System operacyjny NetBSD w zastosowaniach wbudowanych Radoslaw Kujawa rkujawa@netbsd.org The NetBSD Foundation / OSEC 9 maja 2013
Spis treści I 1 Garść informacji na temat NetBSD 2 Budowa aplikacji wbudowanych na NetBSD 3 Prosta aplikacja wbudowana 4 Podsumowanie
Część 1 Garść informacji na temat NetBSD
Czym jest NetBSD? UNIX-owy system operacyjny Nie tylko jądro, ale kompletny system operacyjny Dostarcza także interfejs graficzny (X Window System) Oprogramowanie producentów trzecich dostępne poprzez pkgsrc (ponad 12000 paczek)
Historia NetBSD w pigułce 1969 UNIX powstaje w Bell Labs 1974-1995 Berkeley Software Distribution system operacyjny rozwijany w grupie CSRG na Uniwersytecie w Berkeley 1993 powstaje projekt NetBSD na bazie 4.3BSD i 386BSD 1994 NetBSD 1.0... 2012 NetBSD 6.0
Cechy NetBSD Małe wymagania sprzętowe (ok. 24MB RAM, 300MB przestrzeni masowej) Bardzo dobra przenośność 57 platform, 12 architektur CPU Przykładanie uwagi do czystości projektu oraz implementacji W zgodzie z duchem UNIXa Kompletna dokumentacja interfejsów programistycznych Ostrożne podejście do nowości technologicznych Powyższe cechy czynią NetBSD doskonałym systemem operacyjnym dla: Rozwiązań wbudowanych Prac badawczych nad nowymi technologiami w informatyce Serwerów (w niektórych zastosowaniach) Komputerów osobistych o małej mocy obliczeniowej Licencja BSD przyjazna komercyjnemu wykorzystaniu
Cechy systemu wbudowanego Antyteza systemu ogólnego przeznaczenia Pełni ściśle określone przez twórców funkcje Ograniczone możliwości dostosowania i konfiguracji Sprzęt oraz oprogramowanie zwykle mocno zintegrowane Wysoka niezawodność Typowe systemy wbudowane: urządzenia sieciowe (routery, switche), sprzęt pomiarowy, komputery w samochodach, systemy alarmowe, dekodery TV, telewizory, lodówki Powoli zaciera się granica między sprzętem wykorzystywanym w systemach wbudowanych a komputerach ogólnego przeznaczenia
Wykorzystanie i rozwój NetBSD Kto używa NetBSD? Powszechnie znane firmy oraz organizacje Apple - AirPort Extreme, Time Capsule, różne komponenty OS X oraz ios Blackberry/RIM - Stos IP, sterowniki, pkgsrc w systemie QNX Dell - Force10 OS Microsoft - Architektura emips micro systems - Kasy fiskalne, POSy arcapos NASA - International Space Station oraz inni Hobbyści i hakerzy Naukowcy i uniwersytety Kto pracuje nad NetBSD? Niezależni developerzy zrzeszeni w fundacji NetBSD Firmy - konsulting w ramach projektów lub kontraktów (np. Semihalf, 3am Software Foundry, Genetec, inni)
Jądro NetBSD Klasyczne jądro monolityczne z modułami 1 Oferuje ochronę pamięci i pamięć wirtualną wymaga jednostki zarządzania pamięcią (MMU) Napisane w C, z małymi wstawkami w asemblerze Większość kodu niezależna od platformy sprzętowej Mechanizmy ułatwiające pisanie kodu zależnego od platformy oraz sterowników urządzeń bus space(4), bus dma(4) Autokonfiguracja Wbudowany w jądro debugger 1 Systemy wbudowanie zwykle nie wykorzystują modułów.
Jądro NetBSD autokonfiguracja NetBSD 6.99.12 (GENERIC) #7: Fri Oct 5 18:43:21 CEST 2012 rkujawa@saiko.local:/users/rkujawa/netbsd-eurobsdcon2012/src/sys/arch/cobalt/compile/obj/generic Cobalt Qube 2 total memory = 32768 KB avail memory = 27380 KB mainbus0 (root) com0 at mainbus0 addr 0x1c800000 level 3: ns16550a, working fifo com0: console cpu0 at mainbus0: QED RM5200 CPU (0x28a0) Rev. 10.0 with built-in FPU Rev. 1.0 cpu0: 48 TLB entries, 256MB max page size cpu0: 32KB/32B 2-way set-associative L1 instruction cache cpu0: 32KB/32B 2-way set-associative write-back L1 data cache mcclock0 at mainbus0 addr 0x10000070: mc146818 compatible time-of-day clock panel0 at mainbus0 addr 0x1f000000 gt0 at mainbus0 addr 0x14000000 pci0 at gt0 pchb0 at pci0 dev 0 function 0: Galileo GT-64011 System Controller, rev 1 pcib0 at pci0 dev 9 function 0 pcib0: VIA Technologies VT82C586 PCI-ISA Bridge, rev 57 viaide0 at pci0 dev 9 function 1 viaide0: VIA Technologies VT82C586 (Apollo VP) ATA33 controller viaide0: primary channel interrupting at irq 14 atabus0 at viaide0 channel 0 viaide0: secondary channel interrupting at irq 15 atabus1 at viaide0 channel 1 wd0 at atabus0 drive 0 wd0: <netbsd-cobalt.img> wd0: 750 MB, 1524 cyl, 16 head, 63 sec, 512 bytes/sect x 1536192 sectors
Jądro NetBSD autokonfiguracja c.d.
Część 2 Budowa aplikacji wbudowanych na NetBSD
Od czego zacząć? Pomysł patrz poprzedni wykład Wybór zestawu ewaluacyjnego (platformy sprzętowej) Wybór lub wytworzenie dodatkowych modułów sprzętowych Implementacja oprogramowania Jeśli produkcja masowa: projekt i budowa własnego sprzętu
Wybór platformy sprzętowej Czy architektura procesora (powerpc, arm, mips,...) jest już obsługiwana? Czy platforma sprzetowa, którą chcę wykorzystać jest już obsługiwana? Czy wszystkie peryferia są obsługiwane? Słowo port w terminologii NetBSD Dzięki modularnej architekturze NetBSD przeniesienie ( portowanie ) systemu na nową platformę, czy dodanie wsparcia dla nowego typu procesora jest wzlgędnie proste
Sprzęt do rozwoju aplikacji wbudowanych Łatwo dostępne zestawy uruchomieniowe i ewaluacyjne Raspberry Pi (evbarm) Beagleboard, Beaglebone (evbarm) Freescale TWR-P1025 (evbppc) Pandaboard (evbarm) wiele innych Możliwość wykorzystania niektórych produktów z półki jako zestawu NAS oparte o PowerPC MPC824x - znane produkty firm Synology, QNAP (sandpoint) Linksys NSLU2 (evbarm) Nokia N900 (evbarm) oraz inne
Dodatkowe moduły sprzętowe Wiele standardów i producentów gotowych modułów Digilent - Pmod Kamami - KAmod Beaglebone - Cape Arduino - Shield... Czy dany moduł będzie kompatybilny z moją platformą? Wykorzystywana szyna I 2 C SPI GPIO Szyna procesora... Wymagane zasilanie Wymiary płytki
Dostęp do sprzętu w aplikacji W systemach opartych na 8-bitowych oraz 16-bitowych mikrokontrolerach zwyczajem jest bezpośredni dostęp do sprzętu NetBSD jako tradycyjny system UNIX-owy implementuje ochronę pamięci i pamięć wirtualną Ściśle zdefiniowany interfejs między jądrem a przestrzenią użytkownika Większa niezawodność i bezpieczeństwo Sprzęt Jądro sterownik Przestrzeń użytkownika
Sterowniki w NetBSD Sterownik interfejs między sprzętem a przestrzenią użytkownika, zaimplementowany jako element jądra Mechanizmy jądra takie jak bus space(9) standaryzują sposób pisania sterowników Pisanie sterowników dla NetBSD wymaga znajomości: Języka C Sprzętu, który ma być obsługiwany przez sterownik (dokumentacja) Interfejsów jądra NetBSD
Aplikacja wbudowana w przestrzeni użytkownika W przypadku NetBSD aplikacja wbudowana jest zwykłym programem działającym w przestrzeni użytkownika Programista znający rozwiązania open source czuje się jak w domu Standardy API: ANSI C, POSIX, inne typowe dla UNIXa Wiele bibliotek w komplecie nie ma potrzeby wynajdywania koła na nowo Potrzebna dodatkowa funkcjonalność? pkgsrc Brak wymagań dot. działania innych procesów aplikacja może zastąpić proces /sbin/init
Konfiguracja jądra w systemie wbudowanym Jądro zbudowane bez modułów Plik konfiguracyjny jądra opisuje jakie funkcjonalności oraz jakie sterowniki mają być skompilowane w danym jądrze W systemach wbudowanych opartych o NetBSD plik konfiguracyjny jądra określa też na jakich szynach i pod jakimi adresami znajdują się peryferia W Linux i FreeBSD przyjęto inne rozwiązanie do tego samego celu - Flattened Device Tree
Budowanie NetBSD ze źródeł Procedura budowania systemu ze źródeł jest trywialna Ściągnięcie kodu źródłowego NetBSD./build.sh -m [port] tools./build.sh -m [port] distribution Skrypt build.sh jest tylko opakowauje standardowe pliki Makefile Kompilacja wskrośna całego systemu możliwa z prawie każdego innego systemu UNIX-owego (Linux, MacOS X, *BSD, Solaris, itd.), także o innej architekturze procesora
Część 3 Prosta aplikacja wbudowana
Beaglebone SoC Texas Instruments AM335x 720MHz 32-bitowa architektura ARM v7 256MB DDR2 SDRAM Slot micro SD, Ethernet, host USB Ustandaryzowane złącza pozwalają na dołączanie dodatkowych modułów ( cape jak shield w Arduino) Interfejsy typowe dla mikrokontrolerów - SPI, I 2 C, ADC, CAN, itd. Teraz dostępna nowa wersja Black - 1GHz, 512MB DDR3, HDMI ($45)
Aplikacja wbudowana założenia funkcjonalne Pomiar temperatury otoczenia Wyświetlanie wartości chwilowej temperatury przez interfejs web Przechowywanie danych historycznych Wyświetlanie danych historycznych przez interfejs web
Aplikacja wbudowna peryferia Moduł KAmodTEM firmy Kamami Półprzewodnikowy czujnik temperatury Microchip MCP9801 Interfejs - szyna I 2 C, domyślny adres 0x48 Pomiar w zakresie 55 do +125 C +V 2,7 do 5,5 VDC +V Temperatura AM335x I 2 C MCP9801
Architektura naszej aplikacji wbudowanej BeagleBone Sprzęt AM335x I 2 C ctrl 0 0x44e0b000 I 2 C MCP9801 Jądro bus_space tiiic iic mcp980x sysmon envsys httpd Przestrzeń użytkownika CGI envstat /dev/sysmon
Sterownik układów MCP980x Sterownik mcp980x(4) Źródła src/sys/dev/i2c/mcp980x.c src/sys/dev/i2c/mcp980xreg.h Zarejestrowany w files.i2c Wykorzystuje niezależny od platformy sterownik szyny I 2 C - iic(4) Konfiguracja jądra src/sys/arch/evbarm/conf/beaglebone mcp980x* at iic1 addr 0x48 Komunikaty w buforze jądra podczas startu tiiic1 at obio0 addr 0x4802a000-0x4802afff intr 71: rev 0.11 iic1 at tiiic1: I2C bus mcp980x0 at iic1 addr 0x48: Microchip MCP980x Temperature Sensor
Komunikacja z przestrzenią użytkownika Sterownik wykorzystuje interfejs sysmon envsys(9) do przekazywania danych do przestrzeni użytkownika Plik urządzenia /dev/sysmon (sysmon(4)) stanowi styk jądra z przestrzenią użytkownika Test z powłoki Polecenie envstat(8) # envstat Current CritMax WarnMax WarnMin CritMin Unit [mcp980x0] Ambient temp: 25.000 degc...
Serwer HTTP jako interfejs użytkownika NetBSD posiada wbudowany daemon httpd(8) Obsługa CGI (oraz języków skryptowych jak PHP, Python) Najprostsze rozwiązanie dla aplikacji wbudowanej: Skrypt powłoki wykonywany przez serwer HTTP Uruchamia polecenia systemowe Przedstawia wynik w formie HTML Konfiguracja i uruchomienie: /etc/rc.conf: httpd=yes httpd flags= -c /var/cgi/ /etc/rc.d/httpd start Skopiowanie skryptu do katalogu /var/cgi/ #! / b i n / sh echo Content type : text / html echo echo <html><body> / u s r / s b i n / e n v s t a t g r e p i ˆ. Ambient awk { p r i n t $3 } echo st. C<br/> echo </body></html>
To działa! Wykonanie testu http://adres beaglebone/cgi-bin/temp.cgi Serwer HTTP wykonuje skrypt CGI, który uruchamia polecenie envstat(8) Polecenie to komunikuje się z interfejsem sysmon(4) poprzez plik urządzenia /dev/sysmon Podsystem ten odpytuje sterownik mcp980x(4) o temperaturę Sterownik komunikuje się z modułem KAmodTEM używając warstwy iic(4) (a pod spodem sterownika szyny I 2 C właściwego dla danego kontrolera) Skrypt z wyniku envstat wybiera bierzącą temperaturę, opakowuje ją w HTML
Jak zaimplementować historię? Format RRD Round Robin Database Narzędzie rrdtool Skrypt uruchamiany za pomocą cron a próbkuje temperaturę Próbka zapisywana jest do bazy RRD Zestaw skryptów uruchamianych z cron a generuje wykresy na podstawie danych w bazie (ostatnia godzina, dzień, tydzień) Wykresy zapisywane są do katalogu udostępnionego przez serwer HTTP
Dane historyczne - skrypty i ich wykonanie crontab # m h d m t komenda */1 * * * * /opt/temp-update.sh */2 * * * * /opt/temp-graph.sh /var/www/rrd/temp-hour.png 1hour */10 * * * * /opt/temp-graph.sh /var/www/rrd/temp-day.png 1day */30 * * * * /opt/temp-graph.sh /var/www/rrd/temp-week.png 1week Zapis próbek do bazy temp-update.sh #! / b i n / sh / u s r / pkg / b i n / r r d t o o l update / v a r /www/ r r d /temp. r r d \ d a t e +%s : e n v s t a t g r e p Ambient awk { p r i n t $3 } Skrypt generujący wykresy temp-graph.sh #! / b i n / sh / u s r / pkg / b i n / r r d t o o l graph $1 X 0 end now s t a r t end $2 width 600 \ DEF : temp=/v a r /www/ r r d /temp. r r d : temp : AVERAGE \ LINE1 : temp#0000ff : MCP9801 ambient temperature\ l
Przeglądanie historii W wyniku działania skryptów w /var/www/rrd/ odkładane są gotowe wykresy Wyświetlanie wszystkich wykresów możliwe jest z jednego pliku HTML /var/www/history.html Test: http://adres beaglebone/history.html <html><body><center> History: last hour<br/> <img src="rrd/temp-hour.png"><br/><br/> History: last day<br/> <img src="rrd/temp-day.png"><br/><br/> History: last week<br/> <img src="rrd/temp-week.png"><br/> </center></body></html>
Co można zrobić dalej w tej aplikacji? Budowa stacji pogody Wyświetlanie temperatury na LCD (tekstowym lub graficznym) Przełączanie widoku na LCD za pomocą przycisków wykorzystanie linii GPIO Wyświetlanie historii z zadanego okresu Możliwość rekonfiguracji w trakcie pracy (np. dokładności czujnika, częstotliwości zapisu próbek, etc.) Monitoring ciśnienia z użyciem dodatkowego czujnika (np. MPL115A2) Pobieranie prognozy z internetu
Propozycje innych prostych systemów wbudowanych Możliwe do zrealizowania z użyciem BealgeBone oraz dodatkowych modułów Odtwarzacz audio przetwornik C/A (np. TS4657) wyświetlacz LCD (np. HD44xxx) przyciski Sterowanie oświetleniem... moduł z przekaźnikami wyświetlacz LCD przyciski
Część 4 Podsumowanie
Podsumowanie NetBSD w zastosowaniach wbudowanych sprawdza się dobrze Potwierdza to wykorzystanie komercyjne przez czołowe firmy Wykorzystanie sprawdzonych rozwiązań zmniejsza czas rozwoju aplikacji Pozwala na użycie w rozwiązaniach wbudowanych technik i narzędzi znanych z systemów serwerowych W zastosowaniach wbudowanych wciąż mała, lecz rosnąca popularność wśród hobbystów
Jeśli system NetBSD was zainteresował... Oficjalna strona NetBSD The NetBSD Guide NetBSD based toaster Building products with NetBSD - thin clients Writing NetBSD drivers with the bus space(4) framework Kontakt do mnie rkujawa@netbsd.org wiki.netbsd.org/users/rkujawa
Pytania Czy są jakieś pytania?
Koniec... Dziękuje!