TDC2016SP - Trilha Linux Embarcado

Globalcode – Open4education

Linux EmbarcadoUma conversa entre o Bootloader e o Kernel

Bruno Eduardo de Oliveira MenegueleEngenheiro de Computação


Agenda

Introdução

Plataformas Embarcadas

Bootloaders

Linux Kernel

Transferência de dadosATAGs

Device Tree Blobs

DTB vs FEX


Introdução

Para esta nossa conversa:Qual é a motivação para realizar ou assistir?

Qual é o objetivo?

Para quem se destina ou interessa?


Diferenças entre plataformas embarcadas e

PCs (desktops e notebooks) atuais.


Desktops/Notebooks

Arquitetura mais autocontida e estática.

Descoberta dinâmica de componentes de HW.Protocolos com mecanismos de descoberta: USB, PCI, LPC, entre outros.

Uma única fonte e interface de alimentação.

Arquitetura de processadores “única”: x86(_64).



Arquitetura totalmente dinâmica e sem um determinado padrão.

Múltiplos domínios e fontes de alimentação:Componentes que necessitam de 12V, 5V, 3V3, 2V8, ...

Baterias recarregáveis.

USB ou alimentação externa direta (12V, 5V, ...).

Múltiplas interfaces de comunicação “primitivas”:I²C, SPI, UART, entre outras.

GPIOs



Múltiplos clocks independentes para periféricos ou subsistemas da plataforma.

Toda esta imprevisibilidade nos leva a concluir:

É necessário saber como o sistema inicializa e como descrever o hardware presente na plataforma (SoC e Board).


Como funciona a inicialização de uma plataforma embarcada?


Inicialização

Antes de mais nada é necessário criar o contexto de execução:

Configurações internas à CPU.

Executar sobre memória DRAM.

Iniciar pilha para execução de códigos de alto nível, como os escritos em linguagem C.

Necessidade de drivers:Controlador para DRAM.

Controlador para memória não-volátil flash NAND.

Bootloaders


Bootloaders

Os bootloaders são pedaços de códigos responsáveis por:

Inicialização básica do hardware.

Carregar aplicação binária, como um sistema operacional.

Execução desta aplicação binária.

Além destas, possibilidade de:Inspeção de memória.

Diagnóstico de hardware.

Interface com o usuário.


Bootloaders

Inicialização a partir da ROM interna.Endereço preestabelecido pelo fabricando.

Execução em dois estágios.


Bootloaders

Bootloader de 1º estágioExecutado a partir da SRAM interna.

Inicializa controlador DRAM e NAND.

Cria o contexto de execução para executar códigos de mais alto nível.

Carrega o bootloader de segundo estágio, presente na memória não-volátil, na DRAM.

Exemplos: X-Loader, AT91Bootstrap, U-Boot SPL


Bootloaders

Bootloader de 2º estágioExecutado a partir da DRAM.

Carrega módulos para outros subsistemas, como USB, Rede, entre outros.

Carrega a aplicação binária na memória, podendo ser a imagem do Linux Kernel.

Possibilidade de carregar configurações/dados específicos para esta aplicação, como ATAGs ou DTBs em caso de Linux Kernel.

Exemplos: Barebox, RedBoot, U-Boot (2º estágio apenas ou SPL).


Bootloaders


Linux Kernel

Camada de abstração do hardware empregado:Gerência de todos recursos de hardware

Controle de acesso concorrente

Sistema de arquivos

API estável para espaço do usuário

Entre outros ...


Linux Kernel

Imagem carregada na DRAM pelo bootloader.

Processo de descompressão do vmlinux.

Ponto de entrada do Kernel é encontrado em head.o.

Tabela de páginas começa a ser preenchida.

Estruturas internas do Kernel são inicializadas.

MMU é habilitada.Endereços físicos passam a ser traduzidos.

Início da execução do vmlinux.


Linux Kernel

Informações (parâmetros) passados pelo bootloader são tratados.

Fonte: arch/arm/kernel/setup.c

void __init setup_arch(char **cmdline_p){ const struct machine_desc *mdesc;

setup_processor(); mdesc = setup_machine_fdt(__atags_pointer); if (!mdesc) mdesc = setup_machine_tags(__atags_pointer, __machine_arch_type); machine_desc = mdesc; machine_name = mdesc->name;

...}


Linux Kernel

Inicialização de especificidades do processador e também da plataforma.

Processo segue até o processo pai “init” for iniciado.

Uma vez que o Kernel é totalmente inicializado, o bootloader deixa de existir em memória.



Como informações são passadas do bootloader para o Kernel do Linux?


Transferência de dados

Formas convencionais (PowerPC, ARM, ...):Passado: ATAGs.

Atual: Device Tree Blobs (DTBs).

Modelos específicos de fabricantes:Arquivos FEX especificado pela Allwinner.

Entre outros.



Modelo utilizando ATAGs:Parâmetros carregados em uma posição predeterminada da memória.

Machine type.

Linha de comandos do Kernel.

Ponteiro para estruturas.

Tamanho e posição da memória.

Entre outros.

Todas informações do HW são mantidas estaticamente no Kernel.

Modificações no HW gera a necessidade de modificar tanto Bootloader como Kernel.



Modelo utilizando DTBs:Baseado no padrão OpenFirmware IBM.

Arquivo binário carregados em uma posição predeterminada da memória.

Descreve o HW presente na plataforma.CPU, memória, interfaces de comunicação.

Independente de Sistema Operacional.

Parâmetros para o Kernel são passados internamente a este arquivo.

Linguagem de descrição própria, lembrando JSON e trabalhando sobre o modelo de árvore (nós).


Device Tree Source

Fonte: /arch/arm/boot/dts/omap3-beagle.dts

/dts-v1/;

#include "omap34xx.dtsi"

/ { model = "TI OMAP3 BeagleBoard"; compatible = "ti,omap3-beagle", "ti,omap3"; cpus { cpu@0 { cpu0-supply = <&vcc>; }; }; memory { device_type = "memory"; reg = <0x80000000 0x10000000>; /* 256 MB */ }; ...};


DTS vs FEX

Device Tree Source FEX (Allwinner)

uart4: serial@49042000 { compatible = "ti,omap3-uart"; reg = <0x49042000 0x400>; interrupts = <80>; dmas = <&sdma 81 &sdma 82>; dma-names = "tx", "rx"; ti,hwmods = "uart4"; clock-frequency = <48000000>;};

[uart_para4]

uart_used = 0

uart_port = 4

uart_type = 2

uart_tx = port:PH04<4><1><default><default>

uart_rx = port:PH05<4><1><default><default>


Device Tree Bindings

Documentação a respeitos das tags existentes para uma determinada plataforma.

Repositório: Documentation/devicetree/bindings/


Referências

Livros:Embedded Linux Primer: A Practical, Real-World Approach, Christopher Hallinan, 2010.

Linux Kernel Development, Robert Love, 2010.

Material da Free Electrons (free-electrons.com):Cursos.

Palestras.

Artigos.


MUITO OBRIGADO!

Bruno Eduardo de Oliveira Meneguele

bmeneg.com @bmeneguele

[email protected]

Education

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