Опыт портирования оС Debian GNU / Linux с расширением реального времени rtai на процессорный модуль cm-x255 Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Антон ШАРОБАИКО

anthony@fiord.com

Опыт портирования ОС Debian GNU/Linux

с расширением реального времени RTAI на процессорный модуль CM-X255

Операционная система Ыпих, однин из клонов ипіх, в своем первоначальном виде была создана Линусом Торвальдсом 17 сентября 1991 года (дата опубликования исходных текстов в Интернете). Благодаря открытости исходных текстов система активно модернизировалась и развивалась интернет-сообществом. Сегодняшня день ОС Ыпих — устойчивая, надежная система, вбирающая в себя последние технологические новшества. Десятилетиями отлаживаемые (со времен создания ипіх) пользовательские программы предоставляют все необходимые сервисы. Однако следует отметить, что ОС Ыпих разрабатывалась не для встраиваемых решений: монолитное ядро, рассчитанное на обеспечение высокого быстродействия (для серверных систем), имеет неприемлемо большое время реакции на внешние события.

RTAI — Real Time Application Interface (программный интерфейс реального времени) — основан на ядре Linux и предоставляет возможность сделать Linux полностью вытесняемым. Для получения поведения, отвечающего различным временным ограничениям, необходимо произвести изменения в ядре: в процедурах обработки прерываний и политиках планирования. Следуя этому, можно получить систему реального времени с малой задержкой и высокой предсказуемостью, размещенную внутри обычного Linux окружения (предоставляющего доступ к TCP/IP сервисам, графическим системам, системам баз данных и т. д.). RTAI предоставляет все функции ядра Linux с добавлением функций индустриальной ОС реального времени. Он представляет собой диспет-

чер прерываний: RTAI перехватывает прерывания от периферии и, в случае необходимости, перенаправляет их в Linux. RTAI не требует серьезной модификации ядра — используется концепция HAL (hardware abstraction layer — уровень аппаратной абстракции) для получения информации из ядра и для перехвата основных функций. Такой подход ведет к малой зависимости от ядра, что позволяет легко переносить RTAI на новые версии Linux. RTAI представляет Linux фоновой задачей, которая запускается, когда не происходит никакой активности, требующей выполнения в реальном времени (рис. 1).

В качестве аппаратной платформы был выбран модуль CM-X255 компании CompuLab Ltd. Он представляет собой компьютер класса system-on-module, включающий в себя:

• процессор Intel XScale PXA255;

• 16-64 Мбайт RAM;

• NOR Flash;

• NAND Flash;

• графический контроллер;

• три порта USB;

• пять последовательный портов;

• IrDA;

• контроллер Ethernet;

• AC'97 codec;

• и пр.

Наличие всей необходимой периферии на небольшой (66x44 мм) плате с энергопотреблением около 1 Вт делает этот модуль отличным решением при выборе аппаратной платформы для любой встраиваемой системы (рис. 2).

Для разработки под архитектуру ARM на хост-системе необходимо наличие кросскомпилятора. Он может быть скомпилирован из исходных текстов (имеются в дистрибути-

Рис. 2. Процессорный модуль CM-X255

Linux

приложения

Linux

Аппаратные

ресурсы

Рис. 1. Схема взаимодействия ядра Linux и RTAI

ве Debian, www.debian.org) или взят с сайта производителя модуля (www.compulab.co.il). При самостоятельной компиляции можно выбрать версию собираемого компилятора, библиотек, установить нужные опции при сборке. Набор для компиляции (toolchian) под ARM на сайте производителя содержит устаревшую версию компилятора, кроме того, он распространяется as is, без какой-либо технической поддержки. Поэтому при установке кросс-компилятора был сделан выбор в пользу первого варианта (подробную инструкцию по установке необходимых пакетов и их сборке смотрите на сайте проекта Debian).

Следующим этапом является создание образа ядра для целевой системы. Было выбрано ядро версии 2.4.27 как самое последнее (на момент разработки) из ветки 2.4.x, отлично зарекомендовавшей себя в предыдущих разработках. Поддержка архитектуры ARM уже присутствует в исходных текстах ядра Linux, однако для запуска на CM-X255 и для полной поддержки аппаратных ресурсов модуля (главным образом NOR и NAND Flash) необходимо установить патч от производителя (CompuLab). Патч от CompuLab предназначен не для оригинального ядра, а для уже модифицированного, поэтому перед его применением необходимо наложить патчи vrs и pxa (их версии «заданы» в названии файла). Например, для патча diff-2.4.26-vrs1-pxa3-armcore необходимо взять ядро 2.4.26, наложить на него соответствующие «промежуточные» патчи (vrs1 и pxa3), и лишь потом — этот патч.

Частой проблемой при таком подходе (создании своего образа ядра вместо использования готового) становится несовпадение версий накладываемых патчей. В этом случае необходимо наложить патч «вручную», реализовав требуемые изменения в другом фрагменте кода. Изменения, которые не удалось произвести утилите, сохраняются (в исходном формате) в файле с расширением .rej (rejected) для каждого файла, который «постигла неудача» (например, для fs.c будет создан файл fs.c.rej). После наложения всех патчей нужно в конфигурационном файле ядра включить поддержку необходимой периферии (командой make menuconfig в директории ядра) и собрать образ командой:

После этого надо создать образ корневой файловой системы, который будет содержать все требуемые утилиты, конфигурационные файлы, файлы устройств и пр. — все то, что необходимо для функционирования ОС. Ради удобства доступа образ целесообразно создать в файле, а уже потом монтировать этот файл.

Эта команда создает файл размером 64 Мбайт, состоящий из одних нулей. Объем создаваемого файла должен быть таким, чтобы его можно было загрузить в NAND Flash на модуле. В общем случае он должен быть немного меньше размера Flash-памяти (на случай наличия плохих блоков).

Теперь надо создать в этом файле файловую систему:

# mkfs.ext3 root.img

Файловая система extended 3 была выбрана в качестве корневой из-за ее устойчивости к сбоям при внезапном отключении питания (ext3 — журналируемая файловая система). Теперь этот образ может быть подключен с помощью команды mount:

# mount -o loop root.img /mnt/rootfs

EXT3 FS 2.4-0.9.19, 19 August 2002, internal journal

Опция loop команды mount позволяет монтировать обычные файлы (а не только блочные устройства).

При наполнении файловой системы за основу была взята так называемая base system дистрибутива Debian. Она представляет собой набор пакетов утилит, необходимых для функционирования системы.

# debootstrap -arch arm --download-only sarge /mnt/rootfs

# for package in 'ls /mnt/rootfs/var/cache/apt/archives/*'; do

dpkg-deb -extract $package /mnt/rootfs

done

Этот набор команд распаковывает пакеты из базовой системы в указанную директорию (/mnt/rootfs).

Для реализации необходимой функциональности (возможность доступа по сети к системе) следует добавить пакеты netkitbase, ftpd, telnetd. Для этого применялась следующая последовательность команд (для каждого пакета):

# ar -x netbase-4.072-all.deb

# rm control.tgz

# tar xvzf data.tgz -C /mnt/rootfs

Команда ar распаковывает deb-пакет, извлекая файлы control.tgz и data.tgz. Файл control.tgz содержит установочные и конфигурационные скрипты пакета. Они выполняются при автоматической установке (apt-get) и в нашем случае не нужны (разве что как справочная информация по настройке). Команда tar распаковывает содержимое файла data.tgz в директорию, на которую смонтирован образ файловой системы. Архив data.tgz содержит полные пути к файлам, поэтому для «установки» надо просто распаковать его.

В результате были установлены следующие пакеты:

• ftpd_0.17-13;

• netkit-inetd_0.10-9;

• telnetd_0.17-18woody2;

• net-tools_1.60-4;

• netkit-ping_0.10-9;

• nvi_1.79-20;

• tcpd_7.6-9;

• libwrap0_7.6-9;

• netbase_4.07.

Процедура компиляции и установки модулей RTAI принципиально не отличается от случая «обычной» конфигурации.

Завершающий этап — настройка поставленных пакетов и установка полученных образов в целевую систему.

Для удобства работы с полученной системой надо обеспечить возможность доступа к ней по последовательному порту (по нему происходит общение с программой-загрузчиком модуля). Для этого необходимо запустить при загрузке процесс getty, передав ему в качестве параметра имя нужного порта (getty обеспечит пользователю возможность входа в систему). Канонический способ — использовать программу init. Для этого необходимо в файл Мс/шйаЬ добавить следующую строку:

T0:23:respawn:/sbin/getty -L ttySO 38400 vt100

Для обеспечения работы сервисов ftp и telnet надо сделать так, чтобы процесс inetd (inet superserver, запускающий необходимую программу, например, telnetd, при запросе этого сервиса по сети — при появлении пакета на порту 23) стартовал при загрузке системы:

• ln -s /etc/init.d/inetd /etc/rc.d/rc.2/S20inetd

Кроме того, важно включить в его конфигурационном файле необходимые сервисы:

ftp stream tcp nowait root /usr/sbin/tcpd /usr/sbin/in.ftpd telnet stream tcp nowait root /usr/sbin/tcpd /usr/sbin/in.telnetd

Для установки полученных образов фирма-производитель предлагает использовать ARMMON — встроенную в модуль программу-монитор. С помощью этой программы можно загрузить образы через последовательный порт, USB, либо сеть Ethernet по протоколу tftp. Последний вариант наиболее прост и быстр (как по времени, необходимому для настройки программ на хост-системе, так и по времени загрузки). Для поддержки протокола tftp на хост-системе надо настроить tftp-сервер — в конфигурационном файле /etc/inetd.conf надо добавить строку:

tftp dgram udp wait nobody /usr/sbin/tcpd /usr/sbin/in.tftpd /tftp_dir

и перезапустить inetd командой:

# dd if=/dev/zero of=root.img bs=1M count=64

#make zImage

#killall -1 inetd

Теперь следует запустить программу-терминал на хост-системе и включить процессорный модуль. После включения в терминале должно появиться приглашение командной строки загрузчика:

ARMmon>

Для загрузки образа ядра по сети в оперативную память используется команда (192.168.0.2 — IP-адрес хост-системы):

ARMmon > download kernel tftp zimage 192.168.0.2 Download destination: 0xA0100000 TFTP download: IP: 192.168.0.2, fname: zimage 1106084 bytes received.

Для записи образа ядра в NOR flash:

ARMmon > flash kernel Saving linux kernel to flash....

Start flash address: 0x00040000 Start memory address: 0xA0100000 Byte count: 0x0010E0A4 Erasing block at 0x00040000 Erasing block at 0x00140000 Starting programming...

Finished writing data to flash.

Для форматирования NAND-памяти и записи в нее образа корневой файловой системы необходимо проделать следующее:

ARMmon > nand flash format

This will erase the NAND flash contents!

Are you sure(y/n)?

У

Samsung 64 MB Nand flash detected.

Formatting NAND flash...

100 percent. done.

ARMmon > nand write root.img 192.168.0.2 Writing to NAND flash from TFTP:

IP: 192.168.0.2, fname: root.img, starting from sector 0 Writing sector 120000 Finished writing to NAND flash.

ARMmon >

Теперь для загрузки полученной ОС необходимо дать команду:

ARMmon > bootos

В результате была получена система, построенная на базе ОС Debian GNU/Linux «Sarge» при помощи компилятора gcc-3.4.3. Она занимает 24 Мбайт (NAND flash) и 1,1 Мбайт (ядро) на NOR flash . Время реакции системы на прерывание от внешнего устройства (по тестам RTAI kern/latency) составляет 2 мкс. ■