1Logiciels libres et SE
Solutions libres pour les systèmes embarqués
Pierre FICHEUX (pierre.ficheux@openwide.fr)
Mars 2015
2Logiciels libres et SE
Programme
● Présentation
● Rappels sur les systèmes embarqués et temps réel
● Le logiciel libre
● ...
3Logiciels libres et SE
Présentation Open Wide
● Société d'ingénierie créée en septembre 2001 avec le
concours de THALES e...
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Présentation PF
● Ingénieur Arts et Métiers + Sup'Aéro
● Utilisateur de logiciels libres depuis 19...
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Rappels sur les systèmes embarqué
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Système / logiciel embarqué
● Un système est l'association matériel + logiciel
● Logiciel utilisé ...
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Domaines d'application
● 1960-70 : remplacer / compléter des systèmes
analogiques (spatial)
● 1980...
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Les nouveaux domaines
● Équipement grand public (multimédia, domotique, …)
● Téléphonie → 1+ milli...
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Avantages d'un OS
● Affranchit le développeur d'un travail d'adaptation au
matériel pour les inter...
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Inconvénients d'un OS
● Empreinte mémoire
● Performances
● Consommation d'énergie (nombreux trava...
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Les systèmes temps réel
● Les applications embarquées historiques étaient temps
réel
● Les systèm...
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Le logiciel libre dans l'embarqué
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Historique
● Modèle économique du marché informatique → du
matériel vers le logiciel
● Projets lo...
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Quelques éléments sur le LL
● A peu près équivalent à la notion d'open source, voir
http://www.op...
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Importance du logiciel libre
● Le logiciel libre est important dans le SI (serveurs)
● Le logicie...
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Avantages/inconvénients du LL
● Avantages
– Disponibilité du code source → maîtrise et
maintenabi...
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Les OS libres pour l'embarqué
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Linux comme (RT)OS
● Réservé aux systèmes complexes
– 32 bits minimum
– Gestion complexe de la mé...
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Linux et le TR, ooops :(
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Extensions TR pour Linux
● L'utilisation de Linux comme RTOS est souvent
intéressante
– POSIX
– A...
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PREEMPT-RT
● Branche expérimentale pour le noyau 2.6, voir
https://rt.wiki.kernel.org
● Initié pa...
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PREEMPT-RT, caractéristiques
Utilisation d'un thread noyau (interruptible) pour le
traitement de ...
23Logiciels libres et SE
PREEMPT-RT, résumé
● Changements significatifs du code noyau
– Verrouillage des sections critique...
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Linux avec co-noyau
● Ajout d'un « co-noyau » pour la gestion du temps-réel
– Sous-système temps-...
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Linux avec co-noyau
● Séparation entre le composant temps-réel et Linux
– Ordonnanceur temps-réel...
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Linux + co-noyau, suite
● Peu de modifications sur le noyau Linux
– patch de virtualisation (très...
27Logiciels libres et SE
RTLinux
● Projet universitaire (NMT) développé par Victor
Yodaiken et Michael Barabanov en 1999
●...
28Logiciels libres et SE
Architecture initiale RTLinux
29Logiciels libres et SE
RTLinux en 2002
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RTAI
● Real Time Application Interface
● Un « fork » de RTLinux développé au DIAPM de l’école
pol...
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Xenomai
● Xenomai est un sous-système temps-réel de Linux
– Programmation de tâches en espace uti...
32Logiciels libres et SE
Architecture générale
● Xenomai utilise un micro-noyau (ADEOS) pour partager
le matériel avec le ...
33Logiciels libres et SE
Répartition sur les deux domaines
Hardware
VFS/FS ...
Pile réseau Xenomai RTOS
Adeos I-Pipe
Noyau...
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Linux/Xenomai et le TR :)
35Logiciels libres et SE
Android
● Android = un système d'exploitation basé sur un noyau
Linux
● Un « framework » fourniss...
36Logiciels libres et SE
Android et l'industrie
● Linux fournit des API graphiques (Qt, EFL) mais
« difficiles » à program...
37Logiciels libres et SE
Avantages/inconvénients
● Avantages
– Programmation Java (simple et répandue) + IHM
– Communauté ...
38Logiciels libres et SE
eCOS
● embeddable Configurable OS (CYGNUS 1997)
● Supporte de nombreux CPU (16), 32 et 64 bits
● ...
39Logiciels libres et SE
RTEMS
● RTEMS = Real Time Executive for Multiprocessor
Systems
● Initialement « Missile Systems »...
40Logiciels libres et SE
RTEMS, suite
● RTEMS est un exécutif TR :
– Un seul processus
– Beaucoup plus petit qu'un OS → en...
41Logiciels libres et SE
Les outils libres
42Logiciels libres et SE
Typologie des outils
● Outils de base → « toolchain » + mise au point →
GCC, GDB, LLVM
● IDE → Ec...
43Logiciels libres et SE
Production de distribution (Linux)
● Un outil crée la distribution à partir des sources des
compo...
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Les principaux outils disponibles
● Yocto/OpenEmbedded
– Moteur écrit en Python
– Très puissant m...
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Buildroot
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Buildroot
● Lié au projet uClibc (micro-C-libc) = libC plus légère
que la Glibc
● But initial: pr...
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Buildroot aujourd’hui
● Repris en 2009 par Peter Korsgaard et Thomas
Petazzoni
● Une version offi...
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Yocto / OE
● Similaire à BR mais plus évolué et modulaire
● Utilisé par les éditeurs pour leurs p...
49Logiciels libres et SE
Principe des « layers »
50Logiciels libres et SE
« Workflow » OE
51Logiciels libres et SE
Émulateur QEMU
● Émulateur de matériel initialement développé par
Fabrice Bellard, diffusé sous G...
52Logiciels libres et SE
Open Hardware
53Logiciels libres et SE
(R)évolution du matériel
● Évolution du x86 vers ARM
● Création d'un marché autour des « hobbyist...
54Logiciels libres et SE
Versatile PB and sons !
€€€€ !
< 20 €
< 30 €
< 25 €
< 15 €
55Logiciels libres et SE
Cependant...
● Certaines plate-formes génériques permettent de créer
une « maquette » mais diffic...
56Logiciels libres et SE
Module WeIO
57Logiciels libres et SE
Co-design
58Logiciels libres et SE
Situation actuelle
● Les systèmes embarqués deviennent de plus en plus
complexes
– Hier → RTOS mo...
59Logiciels libres et SE
Évolution de la conception
● On travaille maintenant au niveau système (ou
fonctionnalité) et non...
60Logiciels libres et SE
Exemple de système
● Le processeur est en général externe→ SoC associé à
un FPGA
● Exemple de SoC...
61Logiciels libres et SE
Avantages du co-design
● L'OS – et donc le CPU - est déchargé de tâches très
coûteuses (voire ina...
62Logiciels libres et SE
Association µC / Linux
● Cette approche « hybride » assure un faible coût en
garantissant les per...
63Logiciels libres et SE
Système Linux « pur »
● Cette approche nécessite souvent un adaptation coté
noyau → temps réel (X...
64Logiciels libres et SE
Choix du matériel
● Solution 1 :
– Module type SoC
– FPGA ajouté à la carte finale
– Nécessite un...
65Logiciels libres et SE
Cas d'exemple
● Un système nécessite une horloge de synchronisation
(période = 1 ms)
– Réalisable...
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Bugblat sur bus local
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Les solutions libres ont longtemps été ignorées par l'industrie en raison des divergences entre les contraintes industrielles strictes et les pratiques du développement libre. Par ailleurs, plusieurs reproches étaient formulés contre les logiciels libres : manque de fonctionnalités clés (ex. : temps réel dur), manque de garanties et coûts de support, gestion des licences...Cela a pris des années, mais c'est maintenant acquis et parfaitement connu des acteurs majeurs de l'industrie.

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  1. 1. 1Logiciels libres et SE Solutions libres pour les systèmes embarqués Pierre FICHEUX (pierre.ficheux@openwide.fr) Mars 2015
  2. 2. 2Logiciels libres et SE Programme ● Présentation ● Rappels sur les systèmes embarqués et temps réel ● Le logiciel libre ● Linux comme système embarqué ● Extensions temps réel de Linux ● Android « embarqué » ● eCOS et RTEMS ● Les outils libres pour l'embarqué ● Open hardware ● Co-design
  3. 3. 3Logiciels libres et SE Présentation Open Wide ● Société d'ingénierie créée en septembre 2001 avec le concours de THALES et Schneider Electric ● Rachat d'ESG-France (automotive) en 2014 ● Environ 160 salariés sur Paris, Lyon, Toulouse et bientôt Grenoble ● Industrialisation de composants open source – Développement – Conseil / Formation ● Trois activités : – OW Système d'Information (Java/PHP) – OW Outsourcing: hébergement – OW Ingénierie: informatique industrielle
  4. 4. 4Logiciels libres et SE Présentation PF ● Ingénieur Arts et Métiers + Sup'Aéro ● Utilisateur de logiciels libres depuis 1989 ● Utilisateur de Linux depuis 1992 ● Auteur des 4 éditions de l'ouvrage « Linux embarqué » (Eyrolles), 4ème édition parue en juin 2012 avec E. Bénard ● Auteur GNU Linux Magazine et Open Silicium ● CTO Open Wide Ingénierie, enseignant EPITA, ENSEIRB
  5. 5. 5Logiciels libres et SE Rappels sur les systèmes embarqué
  6. 6. 6Logiciels libres et SE Système / logiciel embarqué ● Un système est l'association matériel + logiciel ● Logiciel utilisé dans un équipement industriel ou un bien de consommation ● On dit aussi logiciel dédié ou intégré → embedded software ● L'équipement est valorisé pour son coté fonctionnel et non pas pour le logiciel ! ● Un bon logiciel embarqué doit savoir se faire oublier ! ● On parle parfois de logiciel enfoui ou profondément enfoui → « deeply embedded »
  7. 7. 7Logiciels libres et SE Domaines d'application ● 1960-70 : remplacer / compléter des systèmes analogiques (spatial) ● 1980 : RTOS (Real Time OS) génériques ● 2000 : OS libres, grand public ● Domaines historiques/industriels – Militaire, spatial (RTOS/360, VRTX sur Hubble) – Contrôle de processus industriel – Transport : AUTOSAR/OSEK, ARINC 653 → certification (DO-178) – Internet/Telecom : routeurs, PABX ● « Nouveaux » domaines – Multimédia – automobile (IVI), objets connectés – médical
  8. 8. 8Logiciels libres et SE Les nouveaux domaines ● Équipement grand public (multimédia, domotique, …) ● Téléphonie → 1+ milliards de téléphones Android ! ● Infotainment transport: automobile, aéronautique – Ajout de fonctions communicantes → utilisation de protocoles standards de type IP et dérivés (HTTP, DHCP, etc.) – Difficile d'intégrer ces couches dans des logiciels embarqués propriétaires → utilisation d'un OS ● « Boite noire » dédiée à un ensemble de fonctions (passerelle médicale, set-top box avec services étendus) ● Internet des objets → #iot :-)
  9. 9. 9Logiciels libres et SE Avantages d'un OS ● Affranchit le développeur d'un travail d'adaptation au matériel pour les interfaces de base (PCI, USB, Ethernet...) ● Permet de bénéficier des dernières avancées technologiques et de faire évoluer le système: protocoles réseau, multimédia, etc. ● Recrutement aisé de développeurs (Linux, Android) ! ● Utilisation de matériel « standard » ● Focalisation sur le métier de l'entreprise
  10. 10. 10Logiciels libres et SE Inconvénients d'un OS ● Empreinte mémoire ● Performances ● Consommation d'énergie (nombreux travaux en cours) ● Criticité (sauf OS spécialisés) ● Perte de maîtrise du système
  11. 11. 11Logiciels libres et SE Les systèmes temps réel ● Les applications embarquées historiques étaient temps réel ● Les systèmes d'exploitation embarqués propriétaires sont TR (VxWorks, LynxOS, VRTX, ...) → RTOS ● La progression des OS libres dans l'industrie et dans l'embarqué en général modifie la donne ! – Linux est utilisable dans l'industrie – Linux n'est pas TR – Linux peut être modifié pour être TR (PREEMPT-RT, Xenomai) – Il existe des RTOS libres (RTEMS, FreeRTOS, ...)
  12. 12. 12Logiciels libres et SE Le logiciel libre dans l'embarqué
  13. 13. 13Logiciels libres et SE Historique ● Modèle économique du marché informatique → du matériel vers le logiciel ● Projets logiciels libres majeurs (chronologie) – UNIX BSD – X Window System (X11) – GNU (tout d'abord sur UNIX propriétaire) – Linux → GNU/Linux – Apache ● Apparition de licences libres (vs « freeware ») – BSD – GPL (dérivation et « contamination ») – ASL
  14. 14. 14Logiciels libres et SE Quelques éléments sur le LL ● A peu près équivalent à la notion d'open source, voir http://www.opensource.org ● Libre ne veut pas dire gratuit ● La confusion vient de la signification anglaise – free = libre / gratuit ● Différents types de logiciels – Le freeware : gratuit mais sources non disponibles, pas forcément de licence (abandon de la « paternité » du code) – Le shareware : sources non disponibles, coût modique, licence souvent propriétaire – Le logiciel libre: sources disponibles, licence open source, non liée à la notion de gratuité (on peut vendre un logiciel libre)
  15. 15. 15Logiciels libres et SE Importance du logiciel libre ● Le logiciel libre est important dans le SI (serveurs) ● Le logiciel libre a pris un part importante dans les systèmes embarqués – OS (Linux, Android) – Outils de base (compilateur, éditeur, débogueur, ...) – « build systems » (Buildroot, Yocto/OE) – IDE (Eclipse) ● La plupart des éditeurs ont au catalogue des composants basés sur du logiciel libre (Wind River, Adacore, LynuxWorks, ...)
  16. 16. 16Logiciels libres et SE Avantages/inconvénients du LL ● Avantages – Disponibilité du code source → maîtrise et maintenabilité dans le temps – Redistribution sans « royalties » – Outils de développement souvent « gratuits » ! – Support de la communauté ● Inconvénients – Méfiance vis à vis d'un modèle décentralisé (support) – Contraintes de certaines licences (GPL, LGPL) – Support de certains matériels (?) – Outils moins « ciblés » – Documentation (?)
  17. 17. 17Logiciels libres et SE Les OS libres pour l'embarqué
  18. 18. 18Logiciels libres et SE Linux comme (RT)OS ● Réservé aux systèmes complexes – 32 bits minimum – Gestion complexe de la mémoire (MMU, pagination + segmentation) – Empreinte mémoire importante: 2 Mo pour µCLinux (sans MMU), 4 Mo pour Linux – Consommation mémoire vive : 16 Mo minimum ● Problème de migration de anciens RTOS car Linux n’est pas TR → évolution avec les extensions PREEMPT-RT et Xenomai ● Incompatible avec les systèmes critiques/certifiés ● Souvent utilisé pour les outils, les simulateurs et architectures « mixtes » (banc de test)
  19. 19. 19Logiciels libres et SE Linux et le TR, ooops :(
  20. 20. 20Logiciels libres et SE Extensions TR pour Linux ● L'utilisation de Linux comme RTOS est souvent intéressante – POSIX – Approche hybride avec quelques tâches TR – On conserve le confort d'un système classique ● Deux approches possibles : – Modifier le noyau Linux afin d'améliorer ses performances TR (PREEMPT-RT) – Ajouter un « co-noyau » TR qui partage le matériel avec le noyau Linux (RTLinux, RTAI, Xenomai) → approche « virtualisation »
  21. 21. 21Logiciels libres et SE PREEMPT-RT ● Branche expérimentale pour le noyau 2.6, voir https://rt.wiki.kernel.org ● Initié par Ingo Molnar, contributeur majeur du noyau ● Maintenu par Thomas Gleixner ● Surtout utilisé sur x86 et des processeurs performants (TSC = Time Stamp Counter) ● Fonctionne également sur ARM (11 ou plus), Nios II, Microblaze, ... ● Nécessite un noyau « mainline » (ou proche) mais ne sera probablement jamais intégré à la branche officielle ● Mise en place très simple (application d'un patch) ● Mêmes API de programmation que Linux standard
  22. 22. 22Logiciels libres et SE PREEMPT-RT, caractéristiques Utilisation d'un thread noyau (interruptible) pour le traitement de chaque interruption 4 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-high/0] 5 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-timer/0] 6 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-net-tx/0] ● Prévention des inversions de priorité (par héritage) ● Timers noyau haute précision (HRTIMER) ● Amélioration des mécanismes de synchronisation ● Le résultat est un noyau (presque) « préemptif », mais reste un noyau Linux
  23. 23. 23Logiciels libres et SE PREEMPT-RT, résumé ● Changements significatifs du code noyau – Verrouillage des sections critiques – Volume du patch important ● Utilisation de mlockall() → verrouillage des pages mémoire en RAM ● Le coût de la préemption peut être important si le nombre de tâches TR augmente ● Temps de latence maximum nettement amélioré – dépend largement de la plate-forme matérielle (TSC) – dépend de la configuration logicielle – Bons résultats sur x86 depuis de nombreuses années ● Permet de garantir moins de 50 µs de jitter (x86) ● Risque sur la maintenance (financement) ?
  24. 24. 24Logiciels libres et SE Linux avec co-noyau ● Ajout d'un « co-noyau » pour la gestion du temps-réel – Sous-système temps-réel intégré à un module noyau – Patch de « virtualisation » des interruptions ● Différents modèles de programmation – Noyau uniquement (RTLinux, version libre) – Noyau et espace utilisateur, semi-intégration Linux (RTAI, www.rtai.org) – Noyau & espace utilisateur, intégration Linux complète (Xenomai, www.xenomai.org)
  25. 25. 25Logiciels libres et SE Linux avec co-noyau ● Séparation entre le composant temps-réel et Linux – Ordonnanceur temps-réel spécifique – Pas de dépendance sur les sections critiques Linux :-) ● Virtualisation de la gestion d'interruptions Linux – Routage prioritaire des IRQs vers le co-noyau ● Linux comme tâche idle du co-noyau ● Volume du patch noyau plus faible qu'avec PREEMPT- RT ● Se rapproche de la technique de « para-virtualisation » des hyperviseurs (adaptation de l'OS)
  26. 26. 26Logiciels libres et SE Linux + co-noyau, suite ● Peu de modifications sur le noyau Linux – patch de virtualisation (très bas niveau) – notion de domaine d'exécution (temps-réel / normal) ● Pas d'impact sur l'écriture de code noyau classique ● Impact sur l'écriture de code temps-réel ! – utilisation des API fournies par le co-noyau ● Excellentes performances TR – ordonnanceur spécifique indépendant – sous-système temps-réel bien délimité – jitter maximal de l’ordre de 10 µs sur Atom/x86 !
  27. 27. 27Logiciels libres et SE RTLinux ● Projet universitaire (NMT) développé par Victor Yodaiken et Michael Barabanov en 1999 ● Produit commercial développé par FSMLabs ● Dépôt d’un brevet logiciel → conflit avec la FSF ● Vendu à WIND RIVER en 2007 ● Développement en espace noyau (?) ● Version GPL obsolète (2.6.9) retirée par WIND RIVER
  28. 28. 28Logiciels libres et SE Architecture initiale RTLinux
  29. 29. 29Logiciels libres et SE RTLinux en 2002
  30. 30. 30Logiciels libres et SE RTAI ● Real Time Application Interface ● Un « fork » de RTLinux développé au DIAPM de l’école polytechnique de Milan → Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale (Paolo Montegazza) ● Utilisé au DIAPM pour des travaux d’enseignement et de recherche ● Quelques utilisations industrielles ● Position douteuse / brevet logiciel FSMLabs ● Toujours actif mais peu d’évolution → version 3.8 en février 2010, 3.9 en août 2012
  31. 31. 31Logiciels libres et SE Xenomai ● Xenomai est un sous-système temps-réel de Linux – Programmation de tâches en espace utilisateur – API d'application et de pilotes temps réel (RTDM) dédiées ● Intégré au noyau Linux → « Real-time sub-system » ● Supporte de nombreuses architectures ● Dispose de « skins » permettant d'émuler des API temps réel (POSIX, VxWorks, VRTX, uITRON, ...) ● Plus complexe à mettre en œuvre que PREEMPT-RT mais performances 5 à 10 fois supérieures ● Licence GPL (cœur), LGPL (interfaces, espace utilisateur)
  32. 32. 32Logiciels libres et SE Architecture générale ● Xenomai utilise un micro-noyau (ADEOS) pour partager le matériel avec le noyau Linux ● Un processus contient des threads TR et TP (Linux) micro-noyau noyau TR API TR pilote TR Processus Linux
  33. 33. 33Logiciels libres et SE Répartition sur les deux domaines Hardware VFS/FS ... Pile réseau Xenomai RTOS Adeos I-Pipe Noyau Code applicatif VxWorks glibc Xenomai libvxworks Code applicatif POSIX Xenomai libpthread Appels système glibc libpthread_rt Noyau Linux
  34. 34. 34Logiciels libres et SE Linux/Xenomai et le TR :)
  35. 35. 35Logiciels libres et SE Android ● Android = un système d'exploitation basé sur un noyau Linux ● Un « framework » fournissant des applications et permettant d'en ajouter facilement ● Basé sur Dalvik (puis ART), une machine virtuelle Java (très) optimisée pour le mobile ● Navigateur web basé sur Webkit puis Chrome ● Graphique optimisé en 2D ou 3D basé sur OpenGL/ES ● Nouvel environnement de développement « Android Studio » compatible avec Android « wear » (#IoT) ● Partiellement open source mais pas réellement du logiciel libre...
  36. 36. 36Logiciels libres et SE Android et l'industrie ● Linux fournit des API graphiques (Qt, EFL) mais « difficiles » à programmer ● Android est avantageux si le projet utilise une IHM ● Base importante d'applications Android ! ● Android est conçu pour la téléphonie et les tablettes mais des BSP Android sont fournis pour les cartes (ARM) récentes (BB Black, i.MX6, ...) ● Android utilise un noyau Linux :-) ● Assez peu de projets pour l'instant ● Concurrence de Yocto !
  37. 37. 37Logiciels libres et SE Avantages/inconvénients ● Avantages – Programmation Java (simple et répandue) + IHM – Communauté importante – Fait rêver les managers (tablette = grand public → bon marché) ● Inconvénients – Compatibilité POSIX partielle – Système de « build » statique assez rudimentaire par rapport à ceux de Linux (Buildroot, OE) – Qualité des BSP variable mais portage « simple » – Pas réellement un projet libre ni communautaire :-( – Google fait peur ! – Interfaces matérielles industrielles non supportées (CAN, I2C, SPI, …)
  38. 38. 38Logiciels libres et SE eCOS ● embeddable Configurable OS (CYGNUS 1997) ● Supporte de nombreux CPU (16), 32 et 64 bits ● Empreinte mémoire de 10 à 100 Ko ● Outils de configuration avancé, gestion de «paquets» ● Version « pro » par ● Utilisé dans le multimédia : – http://www.ecoscentric.com/ecos/examples.shtml
  39. 39. 39Logiciels libres et SE RTEMS ● RTEMS = Real Time Executive for Multiprocessor Systems ● Initialement « Missile Systems » puis « Military Systems » ● Exécutif temps réel embarqué diffusé sous licence libre (GPL avec exception) ● Ce n'est pas exactement un système d'exploitation car l'application est « liée » au noyau → un seul processus mais plusieurs « threads » ● Programmation C, C++, Ada ● Plus de 100 BSP disponibles pour 20 architectures ● API RTEMS « classique » ou POSIX ● Utilisé par EADS Astrium, ESA, NASA, etc.
  40. 40. 40Logiciels libres et SE RTEMS, suite ● RTEMS est un exécutif TR : – Un seul processus – Beaucoup plus petit qu'un OS → en sélectionnant les composants on peut arriver à une taille de quelques dizaines de Ko :-) – Pas (peu) de support MMU – De nombreuses fonctionnalités sont optionnelles : réseau, système de fichiers, etc. – Configuration statique de l'application ● Permet d'ajouter « facilement » API, ordonnanceur ● Léger, environ 600K lignes pour la version 4.11 (15 M pour le noyau Linux)
  41. 41. 41Logiciels libres et SE Les outils libres
  42. 42. 42Logiciels libres et SE Typologie des outils ● Outils de base → « toolchain » + mise au point → GCC, GDB, LLVM ● IDE → Eclipse (?) ● Construction de distribution → Buildroot, Yocto/OE ● Émulation / simulation → QEMU ● Gestion de version (Git, SVN) → Les meilleurs de ces outils existent dans le monde du logiciel libre :-)
  43. 43. 43Logiciels libres et SE Production de distribution (Linux) ● Un outil crée la distribution à partir des sources des composants adaptés en appliquant des « patch » ● Il ne s'agit pas de distribution mais d'outil de création de distribution ● L'outil ne fournit pas les sources mais les règles de production et prend en compte les dépendances ● L'outil peut produire la chaîne de compilation croisée ● L'outil produit les différents éléments de la distribution – Image du bootloader – Noyau Linux – Images du root-filesystem ● Meilleure solution qu'une distribution « générique » – sécurité – traçabilité
  44. 44. 44Logiciels libres et SE Les principaux outils disponibles ● Yocto/OpenEmbedded – Moteur écrit en Python – Très puissant mais lourd – Basé sur des fichiers de configuration ● Buildroot – Basé sur la commande « make » – Au départ un démonstrateur pour uClibc – Désormais un véritable outil, bien maintenu ! – Approche statique (pas de paquets) ● OpenWrt – Dérivé de BR – Orienté vers les IAD (Internet Access Device) – Gère les paquets binaires
  45. 45. 45Logiciels libres et SE Buildroot
  46. 46. 46Logiciels libres et SE Buildroot ● Lié au projet uClibc (micro-C-libc) = libC plus légère que la Glibc ● But initial: produire des root-filesystem simples pour tester uClibc ● Moteur uniquement basé sur des fichiers Makefile et quelques scripts-shell →utilisation de GNU-Make ● Outil de configuration utilise le langage Kconfig ● Peut produire la chaîne de compilation (uClibc, Glibc, Eglibc, ...) ou importer une chaîne existante ● Approche statique ● Pas de version « officielle » avant 2009 (2009.02)
  47. 47. 47Logiciels libres et SE Buildroot aujourd’hui ● Repris en 2009 par Peter Korsgaard et Thomas Petazzoni ● Une version officielle tous les 3 mois: 2009.02, ... 2012.11, ..., 2015.02 ● Projet géré sous Git : http://git.buildroot.net/buildroot ● Bonne documentation : http://buildroot.uclibc.org/docs.html ● Plus de 1200 composants adaptés (2015.02) ● Support CPU x86, ARM, PowerPC, SH4, ... ● Il est désormais simple d’ajouter un support de carte par des fichiers de configuration ● Projets très dynamique !
  48. 48. 48Logiciels libres et SE Yocto / OE ● Similaire à BR mais plus évolué et modulaire ● Utilisé par les éditeurs pour leurs produits commerciaux → Wind River ● Utilisé par les fabricants de matériel pour les BSP (Board Support Package) → Freescale, Gumstix, TI, ... ● Yocto n'est pas une distribution mais fournit des « templates » et outils pour créer des distributions → « méta données » organisées en couches (layers) – Support matériel (meta-intel, meta-raspberrypi) – Distributions (meta-yocto, meta-angstrom) – Composants « métier » (meta-ivi) → GENIVI http://layers.openembedded.org/layerindex It's not an embedded Linux distribution – it creates a custom one for you
  49. 49. 49Logiciels libres et SE Principe des « layers »
  50. 50. 50Logiciels libres et SE « Workflow » OE
  51. 51. 51Logiciels libres et SE Émulateur QEMU ● Émulateur de matériel initialement développé par Fabrice Bellard, diffusé sous GPL v2 ● Exécuté dans l'espace utilisateur de Linux ● Permet d'émuler diverses architectures: x86, PowerPC, ARM, etc. ● Émulation de carte complète → outil de développement, mise au point, test automatique ● Outil de certification DO-178 (Adacore/Couverture) http://www.open-do.org/projects/couverture ● Désormais, large communauté avec dépôt Git sur http://git.savannah.gnu.org/cgit/qemu.git
  52. 52. 52Logiciels libres et SE Open Hardware
  53. 53. 53Logiciels libres et SE (R)évolution du matériel ● Évolution du x86 vers ARM ● Création d'un marché autour des « hobbyistes » en électronique – Arduino, Raspberry Pi & friends – Adafruit, Snootlab & friends ● Les professionnels utilisent parfois ces plate-formes ou du moins profitent de la baisse des coûts → attention au choix ! ● Développement et conception simplifiés – généralisation d'un open-hardware pragmatique – utilisation de modules CPU – nouveaux langages (HTML5, Python) ● Nouveaux canaux de distribution et plate-formes de financement (kickstarter, ...)
  54. 54. 54Logiciels libres et SE Versatile PB and sons ! €€€€ ! < 20 € < 30 € < 25 € < 15 €
  55. 55. 55Logiciels libres et SE Cependant... ● Certaines plate-formes génériques permettent de créer une « maquette » mais difficilement la version définitive → qualité insuffisante ● La connectivité nécessaire n'est pas toujours disponible – Wi-Fi – BT – Capteurs divers ● Un créateur n'est PAS un développeur logiciel et encore moins un intégrateur système → « fusion » art / design / technologie ● Quelques plates-forme dédiées sont désormais disponibles → WeIO (démo!) ● Pour l'industrie ne pas oublier la durée de maintenance !
  56. 56. 56Logiciels libres et SE Module WeIO
  57. 57. 57Logiciels libres et SE Co-design
  58. 58. 58Logiciels libres et SE Situation actuelle ● Les systèmes embarqués deviennent de plus en plus complexes – Hier → RTOS mono-tâche (1 seule application) – Aujourd'hui → système multitâche proche d'un OS classique (Linux, Android, …) ● Exemples de systèmes : – Encodeur / décodeur vidéo HD – Système « mixte » temps réel et traitement des données (banc de test) ● Le CPU n'est pas forcément capable de répondre aux exigences fonctionnelles du système ● L'utilisation du multi-cœur améliore les choses mais décale le problème (et augmente prix + consommation)
  59. 59. 59Logiciels libres et SE Évolution de la conception ● On travaille maintenant au niveau système (ou fonctionnalité) et non au niveau porte logique ● Les fonctionnalités peuvent être implantées dans des composants spécifiques de type ASIC (Application Specific Integrated Circuit). On parle alors de Système sur Silicium « SoC » (System on Chip). ● Les fonctionnalités peuvent être implantées dans des composants logiques programmables de type FPGA (Field Programmable Gate Array). On parle alors de système « SoPC » (System on Programmable Chip). ● Le plus souvent le système dispose d'un CPU (avec OS) + d'un accélérateur matériel pour des tâches dédiés (compression, génération de signal, …) ● L'association des deux parties correspond au « co- design »
  60. 60. 60Logiciels libres et SE Exemple de système ● Le processeur est en général externe→ SoC associé à un FPGA ● Exemple de SoC : i.MX (Freescale), AM335x (TI) ● Exemple de FPGA : Altera Cyclone, Xilinx Spartan/Virtex ● Système hybride : Armadeus, Zynq
  61. 61. 61Logiciels libres et SE Avantages du co-design ● L'OS – et donc le CPU - est déchargé de tâches très coûteuses (voire inaccessibles) en calcul logiciel ● L'approche FPGA permet de garantir la souplesse → utilisation d'un langage de programmation (Verilog ou VHDL) → portabilité sur plusieurs modèles de FPGA ● Cette même approche garantit la propriété intellectuelle dans le cas de licences parfois contraignantes – La fonctionnalité « métier » dans le FPGA – Le pilote (GPL si Linux) est une simple interface ● On trouve des bibliothèques fonctionnelles (des « IP ») comme avec le logiciel classique → €€€ ! ● Le co-design peut également concerner l'association µP (CPU) / micro-contrôleur reliés – par exemple - par un bus de type SPI
  62. 62. 62Logiciels libres et SE Association µC / Linux ● Cette approche « hybride » assure un faible coût en garantissant les performances
  63. 63. 63Logiciels libres et SE Système Linux « pur » ● Cette approche nécessite souvent un adaptation coté noyau → temps réel (Xenomai, PREEMPT-RT, …)
  64. 64. 64Logiciels libres et SE Choix du matériel ● Solution 1 : – Module type SoC – FPGA ajouté à la carte finale – Nécessite un design matériel ● Solution 2 : – Module SoC intégrant directement un FPGA – Xilinx (Zynq), Altera, Armadeus APF27/APF51 – Pas (ou peu) de design matériel – La demande du marché pousse ce type de solution
  65. 65. 65Logiciels libres et SE Cas d'exemple ● Un système nécessite une horloge de synchronisation (période = 1 ms) – Réalisable sur certains systèmes (tâche périodique sur un GPIO) → Raspberry Pi/ARM + Linux-TR – Impossible à réaliser sur d'autres architectures (x86) sans 1 carte PCI dédiée (€€€) ● Une solution hybride utilise : – Un système sous Linux (architecture x86, ARM, …) non TR – Un contrôleur matériel FPGA sur bus USB – Simple à mettre en place en langage HDL – Le calculateur Linux pilote le contrôleur par message USB mais ne gère pas le TR → insensible aux variations de charge
  66. 66. 66Logiciels libres et SE Raspberry Pi + FPGA KNJN DragonPCI-E Bugblat sur bus local USB
  67. 67. 67Logiciels libres et SE Questions ?

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