Linux w systemach Embedded

Embedded Linux

Szkolenie dla wszystkich zainteresowanych rozwijaniem projektów opartych o Embedded Linux. Daje solidną wiedzę i bazę do pogłębiania wiedzy. Uczestnicy naszego intensywnego szkolenia będą w stanie zaplanować, rozpocząć i rozwijać własny projekt.

Na praktycznych przykładach z dużą ilością ćwiczeń pokazane zostaną wszystkie aspekty pracy z kodem źródłowym i narzędziami systemu Linux. Od bootloadera, przez kernel i jego konfigurację, język opisu sprzętu: device-tree po narzedzia przestrzeni użytkownika. Przede wszystkim: odpowiedzialne za uruchomienie i kontrolowanie aplikacji (systemd), wysokopoziomowe biblioteki oraz narzędzia do debugowania i profilowania systemu.

Czas trwania: 4 dni (32 godziny zegarowe)

Program szkolenia

1. Linux w systemach wbudowanych - budowa systemu

Wprowadzenie do Linuksa Embedded – "w pigułce".
Kompilacja, cross-kompilacja dla systemów wbudowanych, praca z systemem kontroli wersji GIT, dobór narzędzi deweloperskich, typowe rozwiązania, problemy i błędy.
Uruchamianie urządzenia: Power-on-reset, bootloader pierwszego poziomu, U-Boot.
Konfiguracja, kompilacja i uruchamianie jądra Linux.
Główny system plików (Root Filesystem) - przygotowanie, zawartość - Busybox - narzędzia i skrypty.
Profilowanie procesu startu i jego optymalizacja.

Po tej części

Uczestnicy będą w stanie samodzielnie zaplanować dobór odpowiednich narzędzi (toolchain-a) dla danych urządzeń i zadań. Poznają budowę systemu Embedded Linux i sposób jego uruchamiania. Samodzielnie skompilują i uruchomią system bazowy poznając jego komponenty i ich wzajemne zależności.

Ćwiczenia

Ta seria ćwiczeń polega na sukcesywnej kompilacji poszczególnych elementów systemu i uruchamianiu ich na urządzeniu w celu zrozumienia z czego składa się i jak działa system.

Posługiwanie się cross-kompilatorem (z linii poleceń), konfiguracja systemu do pracy z cross-kompilatorem (ścieżki, sysroot, dodatkowe pakiety i biblioteki).
Kompilacja bootloadera – u-boot i uruchomienie go z wykorzystaniem procedury. Recovery (start urządzenia bez wgranego firmware-u), modyfikacja kodu źródłowego bootloadera. Konfiguracja i parametryzacja u-boot-a (zmienne, skrypty).
Kompilacja jądra Linux i uruchomienie go na urządzeniu przy pomocy bootloadera.
Uruchomienie urządzenia z karty SD (formatowanie karty, automatyzacja procesu).
Przygotowanie systemu bazowego (Busybox), skryptów startowych, uruchomienie kompletnego systemu.
Analiza i rozwiązanie typowych problemów występujących podczas startu i w trakcie działania systemu.
(opcjonalnie): Samodzielne przygotowanie toolchain-a, praca z crosstool-ng, typowe problemy.

2. Budowanie i debugowanie systemu jako całości przy pomocy narzędzi Yocto Project. Główny system plików. Wprowadzenie do programowania w jądrze

Buildroot - konfiguracja, receptury - krótkie wprowadzenie do narzędzia automatyzującego pracę.
Yocto Project - konfiguracja, receptury, use-case, dostosowanie narzędzi do własnych potrzeb.
- Specyfika pracy z narzędziami Yocto Project: bitbake, poky, meta-layers itd.
- Integracja BSP dostarczanych przez producentów sprzętu (SoC, SoM).
- Specyfika działania i zależności między komponentami.
- Praca z konfiguracją.
- Dobre praktyki.
Systemy plików na urządzenia blokowe i NAND, przechowywanie danych:
- ramdysk,
- urządzenia blokowe (SD, eMMC)
- pamięci NAND.
Automatyczne i manualne aktualizacje systemu na urządzeniu - planowanie i konfiguracja systemu budowania (SWUpdate, hawkbit, Mender.io).
Konfiguracja IDE (Eclipse lub VSCode) do pracy z BSP/SDK i kodem źródłowym jądra i aplikacji.
Wprowadzenie do programowania systemowego.
Wprowadzenie do programowania sterowników urządzeń
- moduł jądra (podstawowy kontener opakowujący kod sterowników urządzeń).
- komnunikacja proces-jądro, urządzenia znakowe i blokowe, procfs, sysfs, mmap.
- zarządzanie procesami przestrzeni użytkownika, organizacja pamięci, timery, współbieżność i synchronizacja, obsługa przerwań.
Model urządzeń systemu Linux: znakowe, blokowe, sieciowe, magistrale (bus drivers) i organizacja urządzeń i sterowników.

Po tej części

Uczestnicy będą potrafili posługiwać się narzędziami: Buildroot i Yocto i przy ich pomocy tworzyć własną dystrybucję systemu (minimalistyczną i zoptymalizowaną do konkretnego zastosowania). Będą w stanie dodawać własne skrypty i narzędzia oraz aktualizować wersje pakietów.

Skonfigurują środowisko pracy (Eclipse lub VSCode) i użyją go podczas pracy z kodem źródłowym jądra.

Ćwiczenia

(opcjonalnie) Kompilacja systemu przy pomocy Buildroot-a, wybór wersji jądra, programów, dodawanie własnych komponentów (serwer SSH, serwer WWW).
Kompilacja systemu przy pomocy narzędzi Yocto Project, wybór wersji jądra, programów, dodawanie własnych komponentów (serwer SSH, serwer WWW).
(opcjonalnie) Automatyczne montowanie sieciowego systemu plików NFS.
Obsługa systemów plików na urządzenia blokowe i/lub pamięci NAND Flash.
Integracja systemu aktualizacji oprogramownia na urządzeniu (na przykładzie `SWUpdate``).
Konfiguracja Eclipse lub VSCode do cross-kompilacji i pracy z kodem źródłowym jądra oraz do zdalnej pracy z urządzeniem.
Kompilacja modułów jądra - podstawowych kontenerów opakowujących sterowniki urządzeń, analiza działania sterownika urządzenia platform oraz mechanizmu hotplug.

3. Model urządzeń (sterowników) Linuxa. Programy przestrzeni użytkownika - Systemd. Debugowanie i profilowanie systemu

Jak Linux widzi sprzęt? – komunikacja z urządzeniami, wejście – wyjście: polling i sterowne przerwaniami.
Model sterowników urządzeń, frameworki i wewnętrzne API jądra
Device-Tree - konfiguracja urządzeń platformy.
Przykłady zastosowania frameworków w rzeczywistych rozwiązaniach: USB, I2C, 1-wire, SPI, urządzenia sieciowe, DMA, PWM.
Elementy debugowania jądra.
systemd - zadządzanie procesami w przestrzeni użytkownika
- udev - wykrywanie i konfiguracja sprzętu
- zarządzanie uruchamianiem aplikacji i zasobami sprzętowymi: unit, service
- konfiguracja sieci i adresów sieciowych
- zarządzanie zasobami (procesor, pamięć, przepustowość magistrali danych, namespaces)
śledzenie jądra i procesów użytkownika
analiza pracy systemu przy pomocy narzędzi graficznych (analiza logów z narzędzi profilowania), profilowanie czasu uruchomienia systemu.

Po tej części

Uczestnicy będą rozumieć wewnętrzną budowę najważniejszych komponentów systemu Embedded Linux:

jądra systemu (programowanie w jądrze polega w dużej mierze na znajomości odpowiednich frameworków oraz układu poszczególnych warstw). Uczestnicy będą w stanie rozszerzać istniejącą konfigurację Device-Tree, oraz analizować i konfigurować kod źródłowy sterowników urządzeń. Otrzymają także dużą ilość gotowych działających przykładów kodu i skryptów konfiguracyjnych.
narzędzi systemd, które odpowiadają za uruchomienie aplikacji przestrzeni użytkownika i zarządzanie nimi.

Uczestnicy otrzymają przeglądową wiedzę na temat interesujących narzędzi, bibliotek i technologii wraz z działającymi przykładami oraz metodami zdalnego debugowania.

Ćwiczenia

Polegają na uruchamianiu i modyfikowaniu dostarczonych przykładów kodu i aplikacji.

W każdym ćwiczeniu podstawowy "szkielet" kodu jest już gotowy, trzeba dopisać główną funkcję, zmodyfikować działanie przykładu lub przeprowadzić eksperyment.

Podłączanie urządzenia - na przykładzie termometru 1-wire lub LED GPIO/PWM. Odczytać ze schematu linię GPIO, znaleźć jej opcje w dokumentacji, ustawić multipleksację oraz konfigurację PIN-u przy pomocy Device-Tree, uruchomić odpowiedni sterownik magistrali 1-wire/LED i wykorzystać go w aplikcaji. To ćwiczenie pokazuje ścieżkę, jaką trzeba przejść podczas definiowania peryferiów własnego urządzenia ze szczególnym uwzględnieniem ścieżki debugowania.
konfiguracja systemd do wykrywania i reagowania na zmiany stanu urządzenia raportowane przez sterownik: hotplug (udev), uprawnienia dostępu do urządzeń, automatyczne uruchamianie skryptów i procesów.
komunikacja aplikacji ze sprzętem
- przykładowa aplikacja: uruchomienie i debugowanie serwera RTSP
- przygotowanie konfiguracji systemu (systemd) w taki sposób, aby storzona aplikacja była automatycznie uruchamiana przy starcie i restartowana w przypadku awarii (watchdog).
- automatyczna konfiguracja sieci, WiFi, endpoint-u USB (itp.)