Clase 13: Sistemas Operativos y Middleware …...I Para sistemas con un numero limitado de componentes Prof: Lic. Jos e H. Moyano (Departamento de Ciencias e Ingenier a de la Computaci

Clase 13: Sistemas Operativos y Middleware EmbebidoSistemas Embebidos

Prof: Lic. Jose H. Moyano

Departamento de Ciencias e Ingenierıa de la Computacion

2019

Prof: Lic. Jose H. Moyano (Departamento de Ciencias e Ingenierıa de la Computacion)Clase 13: Sistemas Operativos y Middleware Embebido 2019 1 / 52

Ejemplos de SO embebidos


Ejemplos de SO Embebidos

Al hablar de sistemas embebidos hay que tener presente el amplio espectro desistemas que existen:

I En un extremo estan aquellos sistemas con baja ocupacion de memoria pensadospara dispositivos con recursos limitados.

I En el otro extremo se encuentran los sistemas que ejecutan sobre procesadores deaplicacion con prestaciones cada vez mayores (sistemas cada vez mas parecidos alos de escritorio).

Las alternativas en cuanto a SO Embebidos son mucho mas numerosas que paraSO de escritorio.


Salvo RTOS


Salvo RTOS

Salvo es un sistema operativo de “tiempo real” comercial.

Corre en sistemas de bajo costo y con recursos muy limitados (baja utilizacion dememoria).

Caracterısticas:I Multitarea cooperativa (menos demandante en memoria, el RTOS no guarda

informacion del contexto ni realiza cambios de contexto).I Planificacion basada en prioridades (16 prioridades distintas)I Tareas de igual prioridad planificadas round-robinI Semaforos binarios y contadoresI Colas de Mensajes

No es apropiativo es cooperativo, las tareas deben ceder el procesadorvoluntariamente.


Salvo RTOS

¿Como puede un RTOS funcionar si no es apropiativo?


Procesadores soportados

8051 family and its derivatives

ARM R© ARM7TDMI R© and CortexTM-M3

Atmel R© AVR R© and MegaAVRTM

Motorola M68HC11

Microchip PIC12—16—17—18 PICmicro R© MCUs, Microchip PIC24 MCUs anddsPIC R© DSCs, Microchip PIC32TM MCUs

entre otros. . .


EscalabilidadMuy escalable y configurable. Se compila con la aplicacion (funciona como unabiblioteca de software).


OSEK-OS y FreeOSEK


OSEK-OS y FreeOSEK

OSEK-OS:Estandar del comite OSEK-VDX p/la industria automotriz

Superado hoy en dıa por Autosar-OS

Estandar estable, actualmente no recibe modificaciones

FreeOSEK:Implementacion libre de OSEK-OS

Sistema operativo estatico (se linkea a la aplicacion)

RTOS utilizado en el firmware del proyecto CIAA

Estandar abierto, implementacion libre

Conjunto de test cases estandar para validar el sistema

Posibilidad de obtener certificaciones del estandar


4 clases de conformidad

Solo tareas basicas:I BCC1: Una tarea por nivel de

prioridad y una activacion por tareaI BCC2: Multiples tareas por nivel de

prioridad y mas de una activacionpor tarea

Anaden tareas extendidas:I ECC1: Una tarea por nivel de

prioridad y una activacion por tareaI ECC2: Multiples tareas por nivel de

prioridad y mas de una activacionpor tarea (varias veces en la cola detareas listas)


Componentes del sistema


Flujo de trabajo


Codigo de ejemplo


Caracterısticas

Planificacion apropiativa (FULL preemptive) o noapropiativa (NON preemptive) configurable por tarea:Para tareas muy cortas, o mayor determinismo

Utiliza Priority Ceiling Protocol para evitar deadlocks einversion de prioridad no acotada

Gestion y declaracion explıcita de recursos

Alarmas (activar tareas, eventos o invocar callbacks)

Hookroutines, manejo de errores


Caracterısticas

Gestion de Interrupciones desde el sistema operativo:


QNX


QNX

QNX: Un RTOS comercial escalable basado en Unix que cumple con el estandarPOSIX.

Tiene una arquitectura de microkernel (mayor proteccion ante fallas en drivers yotros componentes externos al kernel).

Utiliza planificacion apropiativa basada en prioridades con herencia de prioridadespara evitar la inversion de prioridad.

Soporta multiprocesamiento.

Portabilidad (POSIX), soporte de red, filesystems, etc.


Capas


Modelo

Microkernel:I Task schedulerI Inter-process communicationI Interrupciones y timers

Lo demas ejecuta como servicios enespacio de usuario (incluso creacion deprocesos y gestion de memoria)

Ambiente unificado para aplicacionesRT y no RT.

Sistema inherentemente distribuido.


QNX Hypervisor


Linux Embebido


Linux Embebido

Existen numerosas distribuciones de linux adaptadas a Sistemas Embebidos:I Emdebian / RaspianI OpenWRTI Android*I Etc.

Requieren soporte de MMU en hardware (i.e. procesadores de aplicacion). Noexcluyente.

I Arquitecturas de 32 o 64 bitsI Requerimientos elevados en cantidad de memoria

Adaptado a la arquitectura target y al conjunto de dispositivos existentes en dichotarget.


Componentes basicos: Toolchain

Toolchain: Generar codigo p/target

ASM, Linker, GCC

Librerıas C (POSIX): glibc, eglibc,uClibc

Gdb: debugging remoto

Precompilado o generado c/herram.


Componentes basicos: BootloaderBootloader: Booteo inicial y carga de kernel

Reset vector (ROM): Carga 1st stage bootloader.

1st stage bootloader: Inicializacion basica (controlador de memoria, etc)2nd stage bootloader: Carga el Kernel de Linux

I U-Boot: estandar de-facto: ARM/PowerPC/MIPS/m68k/x86/NiosII/etcI Bareboot: diseno mas limpio que U-Boot pero menor soporte de HWI GRUB: estandar p/x86


Componentes basicos: Linux Kernel + Device TreeAdministracion de procesos y memoria, IPC, Drivers,Networking, Filesystems, Power Management

Ejecuta en modo privilegiado

Se configura (recompila) segun necesidades:

Programacion dentro del kernel:I API Distinta (no libc), no hay proteccion de memoriaI Para adaptar kernel a target o escribir device drivers


Componentes basicos: Device Tree

Device Tree: Describe el hardware (configuracion, funcionamiento). Extensible. Parte delABI del Kernel.

Separa la informacion de los dispositivos y la plataforma del kernel.

Binario separado: Device Tree Binary. El bootloader le pasa un puntero al DTB alkernel.

Device tree source (dts)

Device tree compiler (dtc)

Device tree inclusions (dtsi)


Ejemplo Device Tree


Componentes basicos: Root filesystem

Root filesystem (/): aplicac., librerıas, config., datos, etc.

Filesystems soportados:I ext2, ext3, ext4: para block devices (SD cards, discos, etc.)I jffs2, ubifs: usados en memorias flash (NAND, NOR, SPI)I squashfs: read only comprimido – contenido inmutableI vfat, ntfs: Soportados por compatibilidadI nfs, cifs: sistemas de archivo de red

Aplicaciones: init / shell / C Library / devices files. . .

Estructura de directorios: bin, dev, lib, sbin, usr/bin, usr/lib, usr/sbin, proc, sys, . . .

Busybox: comandos basicos compilados en una unica imagen ejecutable. Muyconfigurable.

Sistema funcional de mınima: Busybox + C library


Ejemplo sistema Linux Embebido


Personalizacion de Linux

Usar distribuciones binarias (ej. Debian, Gentoo, Slackware, etc.) disponiblesp/arquitecturas embebidas

Simple, rapido, poco flexible.

Configurar el sistema manualmente (no recomendable)

Usar sistemas de construccion automaticos de Linux:

Ej. Buildroot Yocto, OpenEmbedded, OpenWRT, etc.


Buildroot

Basado en herramientas bien establecidas:I kconfig (interface y configuracion), make (construccion)

Simple: es un makefile

Generacion relativamente rapida del root fs

Para sistemas pequenos a medianos:I No soporta administracion de paquetes en tiempo de ejecucionI Ciertos cambios en la configuracion suele requerir rebuilds completosI Poca posibilidad de reuso de una configuracion en otraI Para sistemas con un numero limitado de componentes


Configuracion buildrootSeleccion de arquitectura target y variantes, ABI, etc.

Seleccion de paquetes

Configuracion y gestion de dispositivos (/dev)

Soporte para bootloaders (1st y 2nd stage bootloaders)


Builroot: make menuconfig


Yocto ProjectPermite mayor flexibilidad al generar distribuciones de Linux personalizadas.Utiliza OpenEmbedded como sistema de construccion.


Yocto Project

Generacion con soporte de gestores de paquetes (runtime)

Mayor modularidad mediante:I Capas: Aislan cada una de las personalizaciones

F GeneralesF BSP (plataformas target)F Aplicacion

I Recetas: Definen la generacion de cada modulo/paqueteF Obtencion de fuentesF DependenciasF Opciones de configuracion

Bitbake: herramienta similar a make para construir la imagen del sistema y el sdk.


Android


Android

Android es el sistema operativo de la Open Handset Alliance (Google y otros) paradispositivos moviles. Es open source. No es un Linux tradicional.

Utiliza un kernel de Linux modificado.

Hasta Android 4.x integra una maquina virtual (Dalvik) optimizada paradispositivos moviles que brinda un framework de desarrollo de aplicaciones en Java.

A partir de Android 5 utiliza Android Run Time (ART), compilando programascompletos a codigo maquina nativo en su instalacion.

Soporte grafico vıa Open GL ES

Soporte para dispositivos usuales en dispositivos moviles: telefonıa, bluetooth, GPS,acelerometros, pantalla tactil, etc.


Arquitectura


Dalvik vs JVM


Dalvik vs ART


Boot sequence


Android Debug Bridge (ADB)


Otros ejemplos


Otros SO embebidos

Free RTOS: Un kernel de RTOS portable, open source, gratuito.

LynxOS: Un RTOS que conforma con POSIX basado en Linux.

eCos: RTOS open source escalable con gran soporte de HW.

VxWorks: RTOS propietario c/soporte p/Intel, ARM, MIPS, etc. Certificado deseguridad.

Windows Phone/Windows 10 Phone: Sistemas de Microsoft para Smartphones

iOS: El sistema de Apple.

etc. . .


Middleware Embebido


Middleware Embebido

La definicion de middleware es difusa.

Es software que se ha separado de la capa de aplicacion:I por ser parte de un paquete del Sistema Operativo.I por implementar funcionalidad con alto grado de reusablidad (disminuye costos,

tiempos de desarrollo y simplifica el desarrollo de la capa de aplicacion).

Se entiende por middleware aquel software que no es software de aplicacion, ni elkernel del SO, ni los drivers de dispositivos.


Middleware

Brindan un conjunto de APIs que resuelven los aspectos de infraestructura basicosy permiten concentrarse en la logica de la aplicacion.

Provee una interface que abstrae a las capas superiores de software de las inferiores.

Resulta util principalmente en presencia de multiples aplicaciones corriendo en elsistema embebido, ya que permite reusar funcionalidad comun (mayor portabilidady menor overhead).


Ejemplos de Middleware Embebido

Algunos ejemplos de Middleware Embebido implementan:I Stacks de protocolos de red,I Soporte para sistemas de archivos,I Maquinas virtuales tales como la JVM.I Frameworks particulares de aplicacion: RF, TV digital, etc.

Para aplicaciones de mayor envergadura, se tienen frameworks completos:I Java Micro Edition (Java ME)I .NET Compact FrameworkI OpenGL ESI etc.


Ejemplo: Middleware de red


Ejemplo: Graficos en Linux


ReferenciasBarr, M., Massa, A. Programming Embedded Systems: With C and GNUDevelopment Tools, 2nd Edition. O’Reilly Media. 2006. ISBN: 978–0596009830.Capıtulo 13.

Noergaard, T. Embedded Systems Architecture: A Comprehensive Guide forEngineers and Programmers. Newnes. 2005. ISBN: 978–0750677929. Capıtulo 6.

Simon, D. An Embedded Software Primer. Addison-Wesley Professional. 1999.ISBN: 978–0201615692. Capıtulos 6 y 7.

Cerdeiro, M. Introduccion a OSEK—OS — El Sistema Operativo delCIAA-Firmware, 1ra edicion. Editorial ACSE. 2015.

Di Donato, A. Android. Tutorial SASE 2014.

Petazzoni, T. Buildroot: a nice simple and efficient embedded Linux build system.Libre SW Meeting. 2012.

Petazzoni, T. Device Tree for Dummies. 2013.

Petazzoni, T. Embedded Linux Introduction. Free Electrons. 2012.

Srebro, G. BSPs Introduccion a Yocto. Tutorial. SASE 2014.

Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principlesand Applications. Newnes. 2006. ISBN: 978–0750667555. Capıtulo 19.


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