Linux. embarqué. 4e édition. Pierre Ficheux Éric Bénard. Nouvelle étude de cas Traite d OpenEmbedded

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1 Linux 4e édition embarqué Nouvelle étude de cas Traite d OpenEmbedded Pierre Ficheux Éric Bénard

2 Un ouvrage de référence accompagné de deux études de cas Sans équivalent en français, cet ouvrage s ouvre par un panorama du marché de l embarqué et des solutions Linux existantes en les comparant aux alternatives propriétaires. Il indique ensuite la méthodologie à suivre pour construire, à partir du noyau Linux, un système embarqué adapté. Les règles d utilisation des licences GPL/LGPL pour les systèmes embarqués, ainsi que la prise en charge des dernières versions du noyau Linux (3.0 et supérieures) sont détaillées. L ouvrage décrit les derniers outils utilisés dans le monde Linux embarqué tels que l émulateur de matériel QEMU, l environnement de développement Buildroot et OpenEmbedded, le chargeur de démarrage Barebox, nouveau-venu après U-Boot, les extensions temps réel Xenomai et PREEMPT-RT, ou encore la bibliothèque graphique embarquée Qt4 développée par Nokia. En outre, un chapitre entier est dédié à l utilisation des outils de mise au point, tels que Ftrace/trace-cmd et KernelShark, KGDB, OProfile ou les sondes d émulation JTAG. Les exemples de l ouvrage portent sur l architecture ARM, aujourd hui la plus répandue pour les applications embarquées, mais également sur les processeurs x86, très présents au travers du processeur Intel Atom(r). La majorité des exemples décrits peuvent être directement exploités par le lecteur dans un environnement ARM9 émulé par l outil libre et gratuit QEMU. Cette quatrième édition est enrichie d un chapitre dédié à OpenEmbedded, d un chapitre détaillé sur le démarrage d une carte ARM, du bootloader à l application dans le cadre d une étude de cas complète. Au sommaire Les logiciels embarqués et leurs domaines d application. Panorama des systèmes existants : VxWorks, QNX, µc/os (microc OS) et µc/os II, Windows, LynxOS, Nucleus, VRTX, ecos Linux comme système embarqué. Contraintes des systèmes embarqués propriétaires. Systèmes embarqués basés sur le noyau Linux : Wind River Linux, MontaVista Linux, BlueCat Linux, ELDK, Android Choix du matériel. Architecture PC/86 ou non? Processeur : MMU ou non? Processeurs compatibles x86. Mémoire de masse. Bus d extension et de communication ISA et PCI. Port série, bus USB, I2C, SPI, FireWire. Cartes mères Structure du système Linux. Noyau, répertoires et fichiers principaux Environnement de développement. Choisir un système de développement. Chaîne de compilation croisée. Choix de la libc : Glibc, uclibc, Eglibc. ELDK, Crosstool, Crosstool-NG. Compilation et débogueurs. Autres outils de développement : EDI, émulateur de matériel, émulation de terminal Construction de la distribution. Choix du compilateur croisé et compilation du noyau. Création du système de fichiers racine basé sur Busybox. Partir d une distribution classique existante (Fedora) Configuration du réseau. Commandes ifconfig et route. Test d une application réseau (wget). Scripts de configuration du réseau. Configuration de PPP Chargeur de démarrage. Utilisation de GRUB, de Syslinux, de U-Boot, de Barebox Mémoire de masse et système de fichiers. Technologies des mémoires : RAM, ROM, flash Choix du support physique. CompactFlash, clé USBB, Disk OnModule. Utilisation du pilote MTD : Flash NOR ou NAND, architecture, configuration et mise en place, utilisation des formats CRAMFS et TMPFS et de mtd-utils Utiliser Buildroot Utiliser OpenEmbedded Outils de mise au point. Mise en place de traces avec syslog. Utilisation de strace et ltrace, utilisation de GBD. Outils de mise au point mémoire. Mise en œuvre d OProfile et de Ftrace Systèmes temps réel. Patch PREEMPT-RT. Utilisation d un co-noyau Interface homme-machine. La console et les terminaux. X Window System. Framebuffer de Linux. DirectFB. SDL. Toolkits graphiques. LCDproc. Pilotage à distance Étude de cas. Développer une interface homme-machine pour un équipement industriel. À qui s adresse cet ouvrage? Aux développeurs Linux et aux ingénieurs ayant à réaliser des systèmes embarqués. Aux décideurs et industriels ayant à choisir une solution pour leurs applications embarquées. P. Ficheux Ingénieur des Arts et Métiers, Pierre Ficheux est un linuxien de renom, initiateur de plusieurs sites Linux et auteur de nombreux tutoriels. Il a travaillé entre autres chez Red Hat et s est spécialisé dans les applications industrielles de Linux embarqué. Il est directeur technique d Open Wide, société de services spécialisée dans les technologies open source. Il est également enseignant, intervenant dans les options systèmes embarqués et temps réel pour l ENSEIRB-MATMECA (Bordeaux) et l EPITA (Paris). É. Bénard Ingénieur ENSEIRB, Éric Bénard développe des architectures électroniques propulsées par le noyau Linux et des Logiciels Libres depuis une dizaine d années. Il a créé Eukréa Electromatique en 2004, concepteur de cartes électroniques, fabricant de modules processeurs, ainsi que société de services spécialisée dans les Logiciels Libres embarqués. Il contribue notamment aux projets OpenEmbedded, Barebox ainsi qu au noyau Linux et dispense régulièrement des formations professionnelles. Conception : Nord Compo embarqué Code éditeur : G13482 ISBN : Linux 4e édition

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4 Chez le même éditeur Dans la collection Les guides de formation Tsoft J.-F. Bouchaudy. Linux Administration. Tome 1 : les bases de l administration système. N 12624, 2 e édition, 2009, 270 pages. J.-F. Bouchaudy. Linux Administration. Tome 2 : administration système avancée. N 12882, 2 e édition, 2011, 504 pages. J.-F. Bouchaudy. Linux Administration. Tome 3 : sécuriser un serveur Linux. N 13462, 2 e édition, 2012, 400 pages. J.-F. Bouchaudy. Linux Administration. Tome 4 : les services applicatifs Internet (Web, , FTP). N 12248, 2009, 400 pages. Autres ouvrages R. Hertzog, P. Habouzit. Mémento Git à 100%. N 13438, 2012, 18 pages (Collection Mémento). C. Blaess. Développement système sous Linux. Ordonnancement multitâches, gestion mémoire, communications, programmation réseau. N 12881, 3 e édition, 2011, 1004 pages (Collection Blanche). C. Blaess. Shells Linux et Unix par la pratique. N 12273, 2008, 262 pages (Collection Blanche). I. Hurbain, E. Dreyfus. Mémento Unix/Linux N 13306, 2 e édition, 2011, 14 pages. R. Stallman, S. Williams, C. Masutti. Richard Stallman et la révolution du logiciel libre. N 12609, 2010, 324 pages (Collection Accès libre). P. Hansteen, adapté par M. Derche. Le livre de Packet Filter (PF). N 12516, 2009, 194 pages (Cahiers de l Admin). J. Gabès. Nagios 3 pour la supervision et la métrologie. Déploiement, configuration et optimisation. N 12473, 2009, 482 pages (Cahiers de l Admin). R. Hertzog, R. Mas. Debian Lenny. Gnu/Linux. N 12443, 2009, 462 pages avec DVD-Rom (Cahiers de l Admin). B. Boutherin, B. Delaunay. Sécuriser un réseau Linux. N 11960, 3 e édition, 2007, 266 pages (Cahiers de l Admin). M. Krafft. Debian. Administration et configuration avancées. N 11904, 2006, 674 pages (Collection Blanche). M. Bäck et al. Monter son serveur de mails sous Linux. N 11931, 2006, 360 pages (Collection Accès libre). R. Stallman et al. Richard Stallman et la révolution du logiciel libre. Une biographie autorisée - Une initiative Framasoft. N 12609, 2010, 324 pages (Collection Accès libre). C. Blaess. Solutions temps réel sous Linux. N 13382, 2012, 294 pages (Collection Blanche).

5 Linux 4 e édition embarqué Nouvelle étude de cas Traite d OpenEmbedded Pierre Ficheux Éric Bénard

6 ÉDITIONS EYROLLES 61, bd Saint-Germain Paris Cedex 05 En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l autorisation de l Éditeur ou du Centre Français d exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, Paris. Groupe Eyrolles, 2012, ISBN :

7 Préface L informatique prend une part grandissante dans notre vie, et tout le monde est en train de prendre conscience de la très forte dépendance que nous avons développée sur Internet, le Web, les moteurs de recherche et les réseaux sociaux, qui étaient pourtant inconnus du grand public il y a seulement quinze ans. Mais pour un observateur averti, ceci n est que l une des facettes de l impact de l informatique sur notre monde : enfouis profondément dans des objets de tous les jours, on retrouve du logiciel pratiquement partout. Il y a évidemment les téléphones portables, qui se rapprochent chaque jour des ordinateurs portables, pour puissance et fonctionnalités, mais il y a aussi du logiciel très sophistiqué dans les voitures, les avions, les systèmes de contrôle commande, les machines industrielles, les lecteurs multimédias, les différentes «box» qui nous permettent de nous connecter à Internet, les téléviseurs, les appareils ménagers, les caisses des supermarchés, les guichets automatiques, etc. Ces logiciels, qu on appelle logiciels embarqués, ne sont pas tous soumis aux mêmes contraintes : s il existe bien une obligation de tout faire pour prévenir et éviter les erreurs dans le système de commande d un avion, il n est par contre pas rare d être obligé de redémarrer un téléphone, ce qui était inimaginable il y a quinze ans, et on sait qu un pourcentage significatif des pannes immobilisantes des voitures modernes sont d origine logicielle. Dans ce contexte, la généralisation de l usage de briques logicielles libres, et en particulier de noyaux de systèmes d exploitation comme Linux, peut contribuer à améliorer la qualité des logiciels embarqués : il devient possible de développer des pilotes adaptés pour des périphériques spécifiques, d apporter des modifications fines à des composants du noyau, de mutualiser une connaissance poussée entre développeurs d entreprises différents, d examiner le code du système, sans les entraves posées par les logiciels propriétaires.

8 VI Linux embarqué Cet ouvrage est une excellente introduction à ce domaine pour ceux qui s intéressent à l utilisation de Linux pour construire un système embarqué, en particulier pour l intégrer à un équipement industriel dédié : il présente de manière simple et pragmatique les concepts essentiels et donne de très nombreux exemples concrets qui permettent de se former en mettant «la main à la pâte». Roberto Di Cosmo, directeur du laboratoire de l IRILL (Initiative de Recherche et d Innovation pour le Logiciel libre), professeur en Informatique à l Université Paris Diderot Paris 7 Août 2010

9 Table des matières Avant-propos... 1 À qui s adresse ce livre? Structure de l ouvrage Précisions concernant les troisième et quatrième éditions PREMIÈRE PARTIE Introduction à Linux et aux systèmes embarqués...5 CHAPITRE 1 Les logiciels embarqués et leurs domaines d application... 7 Qu est-ce qu un logiciel embarqué? Caractéristiques des logiciels embarqués Logiciel embarqué ou système embarqué? Les champs d application Tour d horizon des systèmes existants VxWorks QNX µc/os (micro-c OS) et µc/os II Windows LynxOS Nucleus VRTX ecos Conclusion CHAPITRE 2 Linux comme système embarqué Contraintes des systèmes embarqués propriétaires Les avantages de l open source Les inconvénients La crédibilité de l open source

10 VIII Linux embarqué Le support technique La complexité des licences La compatibilité ascendante Pourquoi Linux est-il adapté à l embarqué? La fiabilité Le faible coût Les performances La portabilité et l adaptabilité L ouverture Dans quels cas Linux peut-il être inadapté? Les systèmes embarqués basés sur le noyau Linux Wind River Linux MontaVista Linux BlueCat Linux ELDK Android Conclusion CHAPITRE 3 Choix du matériel Choix d une architecture, PC/x86 ou non? La notion de MMU uclinux : un noyau Linux sans MMU Les processeurs compatibles x Les autres architectures La mémoire de masse Les bus d extension et de communication Les bus d extension ISA et PCI Les ports série Le bus USB Les autres bus : I2C, SPI, FireWire Quelques exemples de cartes mères Le projet Armadeus Les cartes Eukréa Les cartes FOX (ACME Systems) Les cartes Pragmatec Récupération de cartes existantes Les formats Mini-ITX et Micro-ITX Le standard PC/104 (x86) Conclusion

11 Table des matières IX DEUXIÈME PARTIE Mise en place d un système Linux embarqué...49 CHAPITRE 4 Structure du système Linux Le noyau Linux Structure globale du noyau Les modules dynamiques du noyau Compilation du noyau Obtention et extraction des sources Configuration du noyau Compilation et installation Répertoires et fichiers principaux Organisation générale Le répertoire /dev Le système de fichiers /proc Le système de fichiers /sys Les niveaux d exécution ou run levels Les bibliothèques partagées Le répertoire /var Conclusion CHAPITRE 5 Environnement de développement Choisir un système de développement Quelle distribution Linux? Quels composants installer? Utilisation d une machine virtuelle Utilisation de Cygwin Autre choix possible : Mac OS X? La chaîne de compilation croisée Le choix de la libc Glibc uclibc Eglibc Utiliser ELDK Utiliser Crosstool Description de la structure Exemple de production d une chaîne ARM Utiliser Crosstool-NG

12 X Linux embarqué Exemples de compilation Compilation d un noyau Linux Débogueur GDB croisé Programme gdbserver Débogueur GDB natif ARM Utilisation d un fichier Makefile Les autres outils de développement Utilisation d un EDI Émulateur de matériel Quelques mots sur l émulateur QEMU Mode utilisateur Installation de QEMU Test de QEMU pour une application embarquée Quelques options utiles L émulation de terminal Utilisation de screen Utilisation de minicom Et maintenant? CHAPITRE 6 Construction de la distribution Les éléments d une distribution Linux minimale Choix du compilateur croisé Compilation du noyau Création du système de fichiers racine Le coup du coucou! Un système de fichiers racine basé sur Busybox Les problèmes des distributions classiques Busybox, la solution universelle de l embarqué Compiler et installer Busybox Installer le répertoire /dev Tester la distribution Configuration de Busybox Amélioration de l image Authentification des utilisateurs Utilisation d un initramfs Conclusions sur la construction du système de fichiers racine Partir d une distribution classique existante Adaptation d un Live-CD Fedora Conclusion

13 Table des matières XI CHAPITRE 7 Configuration du réseau La commande ifconfig La commande route Test d une application réseau (wget) Configuration du client DHCP sur la distribution Utilisation d un pont (bridge) Scripts de configuration du réseau Le script rc.inet Initialisation de l interface locale Initialisation de l interface Ethernet, PPP ou PPPOE Calcul du fichier /etc/resolv.conf Nom de domaine et nom du système Arrêt des interfaces Le script rc.inet Configuration de PPP Validation du support PPP Installation du programme pppd Mise en place du répertoire /etc/ppp Passons aux choses sérieuses! CHAPITRE 8 Le chargeur de démarrage Utilisation de GRUB Nommage des périphériques Mode interactif Fichier de configuration Installation de GRUB sur une clé USB Création d une image ISO bootable avec GRUB Utilisation de Syslinux Utilisation de U-Boot Compilation de la version modifiée de QEMU Compilation de U-Boot Installation et test de l image U-Boot sous QEMU Installation sur une carte réelle Les principes de U-Boot La syntaxe de U-Boot Exemples de manipulation Liste des principales commandes et variables Un premier exemple de démarrage de la carte Installation du serveur TFTP

14 XII Linux embarqué Configuration du serveur NFS Paramétrage U-Boot pour NFS-Root Démarrage automatique de la distribution Utilisation d un fichier de définition de variables Utilisation de Barebox Compilation de Barebox Installation et test de l image Barebox sous QEMU Utilisation de Barebox Copie des fichiers sur le serveur TFTP Téléchargement et programmation en flash Démarrage de Linux sur la carte En résumé Exploration des sources de Barebox Conclusion CHAPITRE 9 Mémoire de masse et système de fichiers Rappels sur les technologies des mémoires La mémoire RAM La mémoire ROM La mémoire flash Choix du support physique La CompactFlash La clé USB La carte Disk On Module Utilisation du périphérique Partitionnement Formatage Installation de la distribution Installation du bootloader GRUB Utilisation du pilote MTD Flash NOR ou NAND Architecture du pilote MTD Configuration et mise en place de MTD Paramétrage du noyau Linux Découpage de la flash Copie du noyau sur la flash Installation du système de fichiers racine sur la flash Test du système Utilisation du format CRAMFS Cas d une flash NAND

15 Table des matières XIII Utilisation du format TMPFS Utilisation de mtd-utils Disponibilité dans ELDK Génération à partir des sources Exemple d utilisation Conclusion TROISIÈME PARTIE Techniques avancées CHAPITRE 10 Utiliser Buildroot Buildroot, une introduction Qu est-ce que Buildroot? Buildroot aujourd hui Quand utiliser Buildroot? Installation et utilisation Un premier test de génération Création d une configuration prédéfinie Aperçu de la structure de Buildroot Système de gestion des paquets Exemple du paquet fbv Reconstruction des paquets Ajout de paquets externes Nouvelle syntaxe pour les paquets Utilisation de Buildroot sur une véritable carte Ajout du support des cartes Pragmatec DEV Ajout de la prise en charge de Pragmatec dans les cibles Configuration U-Boot Configuration du noyau Linux Format des images de système de fichiers racine produites Périphérique utilisé pour la console Cas d une chaîne de compilation externe Sauvegarde de la configuration Test sur la carte DEV Cas des dernières versions de Buildroot (2011, 2012) Quelques exemples d utilisation QEMU/Versatile PB SODIMM Eukréa CPUIMX51SD Conclusion

16 XIV Linux embarqué CHAPITRE 11 Utiliser OpenEmbedded OpenEmbedded, historique du projet Principe de base Installation Prérequis Téléchargement de l outil et préparation de l environnement Premiers pas avec qemuarm Exploration des répertoires Organisation générale Les métadonnées L environnement de travail Résultat de la construction Test de l image avec QEMU Concepts d OpenEmbedded Le grand chef : bitbake Le livre de recettes : OpenEmbedded Éléments de syntaxe À propos des tâches Anatomie d une recette Recette à partir de sources brutes Recette à partir de sources utilisant Autotools Recette de compilation d une application Qt Premier projet avec OpenEmbedded Comment travailler avec OpenEmbedded? Sélection des couches Création de la couche du projet Création d une image personnalisée Génération d un SDK Astuces utiles Reconstruire un paquet Étude des dépendances Dépôt de paquets Libérer l espace disque Travailler sans connexion Internet Construire une recette sans gestion de dépendances Que valent les variables d une recette? Un problème, une solution, un patch Perspectives Documentation

17 Table des matières XV CHAPITRE 12 Outils de mise au point Quels outils de mise au point sous Linux? Mise en place de traces Introduction à syslog Trace depuis un programme utilisateur Trace depuis un module noyau Configuration par /etc/syslog.conf Cas de Busybox Utilisation de strace et ltrace Utilisation de GDB Mise au point avec gdbserver Utilisation de l émulateur QEMU Mise au point du noyau Linux Mise au point d un module dynamique Mise au point du bootloader U-Boot Utilisation de KGDB Mise au point du noyau Linux Utilisation d une sonde JTAG Mise en œuvre de la sonde BDI Outils de mise au point mémoire Allocation de mémoire Les outils disponibles Mise en œuvre d OProfile Installation d OProfile Configuration d OProfile Enregistrement des informations de profiling Production des résultats Mise en œuvre de Ftrace Ftrace ou LTT/LTTng? Activation dans le noyau Premières utilisations de Ftrace Trace de fonction Trace d événement Quelques utilisations plus avancées Exploitation des résultats Utilisation de trace-cmd Conclusion

18 XVI Linux embarqué CHAPITRE 13 Systèmes temps réel Gestion du temps dans les systèmes d exploitation Système à temps partagé Système temps réel Test d une application temps réel sous Linux Description de l expérience Développement du programme de test Configuration des options de préemption Modification de la politique d ordonnancement Le noyau Linux n est définitivement pas temps réel Le patch PREEMPT-RT Modifications effectuées Installation Test de performances Utilisation d un co-noyau RTLinux RTAI Compilation et installation du noyau Linux modifié Compilation et installation de la distribution RTAI Test de la distribution Xenomai Architecture de Xenomai ADEOS Structure et fonctionnement d une application Xenomai Installation de Xenomai Compilation et installation du noyau Linux modifié Compilation et installation de la distribution Xenomai Test de la distribution Interface /proc Prise en compte du multiprocessing (SMP) Adaptation de l exemple de test du port parallèle Introduction à RTDM Test de Xenomai/ADEOS sur une architecture ARM Conclusion CHAPITRE 14 Interface homme-machine La console et les terminaux Configuration d une disposition clavier spécifique

19 Table des matières XVII X Window System Une introduction à X Adaptation du système X Le framebuffer de Linux Configuration du framebuffer Utilisation du framebuffer Utilisation de DirectFB Utilisation de SDL Les toolkits graphiques Qt/Embedded Architecture de Qt/Embedded Mise en place de Qt/Embedded GTK+ sur framebuffer (GTK-DFB) La bibliothèque wxwidgets Le toolkit EFL LCDproc, une bibliothèque d affichage LCD Pilotage à distance Serveur et navigateur web Nouvelles techniques du Web Java Ajax Adobe Flash HTML Conclusion CHAPITRE 15 Étude de cas Description du projet Éléments composant le système Le bootloader Le noyau Le système de fichiers racine Le SDK L application Le déploiement En résumé Index

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