ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA Sistemas Embebidos Act 11: Reconocimiento Unidad 3 LECTURA 1

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1 LECTURA 1 Qué diferencias hay entre aplicaciones para PC convencional o para sistemas embebidos? No es lo mismo desarrollar aplicaciones para un PC convencional que para un sistema embebido. El desarrollo de aplicaciones para sistemas embebidos implica tocar bastantes elementos además de la propia aplicación, como son el Sistema Operativo y sus posibles personalizaciones, los drivers, el sistema de ficheros, entre otros. Nos vamos a basar en el S.O. Linux Embedded, muy extendido hoy en día en este tipo de dispositivos debido a la propia naturaleza de Linux, disponible para muchas arquitecturas de hardware que lo hacen un buen candidato para estos menesteres. Veamos algunos conceptos. Cross-compilation (compilación cruzada). Siempre que desarrollemos el software para un dispositivo embebido en una plataforma con una arquitectura de procesador diferente, es necesario utilizar un entorno de desarrollo cruzado. Un compilador cruzado es un compilador que se ejecuta en el sistema de desarrollo, es decir, en nuestro PC portátil o de sobremesa (Intel x86, por ejemplo) donde desarrollamos la aplicación para el módulo embebido, pero que el código que genera se ejecuta en otro procesador. En nuestro caso de los módulos de Digi, en procesadores ARM. Boot loader. El boot loader es un pequeño software que se ejecuta justo al encender un ordenador. Si hablamos de nuestro PC de sobremesa, este pequeño programa que reside en el MBR (Master Boot Record) de nuestro disco duro, se ejecuta una vez que la BIOS del ordenador ha inicializado todo el sistema. El boot loader entonces pasa información del sistema al Kernel, es decir, la partición del disco duro donde se montará la root y finalmente se ejecuta el propio kernel. Pero si hablamos de sistemas embebidos esto es más complicado, ya que estos sistemas NO tienen BIOS que inicialicen el sistema y la inicialización del microprocesador, de los controladores de memoria, y en definitiva de todo el hardware de la placa debe hacerlo el programita de la boot antes de que se ejecute el Kernel del sistema. Como mínimo el boot loader debe inicializar el hardware, especialmente los controladores de memoria y arrancar el sistema operativo con los parámetros adecuados, aunque también puede tener funcionalidades adicionales, como la lectura y escritura en memoria, y todas aquellas funcionalidades que permiten 1

2 poder actualizar el firmware (sistema operativo, aplicaciones, ) en la memoria flash del equipo vía serie o ethernet. El Kernel El Kernel es la parte fundamental del sistema operativo, el núcleo del sistema. Es el responsable de la gestión de los recursos y las comunicaciones entre el harware y el software, proporcionando una abstracción de hardware y proporcionando una manera segura de acceder al sistema de memoria. También es el responsable del control de las interrupciones y de todas las operaciones de E/S (Entrada/Salida). Modulos del Kernel. Los módulos del kernel son pequeños programitas que son cargados y descargados por el kernel del sistema en función de las necesidades. A modo de ejemplo, un driver de un dispositivo lo podéis ver como un módulo del kernel, el cual permite a dicho kernel poder acceder al hardware conectado al sistema. Si no hubiera módulos tendrían que implementarse en el propio kernel y éste sería terriblemente largo y poco abierto. De esta manera cuando modifiquemos un módulo no tendremos la necesidad de recompilarlo todo de nuevo. Root File System. Como sabéis los Sistemas Operativos manejan ficheros y directorios. El Root File System digamos que está en el techo del árbol de directorios y ficheros. Éste contiene ficheros y directorios críticos para las operaciones del sistema como pueden ser los programas de inicialización del sistema. Aplicaciones. Esto es lo que más conocemos todos, pues son los programas que utilizan los recursos de un procesador para realizar tareas. Las aplicaciones hacen uso de los dispositivos hardware, como hemos dicho a través de los drivers, los cuales son parte del kernel. 2

3 1.- INTRODUCCIÓN LECTURA 2 Sistemas Operativos para Microcontroladores (I) Actualmente, podemos disponer en el mercado desde pequeños Microcontroladores de 4 bits, con una complejidad y prestaciones bastante reducidas que permiten que se puedan programar en lenguaje ensamblador sin demasiado esfuerzo haciendo nosotros todo el trabajo de planificación, manejo de interrupciones, etc., hasta complejos y caros sistemas de 64 bits en los que programar directamente sobre ellos, sin un Sistema Operativo por debajo que nos facilite las cosas, sería una tarea ardua y totalmente improductiva. Es por eso que debido al aumento de las prestaciones y complejidad en los Microcontroladores, cada vez se hace más necesario abstraerse del Hardware subyacente, permitiendo así que el programador de una determinada aplicación olvide la arquitectura sobre la que trabaja, y se pueda ocupar únicamente del Software haciendo uso de los servicios ofrecidos por el Sistema Operativo cuando de utilizar el Hardware se trate, y obviamente, hacer esta labor programando en un lenguaje de alto nivel haciendo uso de API s ya implementadas y todo con una interfaz agradable y completa. 2.- QUÉ SE LE DEBE PEDIR AL SISTEMA OPERATIVO? Como se ha dicho anteriormente, el hecho de utilizar un Sistema Operativo permite que el tiempo empleado para el diseño y creación de un determinado sistema empotrado disminuya drásticamente, al confiar prácticamente todo el control del Hardware y Software de bajo nivel a él. Así pues un Sistema Operativo tiene que ser un administrador de recursos y una interfaz con el Hardware y el usuario. Debe compartir el Hardware con los distintos procesos, facilitar la E/S, recuperarse de errores, etc, librándonos así de tareas como planificar el sistema, gestionar sistemas de archivos y la memoria, gestionar las interrupciones, dialogar directamente con las controladoras, protocolos de comunicación, etc, haciendo todo esto de una manera autónoma y completamente transparente al programador de aplicaciones. Además todo esto nos permite hacer programas más portables, con lo que si en el día de mañana se cambia de Microcontrolador, el programa pueda funcionar prácticamente sin problemas sobre otra plataforma y no tener que ser reescrito en su totalidad, bastaría con recompilarlo adecuándolo a la nueva plataforma y si acaso modificar la parte más dependiente del Hardware de nuestra aplicación concreta. Todo esto ha podido ocurrir gracias a que como se ha comentado 3

4 anteriormente las prestaciones de los Microcontroladores actuales permiten tener potentes Sistemas Operativos, ejecutando varias tareas de un modo concurrente que consumen unos recursos no despreciables sin repercutir de una manera excesivamente negativa en el rendimiento global del sistema. Las ventajas de utilizar un Sistema Operativo que ejecute él nuestras aplicaciones es claro: en primer lugar el programador se puede olvidar de si está programando para un Microcontrolador de Motorola o Hitachi, será el Sistema Operativo el que se ocupará de todo el Hardware, con lo cual se puede centrar únicamente en programar y no en tener que aprenderse el Hardware de cada Microcontrolador cada vez que va a programar, se evita el tener que gestionar las interrupciones, o planificar el sistema (lo cual es crítico si además se trata de Sistemas en Tiempo Real críticos o acríticos), así como la gestión de los procesos y su sincronización, etc. La gestión del sistema de archivos es transparente (el programador espera que cuando haga un open() se abra un fichero independientemente de si está utilizando un sistema de ficheros ext2, o FAT16 o de si el lugar donde esta abriendo el fichero es una memoria o disco de unas determinadas características u otras, así como la gestión de la memoria (el programador no sabrá, y realmente le dará igual, si la memoria esta segmentada, paginada, etc.), evitará implementar él mismo pilas de protocolos (simplemente utilizará Sockets si estos están soportados), o crear funciones para hacer uso de un dispositivo Bluetooth, USB, etc. LECTURA 3 Sistemas Operativos para Microcontroladores (II) 3.-Un Sistema Operativo para Microcontroladores: uclinux En un mundo donde cada centavo que se pueda ahorrar es de vital importancia para la competitividad en un determinado sector, una solución idónea es usar Software Libre que permite modificar su código para adecuarlo a nuestras necesidades particulares y hacerlo algo más nuestro, así como mejorarlo y que la comunidad de usuarios pueda aprovechar nuestras propias modificaciones. Además en muchos casos, este Software es gratuito lo que permite ahorrarnos el pagar por caras licencias propietarias. 4

5 Un ejemplo de esto es uclinux que nació como un derivado del núcleo de Linux 2.0, pensado para Microcontroladores sin MMU. Sin embargo este proyecto ha crecido en reconocimiento y cobertura de arquitecturas de procesador. Actualmente uclinux es un Sistema Operativo que permite incluir entre los núcleos de Linux 2.0, 2.4 y 2.6 así como una colección de aplicaciones de usuario, librerías, etc. Permite multitarea, si bien en muchas aplicaciones esto no es necesario, soporta la pila TCP/IP (y otros muchos protocolos de comunicaciones), sistemas de archivos NFS, ext2, FAT16/32, y todo esto, en algunos casos, en menos de 512 KB de imagen del núcleo gracias al alto grado de optimización del código del kernel y todo de una manera gratuita. Así pues uclinux es una más que interesante opción cuando queramos implementar un Sistema Operativo de contrastada estabilidad y fiabilidad por debajo de nuestras aplicaciones de usuario destinadas a un Microcontrolador. Autor: Carlos Bueno 5

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