, http, VPN, SSL/TLS, ssh, . . .

. . .





Erzeugen eines ProjektsAus dem Projekt wird mit einigen wenigen Kommandos das gesamteTarget-Root-Filesystem erzeugt.Basis-System: gelin_create_base.sh

Minimal-System mit ausgewählten Paketen. (kon�gurierbar)Muss nur bei Änderung der Basis-Kon�guration neu erzeugt werden.

Custom-System: gelin_create_custom.shSystem-VersionierungProjektspezi�sche Modi�kationenÜbersetzung und Installation von Applikations-Software

Root-Filesystem für Target: gelin_create_rootfs.hZusammenbinden von Basis- und Custom-SystemInstallation benötigter BibliothekenErzeugung von File-System-ImagesFreigabe auf TFTP- und NFS-Server





Booten eines erzeugten Projekts

Netzwerk-Boot während Entwicklung und TestVerwendung während Entwicklung und Test.Target bootet Linux-Kernel von TFTP-Server.Target mountet NFS-Freigabe als Root-Filesystem.

Flash-Boot bei Tests und in SerieVerwendung bei Tests und in Serie.Kernel und Root-Filesystem wird durch Bootloader auf den Flashkopiert.Target bootet Linux-Kernel aus Flash.Target mountet Flash-Partition als Root-Filesystem.




Herausforderungen in Entwicklung und Produktion










System-Konzeption

Sammlung der AnforderungenAuswahl Komponenten (Prozessor, Speicher, . . . )

SchnittstellenPerformanceVerfügbarkeitIndustrietauglichkeitHard- und SoftwaresupportKosten

Systemweite KonzepteDesign für Inbetriebnahme und TestKompatibilität zum VorgängerUpdate-MechanismusPower-Management

Veri�kation anhand von Devboards





Hardware-Entwicklung

Schnelle Signale(DDR2 mit 400MHz) (EMV)Layout der SignaleLagenaufbau, Impedanz-Kontrollierte LeiterplatteTreiberstärken und TerminierungenSignal-Simulationen im Vorfeld

Versorgung (EMV)dynamische Lastenhochfrequente LastsprüngeVersorgungs- und Masse-LagenStützung durch Kapazitäten (Lagenaufbau/Kondensatoren)





Hardware-Entwicklung

BGA-DesignViele Pads / Pad GröÿenWires und Microwires zwischen PadsGleichmäÿige Wärmeverteilung (Löten)

TermindruckVersuchsmuster dauern sehr lange → Erster Schuss muss passen!Mehrfache Kontrolle von Schaltplan und Layout





Software-Entwicklung

Low-Level SettingsDDR2 und NAND-FlashTreiberstärken und TerminierungenTimingOptimierungen

BootloaderDurchgehende KonzepteTestschnittstellen für Inbetriebnahme und ProduktionNAND-Flash � Bad-Block Management





Software-Entwicklung

Kernelspezi�scher Modul- und Board-Code (Hardware-Beschreibung)NAND-Flash � Bad-Block ManagementFehlerkorrektur der Treiber aus BSPLernen neuer Schnittstellen und FrameworksEntwicklung und Einbindung weiterer benötigter Treiber

GELinOptimierung der ToolchainNutzbar machen der HardwarebeschleunigerIntegration neuer Komponenten (Multimedia, . . . )

TermindruckEntwicklung parallel zu Hardware (Trockenprogrammieren)





Produktion

Bauteile (BGA's)WärmeverzugFeuchtigkeit

Leiterplatte und LötenOber�äche der LeiterplatteDurchbiegung der LeiterplatteVerunreinigungenLötpro�l

UntersuchungenMikroskopieAbrisstestsRöntgenSchli�-BilderKlima-Stresstests





Veri�kation

MessungenCompliance MessungenVergleich mit Simulation

Langzeit-Tests im KlimaschrankDDR2 Stress-TestsNAND-Flash Stress- TestsCPU-Stress Tests

EMV-MessungenEntwicklung geeigneter Stress-TestsAutomatisiert und WiederholbarSchirmungen teuerProblem: Nicht terminierte Leitungen (Display)




Literatur und Web-Links










Literatur 1

Linux KernelJust for Fun: Wie ein Freak die Computerwelt revolutionierte.Die Biographie des Linux-Er�ndersvon David Diamond, Linus Torvalds(ISBN-13: 978-3423362993)Understanding the Linux Kernelvon Daniel P. Bovet, Marco Cesati Ph.D.(ISBN-13: 978-0596005658)Linux-Treiber entwickeln: Eine systematische Einführung inGerätetreiber für den Kernel 2.6von Eva-Katharina Kunst(ISBN-13: 978-3898646963)





Literatur 2

Embedded LinuxBuilding Embedded Linux Systemsvon Karim Yaghmour, Jon Masters, Gilad Ben-Yossef, Philippe Gerum(ISBN-13: 978-0596529680)Embedded Linux Development Using Eclipsevon Doug Abbott(ISBN-13: 978-0750686549)





Web-Links 1Ginzinger electronic systems

Ginzinger electronic systemshttp://www.ginzinger.com

Allgemein Open Sourcefsfe - Free Software Foundation Europehttp://fsfe.org

OSADL - Open Source Automation Development Labhttp://www.osadl.com

Linux-KernelThe Linux Kernel Archiveshttps://www.kernel.org

Linux Kernel Newbieshttp://kernelnewbies.org

The Linux Kernel Mailing List Archivehttps://lkml.org



http://www.ginzinger.com

http://fsfe.org

http://www.osadl.com

https://www.kernel.org

http://kernelnewbies.org

https://lkml.org



Web-Links 2GNU

GNUhttp://www.gnu.org

Embedded Linux ToolkitsOpenEmbeddedhttp://www.openembedded.org

buildroothttp://www.buildroot.org

DiversesQThttp://qt.digia.com

Real-Time Linux Wikihttps://rt.wiki.kernel.org/index.php

Adeos/Xenomaihttp://www.xenomai.org/



http://www.gnu.org

http://www.openembedded.org

http://www.buildroot.org

http://qt.digia.com

https://rt.wiki.kernel.org/index.php

http://www.xenomai.org/


Ende

Ende

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!



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