1. Introducción Enfoque del trabajo Objetivos Estructura de la memoria...3

Transcripción

1 Abstract Este trabajo analizará con detalle cada una de las partes de hardware de la placa de desarrollo LN2410 del fabricante coreano Clabsys, para después adaptar dos de los sistemas operativos más comunes en el mercado. Para ello se planteará toda la plataforma de hardware y software necesaria para poder desarrollar tanto el sistema operativo deseado como las aplicaciones específicas capaces de explotar todas las posibilidades de este hardware empotrado.

2 Resumen La placa de desarrollo LN2410 es un sistema hardware empotrado. Se llama así por que en un espacio físico reducido incorpora múltiples funcionalidades de procesado, adquisición de datos, comunicaciones, ínter actuación con el usuario, gráficos y expansión. El problema es la falta de documentación. La poca adjuntada está escrita en coreano. Otro problema es el incorrecto funcionamiento de parte del software proporcionado que sólo funciona en equipos coreanos. Partiendo de esta base se inicia todo un proceso de investigación sobre las posibilidades de esta placa de desarrollo, sistemas operativos adecuados, cómo instalarlos y de qué manera desarrollar aplicaciones que corran sobre ellos. Primero explicaremos de qué tipo de hardware disponemos en nuestra placa de desarrollo junto con sus especificaciones y características principales. Seguidamente profundizaremos en la mejor plataforma sobre la que desarrollaremos todo el proceso que nos llevará desde los ficheros fuente de un sistema operativo hasta una imagen binaria que arrancará todo el sistema. Por último es imprescindible conocer a los dos operativos actuales, Linux y Windows, que admite nuestra placa de desarrollo; su manera de configurar, compilar e instalarlos así como desarrollar aplicaciones sobre ellos. Todo el trabajo está firmemente orientado como material docente para que pueda utilizarse en cualquier asignatura que abarque las áreas de creación y administración de sistemas operativos, indirectamente entornos distribuidos.

3 Índice 1. Introducción Enfoque del trabajo Objetivos Estructura de la memoria Arquitectura y componentes de la placa Visión general Arquitectura ARM Historia Características ARM 920T Dispositivos I/O Introducción USB Ethernet RS Ranuras para tarjetas MMC/SD y CF Conector IDE para HDD/CDROM Pantalla táctil LP Puerto JTAG Memoria Introducción Memoria Flash Características generales Funcionamiento Memoria SDRAM Entorno de trabajo Plataforma de desarrollo Bootstrap Instalación controlador JTAG en el puerto paralelo Descarga del bootstrap a la memoria NOR Linux Embedded El kernel, Linux Historia Características principales y diferencias con Linux El Bootloader, Das U-Boot Descarga del bootloader a la memoria NOR Configuración del bootloader a través de Hyperterminal Compilación cruzada del núcleo Instalación del compilador cruzado o toolchain...43

4 4.3.2 Compilando el núcleo Descarga del núcleo en la placa LN El intérprete de comandos BusyBox Comunicaciones por Bluetooth Transferencia de ficheros por Bluetooth Entornos gráficos El sistema de ficheros Arranque del sistema Windows CE Introducción Historia Características principales El bootloader, Eboot Descarga del bootloader a la memoria NOR Configuración del bootloader, Eboot, a través de Hyperterminal Platform Builder Instalación Platform Builder Instalación BSP de Clabsys para Platform Builder Compilando Windows CE 5.0 con Platform Builder Descarga de Windows CE 5.0 en la placa LN Conexión al equipo host vía USB Ejemplo desarrollo de un aplicación con Visual Studio Coste de realización Conclusiones Líneas de futuro Bibliografía Agradecimientos...121

5 Índice de figuras Figura 2.1: Visión general posterior de la placa de desarrollo LN Figura 2.2: ARM: Visión del núcleo del procesador ARM920T...9 Figura 2.3: USB tipo Device...11 Figura 2.4: USB tipo Host...11 Figura 2.5: Puerto Ethernet...12 Figura 2.6: Puerto RS Figura 2.7: Pantalla táctil Samsung LP Figura 3.1: Esquema de conexión del host a la placa LN Figura 3.2: Mapa de memoria NOR en la placa LN Figura 3.3: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...25 Figura 3.4: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...26 Figura 3.5: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...26 Figura 3.6: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...26 Figura 3.7: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...27 Figura 3.8: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...27 Figura 3.9: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...28 Figura 3.10: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...28 Figura 3.11: JATG: Instalación del controlador giveio.sys...29 Figura 3.12: JFLASH: Escritura en memoria NOR del bootstrap...30 Figura 4.1: Historia cronológica de Linux...33 Figura 4.2: Esquema por capas para carga de Linux...36 Figura 4.3: Mapa de memoria en la placa LN Figura 4.4: JFLASH: Escritura en memoria NOR del bootloader...39 Figura 4.5: Hyperterminal: Configuración de conexión...40 Figura 4.6: Hyperterminal: Primera ejecución U-Boot...41 Figura 4.7: Hyperterminal: Configuración variables de entorno Ethernet...42 Figura 4.8: Descarga y descompresión de crosstools...44 Figura 4.9: Instalación de crosstools...45 Figura 4.10: Instalación de crosstools...46 Figura 4.11: Añadimos la ruta al PATH del sistema...47 Figura 4.12: Comprobamos que tenemos acceso a los binarios...47 Figura 4.13: Descomprimimos el código fuente...48 Figura 4.14: Aplicamos el parche...49 Figura 4.15: Editando Makefile...49 Figura 4.16: Gestor de Paquetes Synaptic...50 Figura 4.17: Carga de la configuración del núcleo...51 Figura 4.18: Rectificación de la configuración del núcleo...52 Figura 4.19: Rectificación de la configuración del núcleo...52 Figura 4.20: Configuración soporte Bluetooth...53 Figura 4.21: Configuración soporte IDE...54 Figura 4.22: Creación del kernel para placa LN

6 Figura 4.23: Copiamos zimage de Linux a Windows...55 Figura 4.24: Descarga del núcleo en la placa LN Figura 4.25: Descompresión Busybox Figura 4.26: Configuración Busybox Figura 4.27: Configuración opciones Busybox Figura 4.28: Compilación cruzada Busybox Figura 4.29: Arquitectura del subsistema Bluetooth con Bluez...60 Figura 4.30: Descompresión librería Bluez...61 Figura 4.31: Configuración librería Bluez...62 Figura 4.32: Copiamos contenido generado al compilador...63 Figura 4.33: Descompresión utilidades Bluez...63 Figura 4.34: Configuración utilidades Bluez...64 Figura 4.35: Instalación ficheros para transferir ficheros por Bluetooth...65 Figura 4.36: Configuración openobex...66 Figura 4.37: Actualizamos el compilador cruzado...67 Figura 4.38: Actualizamos el compilador cruzado...67 Figura 4.39: Compilación e instalación de openobex...68 Figura 4.40: Configuración zlib...70 Figura 4.41: Instalación zlib en la placa de desarrollo LN Figura 4.42: Descompresión ficheros necesarios Microwindows...72 Figura 4.43: Aplicamos parche para Microwindows...72 Figura 4.44: Editando config...73 Figura 4.45: Editando Makefile.rules...74 Figura 4.46: Ejecución aplicaciones Nano-X...75 Figura 4.47: Ejecución calibración Nano-X...75 Figura 4.48: Aplicaciones de demostración Nano-X...76 Figura 4.49: Arranque placa LN Figura 4.50: Fichero de configuración rc.local...79 Figura 4.51: Fichero de configuración /etc/profile...80 Figura 4.52: Línea de configuración de arranque del kernel...81 Figura 4.53: Creación de bootpimage...82 Figura 4.54: Arranque de Linux desde SDRAM...83 Figura 4.55: Formateamos la tarjeta SD...83 Figura 4.56: Intérprete de comandos Busybox...85 Figura 5.1: Esquema por capas para carga de Windows CE...88 Figura 5.2: Descarga bootloader Eboot a la memoria NOR...90 Figura 5.3: Pantalla bootloader Eboot en la placa LN Figura 5.4: Inicio del bootloader Eboot...93 Figura 5.5: Configuración del bootloader Eboot...94 Figura 5.6: Instalación de Platform Builder...95 Figura 5.7: Instalación de Platform Builder...95 Figura 5.8: Aceptación de licencia de Platform Builder...96 Figura 5.9: Introducción de la llave y registro de Platform Builder...96 Figura 5.10: Instalación personalizada de Platform Builder...97 Figura 5.11: Selección de los directorios de instalación de Platform Builder...97 Figura 5.12: Personalización de la instalación de Platform Builder...98

7 Figura 5.13: Aceptación de licencia de Platform Builder...99 Figura 5.14 Listo para instalar de Platform Builder...99 Figura 5.15: Finalización de la instalación de Platform Builder Figura 5.16: Instalación del BSP Figura 5.17: Ubicación de la instalación del BSP Figura 5.18: Finalización de la instalación del BSP Figura 5.19: Entorno de desarrollo con Platform Builder Figura 5.20: Conexión entre la placa LN2410 y Platform Builder Figura 5.21: Descarga imagen Windows CE a la placa Figura 5.22: Windows CE en la placa LN Figura 5.23: Instalación como USB Device Figura 5.24: Hacemos caso omiso prueba logotipo Windows Figura 5.25: Finalizamos la instalación Figura 5.26: Seleccionamos tipo asociación Figura 5.27: Conectamos con el equipo Figura 5.28: Exploración placa LN Figura 5.29: Creamos un nuevo proyecto Figura 5.30: Especificamos tipo de aplicación Figura 5.31: Conectamos la placa de desarrollo LN Figura 5.32: Descarga de la aplicación en la placa LN Figura 5.33: Hola mundo en LN

8 Capítulo 1 Introducción 1.1 Enfoque del trabajo Este trabajo está orientado a buscar una plataforma de desarrollo adecuada para que cualquier persona sea capaz de crear, configurar y descargar un sistema operativo, completo y funcional en la placa de desarrollo LN2410. Para ello será necesario que tenga un conocimiento profundo del hardware que la compone, que tenga instalado una correcta plataforma de desarrollo y que disponga de los ficheros fuente adecuados. Explicaremos la plataforma propuesta, sus ventajas e inconvenientes y poco a poco nos iremos sumergiendo en el proceso de desarrollo de todo el sistema operativo, tanto para Windows como para Linux, para después acabar explicando la manera de desarrollar aplicaciones para cada caso. Como no teníamos un punto de partida fijo ya que la documentación era muy escasa muchas de las partes descritas son fruto de un largo proceso de investigación y de un testeo prueba-error muy agresivo. Finalmente disponemos de un entorno sencillo, funcional y capaz de desarrollar un sistema operativo entero en muy poco tiempo, incluso si disponemos de la imagen es cuestión de segundos tener un sistema operativo corriendo en la placa LN2410. Esto facilitará que, en un futuro, se abran nuevas vías de investigación tanto sobre los sistemas operativos como en las posibles aplicaciones que se pueden desarrollar. 1

9 Plataforma de desarrollo de la placa LN Objetivos Los objetivos que se pretenden abarcar en este trabajo son: Visión global del hardware disponible en la placa LN2410 Análisis de la plataforma de desarrollo adaptada a nuestro sistema y que sea compatible tanto con nuestro entorno Windows como con Linux. Comprensión del proceso de configuración inicial de la placa. Configuración, creación e instalación de los sistemas operativos Windows y Linux. Entorno propuesto para la creación de aplicaciones para cada uno de ellos.

10 Plataforma de desarrollo de la placa LN Estructura de la memoria La estructura de la memoria está dividida en dos partes claramente diferenciadas. La primera parte corresponde a la descripción de la placa y de todos sus componentes, identificándolos visualmente y técnicamente, junto a una descripción de su tecnología. La segunda parte corresponde a la creación, configuración y descarga en la placa de ambos sistemas operativos además de la carga de la configuración inicial. Se ha hecho de esta manera para dotar al trabajo de una visión más docente, explicando cada sistema operativo en profundidad al mismo tiempo que guía al lector en todo el proceso para, al final, tener un único fichero que cargaremos en la placa para obtener un sistema operativo completo funcionando sobre ella. Ciertamente esta memoria no sigue una estructura convencional por varios motivos. El primero es que no se trata de desarrollo de software sino que se ha tratado de recopilar los procesos a seguir optimizados para crear un compendio de pasos a modo de guía didáctica. Esta guía es tan útil para el profesor docente con todo lujo de detalles como para los alumnos, en una versión reducida, para animar sus deseos de investigación. Además sirve como punto de partida para todos aquellos proyectistas o intensificadores que estén interesados en adentrarse en el desarrollo de aplicaciones empotradas o ampliaciones y futuras actualizaciones de ambos sistemas operativos.

11 Capítulo 2 Arquitectura y componentes de la placa 2.1 Visión general La placa LN2410 del fabricante coreano Clabsys es una placa de desarrollo especialmente diseñada para albergar sistemas empotrados. Cuenta con muchas características importantes, entre ellas la gran capacidad de memoria de almacenamiento (32MB) junto con la dedicada a la ejecución (64MB) así como las múltiples capacidades de expansión gracias a su puerto Ethernet y USB. Por contra cuenta con un procesador muy potente pero no suficiente para albergar algún sistema operativo moderno como Windows Mobile 6.0. Las posibilidades potenciales de este conjunto, tanto por su procesador, como por todos sus dispositivos de entrada / salida, son enormes. Aplicaciones móviles, entornos distribuidos, comunicaciones por Bluetooth, inalámbricas o por Ethernet, son algunos de los ejemplos posibles. 4

12 Plataforma de desarrollo de la placa LN Identificaremos ahora sus componentes: Figura 2.1: Visión general posterior de la placa de desarrollo LN2410

13 Plataforma de desarrollo de la placa LN A: Conector para la alimentación. B: Puerto USB, configurado en modo Host, es decir, preparado para conectarle todo tipo de dispositivos USB como discos duros, pastillas Wi-fi, pastillas Bluetooth, etc. C: Puerto USB, configurado en modo Device, este será cuando queramos identificarlo como dispositivo tipo Placa LN2410. D: Puerto para conexión Ethernet. E: Puerto RS232 principalmente para conectarnos en modo consola remota. F: Primer banco de memoria SDRAM de 32MB modelo K4S561632H- T(U)C/L75. G: Memoria NOR modelo Am29LV160D de 2MB. H: Adaptador JTAG I: Lector de tarjetas SD/MMC. J: Lector de tarjetas CompactFlash. K: Botón de reset. L: Controlador GPIO modelo XC9536XL de Xilinx. M: Corazón del sistema. Procesador ARM S3C2410 con núcleo ARM920T N: Conector de corriente para un HDD, usando el conector J10 como bus de datos. O: Tarjeta de red, tipo CS8900 de Crystal LAN. P: Altavoz del sistema Q: Memoria NAND, lista para almacenar el sistema operativo, modelo K9F5608 de 32MB R: Segundo banco de memoria SDRAM de 32MB modelo K4S561632H- T(U)C/L Arquitectura ARM Historia El diseño del ARM comenzó en 1983 como un proyecto de desarrollo en la empresa Acorn Computers Ltd. Roger Wilson y Steve Furber lideraban el equipo[1]. El equipo terminó el diseño preliminar y los primeros prototipos del procesador en el año 1985, al que llamaron ARM1. La primera versión utilizada comercialmente se bautizó como ARM2 y se lanzó en el año La arquitectura del ARM2 posee un bus de datos de 32 bits y ofrece un espacio de direcciones de 26 bits, junto con 16 registros de 32 bits. Uno de estos registros se utiliza como contador de programa, aprovechándose sus 4 bits superiores y los 2 inferiores para contener los flags de estado del procesador. El ARM2 es probablemente el procesador de 32 bits útil más simple del mundo, ya que posee sólo transistores. Su simplicidad se debe a que no

14 Plataforma de desarrollo de la placa LN está basado en microcódigo (sistema que suele ocupar en torno a la cuarta parte de la cantidad total de transistores usados en un procesador) y a que, como era común en aquella época, no incluye caché. Gracias a esto, su consumo en energía es bastante bajo, a la vez que ofrece un mejor rendimiento que un 286. Su sucesor, el ARM3, incluye una pequeña memoria caché de 4 KB, lo que mejora los accesos a memoria repetitivos. A finales de los años 80, Apple Computer comenzó a trabajar con Acorn en nuevas versiones del núcleo ARM. En Acorn se dieron cuenta de que el hecho de que el fabricante de un procesador fuese también un fabricante de ordenadores podría echar para atrás a la competencia, por lo que se decidió crear una nueva compañía llamada Advanced RISC Machines, que sería la encargada del diseño y gestión de las nuevas generaciones de procesadores ARM. Ocurría esto en el año Este trabajo derivó en el ARM6, presentado en Apple utilizó el ARM 610 (basado en el ARM6), como procesador básico para su innovador PDA, el Apple Newton. Por su parte, Acorn lo utilizó en 1994 como procesador principal en su RiscPC. El núcleo mantuvo su simplicidad a pesar de los cambios: en efecto, el ARM2 tiene transistores, mientras que el ARM6 sólo cuenta con La idea era que el usuario final combinara el núcleo del ARM con un número opcional de periféricos integrados y otros elementos, pudiendo crear un procesador completo a la medida de sus necesidades. La mayor utilización de la tecnología ARM se alcanzó con el procesador ARM7TDMI, con millones de unidades en teléfonos móviles y sistemas de videojuegos portátiles. DEC licenció el diseño, lo cual generó algo de confusión debido a que ya producía el DEC Alpha, y creó el StrongARM. Con una velocidad de reloj de 233 MHz, este procesador consumía solo 1 watt de potencia (este consumo de energía se ha reducido en versiones más recientes). Esta tecnología pasó posteriormente a manos de Intel, como fruto de un acuerdo jurídico, que la integró en su línea de procesadores Intel i960 e hizo más ardua la competencia. Freescale (una empresa que derivó de Motorola en el año 2004), IBM, Infineon Technologies, OKI, Texas Instruments, Nintendo, Philips, VLSI, Atmel, Sharp, Samsung y STMicroelectronics también licenciaron el diseño básico del ARM. El diseño del ARM se ha convertido en uno de los más usados del mundo, desde discos duros hasta juguetes. Hoy en día, cerca del 75% de los procesadores de 32 bits poseen este chip en su núcleo. El procesador incluido el la placa de desarrollo LN2410SBC es el modelo ARM 920T, pertenece a la familia ARM9TDMI y tiene una caché de 16KB/16KB y MMU, junto con una velocidad de proceso de 200MIPS

15 Plataforma de desarrollo de la placa LN Características ARM 920T En primer lugar es necesario ubicarnos en el procesador de la placa, un Samsung S3c2410 con núcleo ARM 920T de la familia ARM9TDMI[2]. El ARM 920T es un procesador integrado RISC de 32 bits de alto rendimiento para sistemas abiertos que requieren una administración de memoria virtual completa junto con una sofisticada protección de memoria. Construido sobre la base del núcleo del robusto procesador ARM9TDMI, la familia ARM9 trabaja hasta 250MHz sobre una tecnología de 0,13 µgm, incorporando el juego de instrucciones de 16 bits Thumb, que mejora la densidad de código hasta un 40%. Tiene un alto rendimiento lo que permite integrar mayores funcionalidades en aplicaciones de reducido coste, complejidad i consumo energético. Una mejorada versión de la implementación de la MMU de la arquitectura ARM permite la traducción y control de acceso para instrucciones y direcciones de datos. El código binario generado para este procesador es 100% con el núcleo ARM7TDMI y con la familia ARM7 Thumb y los procesadores StrongARM, facilitando la tarea de los diseñadores para escoger entre una amplia gama de procesadores desde 60 a más de 200 MiPS. Para reducir el efecto del ancho de banda de la memoria y la latencia en el rendimiento utiliza caché de datos e instrucciones, MMU, TLBs y buffer de escritura y direcciones físicas TAG RAM. Actualmente la arquitectura ARM se usa en aplicaciones basadas en sistemas operativos como Windows CE, EPOC, Linux y QNX, así como en más de 40 sistemas operativos de tiempo real, aplicaciones inalámbricas de alto rendimiento como SmartPhones o PDAs, codificación de audio y video, soluciones de control para automóviles, etc. Sus características más destacadas son: Procesador RISC de 32 bits con juego de instrucciones Thumb. Dos caches de 16KB, una para datos y otra para instrucciones, cada una conectada por un bus de 32 bits al núcleo del ARM9TDMI permitiendo decodificar una instrucción al mismo tiempo que hacemos un acceso a memoria. Bloqueo de caché que permite a secuencias de código críticas bloquearse dentro de la caché para asegurar la previsibilidad en tiempo real. El algoritmo de reemplazamiento lo selecciona el operativo y puede ser tanto pseudo aleatorio como round-robin. Buffer de escritura de 16 entradas para prevenir paradas del procesador al escribir en memorias externas. Uso de memoria PATAG RAM permitiendo guardar las direcciones físicas retenidas en la caché de datos eliminando la traducción de direcciones cuando el procesador las necesita.

16 Plataforma de desarrollo de la placa LN Unidad de gestión de memoria (MMU Memory Management Unit ). Permite múltiples tamaños de secciones de mapeo de memoria, permiso de acceso por secciones, 2 TLBs de 64 posiciones, uno para datos y otro para instrucciones y un algoritmo de reemplazamiento cíclico ( round-robin ) Controlador del sistema, que gestiona las peticiones entre las instrucciones y el acceso a datos dando prioridad a un recurso o permitiendo que la ejecución continúe. Llevable a tecnologías de integración de silicio de 0.18 µgm, 0.15 µgm y 0.13 µgm. El diseño del procesador permite ajustar dinámicamente su velocidad, incluso pararlo, para adaptarse a las necesidades inmediatas de procesamiento. El bus del sistema i la memoria externa también pueden adaptarse a una velocidad menor que l procesador para reducir el consumo de memoria. Sistema de interrupciones de baja latencia i soporte para memoria virtual. Figura 2.2: ARM: Visión del núcleo del procesador ARM920T

17 Plataforma de desarrollo de la placa LN Dispositivos I/O Introducción La placa de desarrollo LN2410SBC consta de una serie de periféricos I/O como son el puerto USB, Ethernet, RS232, junto con dos ranuras para tarjetas, uno para MMC/SD y otra para CF. Además también incorpora un puerto IDE para conexión HDD/CDROM y una pantalla táctil para interactuar con el usuario. También es importante la adición de un puerto JTAG para tener un acceso completo a la memoria del dispositivo USB El Universal Serial Bus (bus universal en serie)[3] es un puerto que sirve para conectar periféricos a una computadora. Fue creado en 1996 por siete empresas: IBM, Intel, Northern Telecom, Compaq, Microsoft, Digital Equipment Corporation y NEC. El estándar incluye la transmisión de energía eléctrica al dispositivo conectado. Algunos dispositivos requieren una potencia mínima, así que se pueden conectar varios sin necesitar fuentes de alimentación extra. La gran mayoría de los concentradores incluyen fuentes de alimentación que brindan energía a los dispositivos conectados a ellos, pero algunos dispositivos consumen tanta energía que necesitan su propia fuente de alimentación. Los concentradores con fuente de alimentación pueden proporcionarle corriente eléctrica a otros dispositivos sin quitarle corriente al resto de la conexión (dentro de ciertos límites). El diseño del USB tenía en mente eliminar la necesidad de adquirir tarjetas separadas para poner en los puertos bus ISA o PCI, y mejorar las capacidades plug-and-play permitiendo a esos dispositivos ser conectados o desconectados al sistema sin necesidad de reiniciar. Cuando se conecta un nuevo dispositivo, el servidor lo enumera y agrega el software necesario para que pueda funcionar. El USB puede conectar los periféricos como ratones, teclados, escáneres, cámaras digitales, teléfonos móviles, reproductores multimedia, impresoras, discos duros externos, tarjetas de sonido, sistemas de adquisición de datos y componentes de red. Para dispositivos multimedia como escáneres y cámaras digitales, el USB se ha convertido en el método estándar de conexión. Para impresoras, el USB ha crecido tanto en popularidad que ha desplazado a un segundo plano a los puertos paralelos porque el USB hace mucho más sencillo el poder agregar más de una impresora a una computadora personal. La placa de desarrollo LN2410 cuenta con dos puertos USB, uno de tipo Host y otro de tipo Device. El puerto de tipo Host será en el que conectemos cualquier dispositivo USB que queramos, como por ejemplo una pastilla Bluetooth. El puerto de tipo Device es el que al conectarlo a otro equipo

18 Plataforma de desarrollo de la placa LN identificará a la placa como Placa de desarrollo LN2410. Este tipo de conexiones tipo Device son especialmente útiles para conectar la placa a un entorno de desarrollo de alto nivel, como, por ejemplo, Visual Studio, desde donde podremos crear nuestra aplicación en cualquier lenguaje de programación y hacer un deploy o desplegarla en la placa a través de un cable USB, pudiendo debugar la aplicación desde nuestra estación de desarrollo. Figura 2.4: USB tipo Device Figura 2.5: USB tipo Host Ethernet El puerto Ethernet está gobernado por el chip CS8900A de Cirrus Logic[4], también conocido como Crystal LAN, su diseño extremadamente integrado elimina la necesidad de otros aparatosos componentes. Incluye una memoria RAM, filtro para recibir y enviar en 10BASET y una interfaz BUS-ISA directa. Sus características más destacadas son: Consumo mínimo de tan solo 55mA, pudiendo trabajar si fuera necesario a 3V. Arquitectura PacketPage capaz de adaptarse a los cambios del tráfico de la red y a los recursos del sistema disponibles aumentando la eficacia del mismo. Funcionamiento en modo Full-Dúplex. Puerto 10BASET con filtros analógicos que permiten detectar y corregir la polaridad automáticamente. Características de transmisión programables, como la retransmisión automática al darse colisión o la generación automática de CRC o padding. Características de recepción programables, como Stream Transfer que evita sobrecarga de la CPU, cambio automático entre memoria del chip y la DMA, rechazo automático de los paquetes erróneos o interrupciones tempranas para el preproceso de tramas. Soporta EEPROM para auto-configuraciones. Boot PROM, para arrancar desde sistemas sin disco.

19 Plataforma de desarrollo de la placa LN Gracias a su puerto Ethernet, la placa LN2410 expande sus posibilidades adquiridas con su puerto USB, dotándola de un gran interconectividad entre sistemas. Figura 2.6: Puerto Ethernet RS232 También conocido como Electronic Industries Alliance RS-232C[5], es una interfaz que designa una norma para el intercambio serie de datos binarios entre un DTE (Data Terminal Equipment, Equipo terminal de datos, en nuestro caso la placa de desarrollo LN2410) y un DCE (Data Communication Equipment, Equipo de Comunicación de datos, en nuestro caso el PC de desarrollo), aunque existen otras situaciones en las que también se utiliza la interfaz RS-232. Para gestionar esta comunicación es necesario de una UART, diseñadas para convertir las señales que maneja la CPU y transmitirlas al exterior. La UART debe resolver problemas tales como la conversión de voltajes internos del DCE con respecto al DTE, gobernar las señales de control, y realizar la transformación desde el bus de datos de señales en paralelo a serie y viceversa. Debe ser robusta y deberá tolerar circuitos abiertos, cortocircuitos y escritura simultánea sobre un mismo pin, entre otras consideraciones. Cabe destacar que la placa incorpora una UART de tres canales de los que uno se dedica íntegramente al control del puerto RS232 y los otros dos quedan relegados al puerto de expansión J6, normalmente dedicado al control y gestión de la pantalla táctil. Además es necesario la utilización de un cable null-modem, en donde tenemos cruzadas las líneas de recepción y de transmisión, DE-9 (9 pines), para que la comunicación sea efectiva. Esta comunicación es necesaria para poder interactuar con la placa en las primeras fases de la instalación, para debugar más adelante o para comunicarnos con otros dispositivos. Figura 2.7: Puerto RS232

20 Plataforma de desarrollo de la placa LN Ranuras para tarjetas MMC/SD y CF Mediante las dos ranuras para tarjetas, uno para MMC/SD y otro para CF, disponemos de una gran variedad de aplicaciones. La ranura MMC/SD la utilizaremos principalmente como lector de dispositivos de memoria. La tarjeta MMC[6] es un estándar de tarjeta de memoria flash. Prácticamente igual a la SD, carece de la pestaña de seguridad que evita sobrescribir la información grabada en ella. Su forma está inspirada en el aspecto de los antiguos disquetes de 3'5 pulgadas. Actualmente ofrece una capacidad máxima de 4GB. Presentada en 1997 por Siemens AG y SanDisk, se basa en la memoria flash de Toshiba base NAND, y por ello es más pequeña que sistemas anteriores basados en memorias flash de Intel base NOR, tal como la CompactFlash. MMC tiene el tamaño de un sello de correos: 24 mm x 32 mm x 1,4 mm. Originalmente usaba un interfaz serie de 1-bit, pero versiones recientes de la especificación permite transferencias de 4 o a veces incluso 8 bits de una vez. Han sido más o menos suplantadas por las Secure Digital (SD), pero siguen teniendo un uso importante porque las MMCs pueden usarse en la mayoría de aparatos que soportan tarjetas SD (son prácticamente iguales), pudiendo retirarse fácilmente para leerse en un PC. Las MMCs están actualmente disponibles en tamaños de hasta 4GB con modelos de 8GB anunciados, aún no disponibles. Se usan en casi cualquier contexto donde se usen tarjetas de memoria, como teléfonos móviles, reproductores de audio digital, cámaras digitales y PDAs. Desde la introducción de la tarjeta Secure Digital y la ranura SDIO (Secure Digital Input/Output), pocas compañías fabrican ranuras MMC en sus dispositivos, pero las MMCs, ligeramente más delgadas y de pines compatibles, pueden usarse en casi cualquier dispositivo que soporte tarjetas SD si lo hace su software/firmware. La otra ranura es de tipo CF[7], fue originalmente un tipo de dispositivo de almacenamiento de datos, usado en dispositivos electrónicos portátiles. Como dispositivo de almacenamiento, suele usar memoria flash en una carcasa estándar, y fue especificado y producido por primera vez por SanDisk Corporation en El formato físico sirve ahora para una gran variedad de dispositivos. Principalmente hay dos tipos de tarjetas CF, el Tipo I y el Tipo II, ligeramente más grueso. Para nuestros propósitos con la placa de desarrollo LN2410 sólo podemos disponer de tarjetas CF Tipo I. CF estaba entre los primeros estándares de memoria flash para competir con las anteriores, y de un tamaño mayor, tarjetas de memoria PC Card Tipo I, y se fabricó originalmente a partir de memorias flash basadas en NOR de Intel, aunque finalmente se pasó a usar NAND. Se ha beneficiado de tener tanto un buen coste en relación a la capacidad de la memoria comparado con otros formatos. La memoria flash basada en NOR tiene una densidad menor que la de los sistemas más recientes basados en NAND, CompactFlash es, por consiguiente,

21 Plataforma de desarrollo de la placa LN el más grande de los tres formatos de tarjetas de memoria que aparecieron a principios de los años 90, siendo las otras dos la Miniature Card (MiniCard) y SSDFC (SmartMedia). Sin embargo, CF pasó a utilizar más tarde una memoria de tipo NAND. Además, el formato de IBM MicroDrive que usaba CF de Tipo II no era una memoria semiconductora. CompactFlash define una interfaz física que es más pequeña que la interfaz PCMCIA-ATA, pero eléctricamente idéntica. Es decir, aparece para el dispositivo host como si fuera un disco duro de un tamaño definido y tiene un diminuto controlador IDE integrado en el mismo dispositivo CF. Desafortunadamente, el modelo de placa de desarrollo LN2410 en su versión actual (v1.6) no dispone de compatibilidad para esta característica. El conector mide de ancho unos 43 mm y la carcasa tiene 36 mm de profundidad y está disponible en dos grosores diferentes, CF (3,3 mm) y CF II (5 mm). Sin embargo, ambos tipos son idénticos. Las tarjetas CF I pueden ser usadas en las ranuras para CF II, pero las tarjetas CF II son demasiado gruesas para poder encajar en las ranuras para CF I. Las tarjetas de memoria son habitualmente del tipo CF I. Las tarjetas CF son mucho más compactas que las tarjetas de memoria PC Card (PCMCIA) de Tipo I, excepto por su grosor, que es el mismo que las tarjetas PC Card Tipo I y Tipo II respectivamente. CF ha logrado ser el más exitoso de los primeros formatos de tarjetas de memoria, sobreviviendo tanto a la Miniature Card, como a la SmartMedia y PC Card Tipo I. SmartMedia supuso una competencia dura para CF en dispositivos más pequeños, y fue más popular que CF en términos de penetración en el mercado, pero SmartMedia le cedería esta área a tipos de tarjetas más nuevos (durante el escaso período ). Los formatos de tarjetas de memoria que aparecieron a finales de los años 90 y a principios de la siguiente década (SD/MMC, varios formatos de Memory Stick, xd-picture Card, etc.) supusieron una dura competencia. Los nuevos formatos, más pequeños, tenían un tamaño de una fracción del tamaño de CF, y en algunos casos incluso más pequeños de los que CF había sido respecto a PC Card. Estos nuevos formatos dominarían las PDAs, teléfonos móviles, y cámaras digitales (especialmente los modelos más compactos). El formato CompactFlash sirve también para varios dispositivos de entrada/salida y de interfaz. Dado que es eléctricamente idéntico a PC Card, muchas PC Cards tienen equivalentes CF. Algunos ejemplos incluyen: Adaptador de pantalla Super VGA Cámara digital GPS Escáner de código de barras Tarjeta Ethernet Lector de bandas magnéticas Lectores para otros dispositivos Flash Módem

22 Plataforma de desarrollo de la placa LN Wi-Fi Gracias a esta opción volvemos a dejar constancia de la gran variedad de uso y opciones de expansión de las que dispone la placa de desarrollo LN Conector IDE para HDD/CDROM Gracias al puerto J4 tenemos la posibilidad de acoplar un dispositivo IDE como puede ser un disco duro, tal y como los que hoy conocemos de hasta 300 GB, o un CDROM o DVDROM, grabadoras, etc. Este puerto es el mismo que también gestiona la pantalla táctil, de la misma manera que pasa con el puerto J6 y es posible gracias a la utilización del chip XC9536XL de Xilinx [8], que no es más que un CPLD. Los CPLD extienden el concepto de un PLD (Programmable Logic Device) a un mayor nivel de integración, permiten implementar sistemas más eficaces, ya que utilizan menor espacio, mejoran la fiabilidad del diseño, y reducen costos. Un CPLD se forma con múltiples bloques lógicos, cada uno similar a un PLD. Los bloques lógicos se comunican entre sí utilizando una matriz programable de interconexiones, lo cual hace más eficiente el uso del silicio, conduciendo a una mejor eficiencia a menor costo. Gracias al diseño de nuestra placa somos capaces de controlar casi todas las señales involucradas en los procesos de escritura y lectura del procesador y de los periféricos que gestiona, todos estos parámetros de configuración de los CPLD son inicializados en fábrica por lo que no debemos preocuparnos de nada Pantalla táctil LP35 La pantalla táctil LP35 está formada por el modelo LTV350QV-F04[9] con módulo táctil de Samsung. Utiliza una matriz de color activa de tipo TFT (Thin Film Transistor) en la que cada píxel tiene su propio transistor dedicado, que permitirá a cada línea de la columna acceder a un píxel. Cuando una línea de fila está activada, todas las líneas de la columna están conectadas a una fila de píxeles y una correcta tensión de alimentación es impulsada a todas las líneas de la columna. Cuando la línea de fila se desactiva, la siguiente línea de fila es activada. Todas las líneas de la fila se activan secuencialmente durante una operación de actualización. La matriz activa está dirigida a dispositivos con un mayor brillo y tamaño que a los que se dirige la matriz pasiva (dirigida a dispositivos de pequeño tamaño, y, en general, que tienen tiempos de respuesta más rápidos, produciendo imágenes mucho mejores).

23 Plataforma de desarrollo de la placa LN Además trabaja en modo TN, twisted nematic, donde las direcciones de alineación de la superficie de los dos electrodos son perpendiculares entre sí, y así se organizan las moléculas en una estructura helicoidal, o retorcida. Cuando no se aplica voltaje a una celda de cristal líquido TN, la luz se polariza para pasar a través de la célula. En proporción a la tensión aplicada, las células del cristal líquido giran hasta 90 grados cambiando la polarización y bloqueando el camino de la luz. Incluye un circuito controlador y una luz trasera para iluminar todo el sistema, dando una calidad de imagen muy buena y nítida. Tiene una pantalla de 3,5 con una resolución de 320x240 píxel pudiendo generar un total de 16.7 millones de colores gracias a su interfície RGB de 24 bits. Es capaz de trabajar en modo DE (Data Enable) o SYNC (VSync, Hsync) para sincronizar la pantalla. El módulo de reconocimiento táctil viene integrado en este modelo y es de tipo resistivo formada por varias capas. Las más importantes son dos finas capas de material conductor entre las cuales hay una pequeña separación. Cuando algún objeto toca la superficie de la capa exterior, las dos capas conductoras entran en contacto en un punto concreto. De esta forma se produce un cambio en la corriente eléctrica que permite a un controlador calcular la posición del punto en el que se ha tocado la pantalla midiendo la resistencia. Figura 2.8: Pantalla táctil Samsung LP35

24 Plataforma de desarrollo de la placa LN Puerto JTAG JTAG, un acrónimo para Joint Test Action Group[10], es el nombre común utilizado para la norma IEEE titulada Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture para acceso a puertos de testeo, utilizada para testear circuitos impresos utilizando escaneo de límites. JTAG se estandarizó en 1990 como la norma IEEE En 1994 se agregó un suplemento que contiene una descripción del boundary scan description language (BSDL). Desde entonces, esta norma fue adoptada por las compañías electrónicas de todo el mundo. Actualmente, Boundary scan y JTAG son sinónimos. Diseñado originalmente para circuitos impresos, actualmente es utilizado para la prueba de submódulos de circuitos integrados, y es muy útil también como mecanismo para depuración de aplicaciones empotradas, puesto que provee una puerta trasera hacia dentro del sistema. Cuando se utiliza como herramienta de depuración, un emulador en circuito que usa JTAG como mecanismo de transporte permite al programador acceder al módulo de depuración que se encuentra integrado dentro de la CPU. En la placa de desarrollo LN2410 este puerto es extremadamente útil para tener un acceso completo y directo a toda la memoria. Podremos escribir, leer y visualizar el contenido de la memoria con un sencillo programa y un pequeño módulo de hardware. A través del puerto JTAG será cuando interactuemos por primera vez con todo el núcleo interno de la placa LN2410 de una manera muy elemental. Tan sólo seremos capaces, en un primer momento, de acceder a la memoria para cargar las instrucciones más básicas para inicializar todo el sistema y poder empezar a cargar instrucciones más complejas que nos llevarán a pequeño entorno desde el que podremos interactuar con ella. 2.4 Memoria Introducción La placa LN2410 consta de dos tipos de memorias claramente diferenciadas. Memoria de tipo flash, separada en dos módulos. Uno de 2MB, tipo NOR y otro de 32MB, tipo NAND. Memoria de tipo SDRAM, en un único módulo de 64MB cuya principal aplicación es dar memoria para los procesos en ejecución.

25 Plataforma de desarrollo de la placa LN Memoria Flash La memoria flash es una forma evolucionada de la memoria EEPROM permitiendo que múltiples posiciones de memoria sean escritas o borradas en una misma operación a través de impulsos eléctricos, al contrario de las anteriores que sólo podían escribir o borrar una única celda de cada vez. Por este motivo, las memorias flash permiten trabajar a más alta velocidad que sus predecesoras, cuando los sistemas utilizan lectura y escritura en diversos puntos de la memoria al mismo tiempo. Nuestra placa consta de dos módulos de memoria flash: Memoria NOR: 2MB, chip Am29LV160D de AMD. Memoria NAND: 32MB, chip K9F5608 de Samsung. A continuación describimos las características generales de las memorias flash y explicamos los dos tipos con sus ventajas e inconvenientes Características generales Las memorias flash son de tipo no volátil, esto significa que la información guardada no se pierde cuando desconectamos de la red eléctrica. El principal uso de estas memorias son pequeños dispositivos basados en el uso de baterías como teléfonos móviles, PDA, etc. Nuestra placa LN2410 incorpora dos memorias flash: una NAND y otra NOR. Es importante remarcar que las memorias flash permiten un número finito y limitado de escrituras y borrados, generalmente entre y un millón, dependiendo de la celda, la precisión del proceso de fabricación y del voltaje necesario para su borrado. Estos dos tipos de memorias deben su nombre al tipo de puertas lógicas con los que están fabricados, NOR y NAND, para almacenar los 1 s y 0 s correspondientes, de la misma manera que las memorias CompactFlash (CF) comentadas anteriormente. Los sistemas de ficheros para estas memorias están en pleno desarrollo aunque ya hay algunos funcionando como JFFS originalmente diseñado para trabajar sobre NOR y que ha evolucionado a JFFS2 para soportar también NAND, YAFFS para NAND, CRAMFS sobre NAND aunque es de sólo lectura ocupa muy poco ya que esta comprimido. Por supuesto también se utilizan sistemas de ficheros tipo FAT para compatibilidad.

26 Plataforma de desarrollo de la placa LN Funcionamiento La memoria flash como es de tipo EEPROM[11], contiene una array de celdas junto con un transistor evolucionado con dos puertas en cada intersección. Tradicionalmente sólo almacenaba un bit de información. Las nuevas memorias flash, llamadas también dispositivos de celdas multinivel, pueden almacenar más de un único bit por celda variando el número de electrones que almacena. Estas memorias están basadas en los transistores FAMOS (Floating Gate Avalanche-Injection Metal Oxide Semiconductor). Memorias flash de tipo NOR Las memorias flash de tipo NOR son utilizadas tradicionalmente para almacenar pequeñas cantidades de código ejecutable para dispositivos empotrados como PDAs y teléfonos móviles. Las memorias NOR son muy apropiadas para almacenar código porque son fiables, rápida lectura de las operaciones y acceso aleatoria a la memoria. Por la sencilla razón de que el código se puede ejecutar directamente en el mismo sitio, NOR es ideal para almacenar firmware, código de arranque (boot), sistemas operativos y cualquier otro dato que cambie poco frecuentemente. Cabe destacar que las memorias flash están divididas en bloques (también llamadas sectores) y por tanto, cuando borramos lo que hacemos es limpiar bloques enteros de datos para agilizar, ja que es la parte más lenta del proceso. Por esta razón las memorias flash son tan rápidas, porque borran byte a byte. El problema está en el momento que queremos escribir, antes de escribir debemos borrar todo el bloque para reescribir su contenido después. Memorias flash de tipo NAND Las memorias flash basadas en puertas lógicas NAND funcionan de forma ligeramente diferente: usan un túnel de inyección para la escritura y para el borrado un túnel de soltado. Las memorias basadas en NAND tienen, además de la evidente base en otro tipo de puertas, un coste bastante inferior, unas diez veces de más resistencia a las operaciones pero sólo permiten acceso secuencial (más orientado a dispositivos de almacenamiento masivo), frente a las memorias flash basadas en NOR que permiten lectura de acceso aleatorio. Sin embargo, han sido las NAND las que han permitido la expansión de este tipo de memoria, ya que el mecanismo de borrado es más sencillo (aunque también se borre por bloques) lo que ha proporcionado una base más rentable para la creación de dispositivos de tipo tarjeta de memoria.

27 Plataforma de desarrollo de la placa LN Comparación de memorias flash basadas en NOR y NAND Seguidamente compararemos algunos de los aspectos fundamentales de estos dos tipos de memorias flash. El primer aspecto a destacar es que al densidad de almacenaje de los chips es, actualmente, bastante más grande en las memorias NAND y que el coste de las memorias NOR es mucho más grande. El acceso a la memoria NOR es aleatorio y orientado a bloques para modificarlo. En cambio, NAND ofrece sólo acceso directo para los bloques y lectura secuencial dentro de los mismos. En la escritura NOR podemos llegar a modificar un único bit. Esto destaca la limitada reprogramación de las NAND que deben modificar bloques o palabras completas. La velocidad de lectura es mucho más rápida en NOR ( ns) frente a las NAND (10 µs de búsqueda de la página + 50 ns por byte). La velocidad de escritura de la NOR es de 5 µs por cada byte mientras que en la NAND necesitamos 200 µs por página. La velocidad de borrado para la NOR es de 1s por cada bloque de 64KB mientras que en la NAND tardamos 2ms por cada bloque de 16KB. La fiabilidad de dispositivos basados en NOR es realmente muy alta, prácticamente inmune a la corrupción de datos y tampoco tiene existencia de bloques erróneos frente a la escasa fiabilidad de los sistemas NAND que requieren de corrección de datos y donde existe la posibilidad que queden bloques marcados como erróneos e inservibles. En resumen, los sistemas basados en NAND son bastante más económicos y rápidos pero tienen una falta de fiabilidad que los hacen poco eficientes, lo que demuestra la necesidad de un buen sistema de ficheros. En este punto, diseñar un sistema de archivos eficiente para las memorias flash se ha convertido en proceso arduo y complejo, ya que, aunque ambos (NOR y NAND) son tipos de memoria flash, tienen características muy diferentes entre sí a la hora de acceder a esos datos. Esto es porque un sistema de ficheros que trabaje con memorias de tipo NOR incorpora varios mecanismos innecesarios para NAND y, a su vez, NAND requiere mecanismos adicionales, innecesarios para gestionar la memoria de tipo NOR. Un ejemplo podría ser un recolector de basura. Esta herramienta está condicionada por el rendimiento de las funciones de borrado que, en el caso de NOR es muy lento y, además, un recolector de basura NOR requiere una complejidad relativa bastante alta y limita las opciones de diseño del sistema de archivos. Comparándolo con los sistemas NAND, que borran mucho más rápidamente, estas limitaciones no tienen sentido. Otra de las grandes diferencias entre estos sistemas es el uso de bloques erróneos que pueden existir en NAND pero no tienen sentido en los sistemas NOR que garantizan la integridad. El tamaño que deben manejar unos y otros sistemas también difiere sensiblemente y por lo tanto es otro factor a tener en cuenta.

28 Plataforma de desarrollo de la placa LN Memoria SDRAM La memoria SDRAM pertenece al tipo de memoria RAM. Son memorias "de acceso aleatorio" o "de acceso directo" porque los diferentes accesos son independientes entre sí (no obstante, el resto de memorias ROM, ROM borrables y Flash, también son de acceso aleatorio). Esto hace que cuando necesitemos un dato el tiempo de búsqueda y acceso al dato sea extremadamente bajo, lo que las hace ideales para emplearlas como almacenamiento temporal donde el computador guarda los datos que esta utilizando en el momento presente. El único problema es que se trata de una memoria de tipo volátil, es decir, que se borra cuando apagamos el ordenador, aunque también hay memorias RAM no volátiles (como por ejemplo las memorias de tipo flash). En concreto, nuestra placa de desarrollo LN2410 utiliza una memoria RAM tipo SDRAM. La memoria SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) es una memoria RAM electrónica construida mediante condensadores. Los condensadores son capaces de almacenar un bit de información almacenando una carga eléctrica. Lamentablemente los condensadores sufren de fugas lo que hace que la memoria SDRAM necesite refrescarse cada cierto tiempo: el refresco de una memoria RAM consiste en recargar los condensadores que tienen almacenado un uno para evitar que la información se pierda por culpa de las fugas (de ahí lo de Dynamic). La memoria SDRAM es la más utilizada comúnmente como memoria principal. Al ser síncrona mantiene la misma velocidad que el bus del sistema haciendo que el flujo de datos sea constante. El modelo utilizado es el K4S561632H-T(U)C/L75 de Samsung, organizada en 2 chips de 32MB, dando un total de 64MB. Su frecuencia máxima de trabajo es de 133MHz con un CAS Latency de 3. Su periodo de refresco es de 64ms y un tiempo de acceso mínimo de 7,5 ns.