Saturday, April 20, 2013

Embedded Linux (part 2)


Méthodologie de création d'un système Linux embarqué



La structure du système est calquée sur les autres systèmes Unix libres ou propriétaires à savoir :

• un noyau ou kernel réalisant les fonctions essentielles comme la gestion des tâches et de la mémoire, ainsi que l’interfaçage entre le matériel et les applicatifs grâce entre autres aux pilotes de périphériques ou en anglais device drivers ;

• une bibliothèque principale appelée libc ou glibc (GNU libc) sous Linux et contenant
les fonctions de base utilisées par les applicatifs ;

• les applicatifs eux-mêmes, appelés également commandes, soit livrés en standard avec
le système ou bien développés pour des besoins spécifiques.


À ces éléments standards il faut ajouter un programme de démarrage ou bootstrap comme LILO (LInux LOader). À la différence des autres composants du système, le programme de démarrage ou chargeur est très dépendant du matériel utilisé.
Le schéma de démarrage d’un système Linux est relativement simple et on peut le décomposer comme suit :

1. Chargement du système par LILO ou un programme équivalent, comme GRUB.

2. Chargement du noyau Linux. Le chargement s’accompagne de l’initialisation des périphériques matériels indispensables au démarrage, et donc au chargement des pilotes de périphériques associés. Le noyau Linux tente également de charger sa partition principale ou root partition sur laquelle il ira chercher les éléments nécessaires à la suite du lancement du système.

3. Lorsque le noyau Linux est chargé, il exécute un programme d’initialisation qui, par défaut, correspond à la commande /sbin/init. Cependant, on peut indiquer facilement au noyau de passer la main à un autre programme.

4. Dans le cas de l’utilisation du programme init standard, ce dernier explore le fichier de configuration /etc/inittab qui contient le chemin d’accès à un script de démarrage, comme ceci :
# System initialization (runs when system boots).
si:S:sysinit:/etc/rc.d/rc.d/rc.sysinit
Le script en question poursuit l’initialisation du système.

1.Le noyau LINUX

Le noyau est l’élément principal du système, d'abord parce que ce noyau fut initialement conçu par Linus Torvalds, créateur du système Linux et de composants provenant en majorité du projet GNU de Richard Stallman. Ensuite parce que la structure monolithique du noyau en fait l’interface unique entre le système et le matériel dans la quasi-totalité des cas de figure.

1.1. Structure globale du noyau

Dans le cas de Linux, le noyau est un fichier exécutable, monolithique ou presque, chargé d’assurer les fonctions essentielles du système comme la gestion des tâches, ou scheduling, la gestion de la mémoire et le pilotage des périphériques que ceux-ci soient réellement des périphériques matériels ou bien qu’ils soient des périphériques virtuels.
Dans une distribution Linux classique, le noyau est physiquement représenté par un fichier localisé sur le répertoire /boot :

serge@serge-Aspire-4830TG:/boot$ ls -lrt
total 46484
-rw------- 1 root root 2320733 Oct 9 2012 System.map-3.5.0-17-generic
-rw-r--r-- 1 root root 154429 Oct 9 2012 config-3.5.0-17-generic
-rw-r--r-- 1 root root 853738 Oct 9 2012 abi-3.5.0-17-generic
-rw-r--r-- 1 root root 5171760 Oct 17 19:08 vmlinuz-3.5.0-17-generic
-rw-r--r-- 1 root root 178944 Jan 3 23:47 memtest86+_multiboot.bin
-rw-r--r-- 1 root root 176764 Jan 3 23:47 memtest86+.bin
-rw------- 1 root root 5169520 Mar 25 21:29 vmlinuz-3.5.0-27-generic
-rw------- 1 root root 2320304 Mar 25 21:29 System.map-3.5.0-27-generic
-rw-r--r-- 1 root root 154652 Mar 25 21:29 config-3.5.0-27-generic
-rw-r--r-- 1 root root 860818 Mar 25 21:29 abi-3.5.0-27-generic
-rw-r--r-- 1 root root 15066322 Apr 16 21:16 initrd.img-3.5.0-17-generic
drwxr-xr-x 5 root root 4096 Apr 16 21:29 grub
-rw-r--r-- 1 root root 15142645 Apr 16 21:30 initrd.img-3.5.0-27-generic


Le nom du noyau est libre mais il est généralement suffixé en fonction de la version du noyau, ici 3.5.0 et de l’extra-version choisie par celui qui a généré ce noyau, soit 17 dans le cas présent.
Nous verrons que l’extra-version est définie dans le fichier Makefile de l’arborescence des sources du noyau.
Le noyau Linux utilise également un fichier nommé System.map qui contient des informations sur des adresses internes du noyau. Ces informations sont utiles à la gestion des modules décrits ci-après. Le fichier System.map est également présent sur le répertoire /boot. En toute rigueur, il est lié à la version complète du noyau généré, y compris l’extra-version, car il est généré lors de la compilation du noyau.

1.2. Les modules chargeables du noyau

Dans les cas d’applications classiques de Linux, le noyau utilise le plus souvent des modules qui peuvent être dynamiquement chargés et déchargés en fonction des besoins du système.
Ces modules peuvent être des pilotes de périphériques matériels, comme des cartes d’extension, ou bien liés à un support générique de plus haut niveau comme le support SCSI. L’utilisation des modules permet d’optimiser la mémoire du système à un instant donné car un pilote non utilisé pourra être déchargé, libérant ainsi sa mémoire.
De même, l’utilisation des modules permettra d’ajouter dynamiquement des périphériques sans redémarrer le système.

Dans le cas d’un noyau embarqué, on pourra cependant se poser la question quant à l’utilisation des modules sachant que ceux-ci nécessitent la validation d’options spécifiques lors de la compilation du noyau, ce qui augmente légèrement sa taille. De même, la hiérarchie des modules nécessite la mise en place du répertoire /lib/modules, ce qui augmente le nombre de fichiers, la complexité du système et aussi légèrement l’espace occupé par ce dernier.

Le choix de l’utilisation ou non des modules sera laissé à la charge de l’intégrateur du système en fonction de ses besoins.
serge@serge-Aspire-4830TG:/boot$ ls -l /lib/modules
total 8
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Oct 17 17:00 3.5.0-17-generic
drwxr-xr-x 4 root root 4096 Apr 16 21:28 3.5.0-27-generic

À chaque sous-répertoire correspond une version du noyau. Dans le cas présent, les
modules utilisés par le noyau seront localisés dans le répertoire 3.5.0-17.
serge@serge-Aspire-4830TG:/lib/modules$ ls -l 3.5.0-17-generic
total 4640
lrwxrwxrwx 1 root root 39 Nov 14 23:08 build -> /usr/src/linux-headers-3.5.0-17-generic
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Oct 17 16:58 initrd
drwxr-xr-x 10 root root 4096 Oct 17 16:59 kernel
-rw-r--r-- 1 root root 739381 Oct 17 17:00 modules.alias
-rw-r--r-- 1 root root 719847 Oct 17 17:00 modules.alias.bin
-rw-r--r-- 1 root root 6027 Oct 9 2012 modules.builtin
-rw-r--r-- 1 root root 7365 Oct 17 17:00 modules.builtin.bin
-rw-r--r-- 1 root root 69 Oct 17 17:00 modules.ccwmap
-rw-r--r-- 1 root root 351471 Oct 17 17:00 modules.dep
-rw-r--r-- 1 root root 518442 Oct 17 17:00 modules.dep.bin
-rw-r--r-- 1 root root 214 Oct 17 17:00 modules.devname
-rw-r--r-- 1 root root 889 Oct 17 17:00 modules.ieee1394map
-rw-r--r-- 1 root root 295 Oct 17 17:00 modules.inputmap
-rw-r--r-- 1 root root 21817 Oct 17 17:00 modules.isapnpmap
-rw-r--r-- 1 root root 2486 Oct 17 17:00 modules.ofmap
-rw-r--r-- 1 root root 144391 Oct 9 2012 modules.order
-rw-r--r-- 1 root root 471479 Oct 17 17:00 modules.pcimap
-rw-r--r-- 1 root root 1765 Oct 17 17:00 modules.seriomap
-rw-r--r-- 1 root root 131 Oct 17 17:00 modules.softdep
-rw-r--r-- 1 root root 285690 Oct 17 17:00 modules.symbols
-rw-r--r-- 1 root root 363056 Oct 17 17:00 modules.symbols.bin
-rw-r--r-- 1 root root 1063926 Oct 17 17:00 modules.usbmap

Les modules sont répartis dans des sous-répertoires selon une classification fonctionnelle.
La liste ci-après permet de visualiser les modules correspondant à des pilotes réseau :
serge@serge-Aspire-4830TG:/lib/modules/3.5.0-17-generic$ ls -l /lib/modules/3.5.0-17-generic/kernel/drivers/net | head
total 244
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Oct 17 16:59 appletalk
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Oct 17 16:59 arcnet
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Oct 17 16:58 bonding
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Oct 17 16:59 caif
drwxr-xr-x 7 root root 4096 Oct 17 16:59 can
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Oct 17 16:59 dsa
-rw-r--r-- 1 root root 7464 Oct 9 2012 dummy.ko
-rw-r--r-- 1 root root 9280 Oct 9 2012 eql.ko
drwxr-xr-x 46 root root 4096 Oct 17 16:59 ethernet

serge@serge-Aspire-4830TG:/lib/modules/3.5.0-17-generic/kernel/net/wireless$ ls -lrt
total 268
-rw-r--r-- 1 root root 9608 Oct 9 2012 lib80211.ko
-rw-r--r-- 1 root root 6760 Oct 9 2012 lib80211_crypt_wep.ko
-rw-r--r-- 1 root root 12672 Oct 9 2012 lib80211_crypt_tkip.ko
-rw-r--r-- 1 root root 8328 Oct 9 2012 lib80211_crypt_ccmp.ko
-rw-r--r-- 1 root root 225020 Oct 9 2012 cfg80211.ko

Le fichier modules.dep contient les dépendances entre les modules sous la forme d’une
simple liste contenant une définition de dépendance par ligne. Cette liste est générée au
démarrage du système par la commande depmod -a.

On doit également utiliser cette commande chaque fois que l’on ajoute un nouveau
module à l’arborescence des modules. Un extrait de la liste est présenté ci-après :

/lib/modules/2.4.7-10/kernel/fs/vfat/vfat.o:
/lib/modules/2.4.7-10/kernel/fs/fat/fat.o
La ligne ci-après montre que le module vfat.o nécessite la présence du module fat.o.

Bien que les modules soient normalement chargés de manière automatique par le système, nous allons décrire en quelques lignes les principales commandes de manipulation des modules, et ce afin de donner un bon aperçu des opérations possibles sur les modules.
Remarque
Les modules sont manipulés grâce à un paquetage nommé modutils. En cas d’utilisation du noyau 2.6, il est nécessaire d’utiliser une version récente du paquetage (module-init-tools-3.0 ou supérieur) disponible en téléchargement avec les sources du noyau. Ces dernières versions sont compatibles 2.4 et 2.6.

On peut forcer le chargement d’un module en utilisant la commande insmod. Prenons l’exemple d’un module hello.o sans dépendance avec aucun autre module.
On peut charger ce module au moyen de la commande :
root#> insmod hello.o

On peut aussi ajouter ce module à l’arborescence des modules standards en effectuant :
root#> cp hello.o /lib/modules/2.4.7-10/kernel/drivers/char/lib/modules/2.4.7-1/kernel/driver/char
root#> depmod -a


puis charger ce module avec la commande :
root#> insmod hello Using /lib/modules/2.4.7-10/kernel/drivers/char/hello.o

Notez qu’il est nécessaire d’être super-utilisateur pour charger un module.
Dans le cas où le module est installé dans l’arborescence, on ne spécifie pas le suffixe. La trace du chargement effectif du module est visible dans le fichier des messages du noyau(dmesg). On peut également vérifier sa présence en utilisant la commande lsmod:

root#> dmesg | tail -1
Hello world!
root#> lsmod
Module  
Size Used by
hello     292   0 (unused)


Lors du chargement du module, il est possible de spécifier des paramètres par la ligne de commande :
root#> insmod bttv card=39

Les paramètres peuvent être spécifiés dans le fichier /etc/modules.conf afin d’être utilisés automatiquement lors du chargement du module. Dans le cas du noyau 2-6, on utilise le fichier /etc/conf.modules :
alias eth0 3c59x
options i2c-algo-bit bit_test=1
options bttv card=39


La commande alias permet de faire une association automatique entre un nom de module générique et le nom de module effectif. Dans le cas présent, le module 3c59x sera chargé lors de l’initialisation de l’interface réseau Ethernet qui nécessite le module générique eth0. Après chaque modification du fichier, on doit utiliser la commande /sbin/depmod -a.
Pour décharger le module, on utilise la commande rmmod :
root#> rmmod hello
root#> dmesg | tail -1
Goodbye cruel world!


Remarque
Dans le cas de modules dépendant d’autres modules, on ne peut cependant pas utiliser la commande
insmod.

Le système de fichier /proc

Pour communiquer avec l’espace utilisateur, le noyau Linux utilise un concept emprunté à Unix System V : le système de fichier /proc. À la différence des systèmes de fichiers classiques qui sont associés à des périphériques réels, le système de fichier /proc est virtuel. Sa structure de système de fichier en fait une représentation facile pour manipuler des paramètres du noyau Linux. On peut en effet utiliser les commandes standards de manipulation des fichiers classiques, ainsi que la redirection des entrées/sorties très utilisée sous Linux.

On peut aussi:

lister les modules charger dans le kernel:
root#> cat /proc/modules

visualiser la mémoire disponible:
root#> cat /proc/meminfo

visualiser les systèmes de fichiers supportés par le noyau:
root#> cat /proc/filesystems

visualiser la version du noyau:
root#> cat /proc/version

visualiser le type de processeur utilisé:
root#> cat /proc/cpuinfo

De même, les valeurs numériques présentes dans /proc représentent les zones d’information des processus courant, chaque valeur correspondant au PID du processus en question. Ces sous-répertoires contiennent les informations propres au processus en question :

serge@serge-Aspire-4830TG:/proc$ ls -l /proc/3962
ls: cannot read symbolic link /proc/3962/cwd: Permission denied
ls: cannot read symbolic link /proc/3962/root: Permission denied
ls: cannot read symbolic link /proc/3962/exe: Permission denied
total 0
dr-xr-xr-x 2 root root 0 Apr 20 13:36 attr
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 autogroup
-r-------- 1 root root 0 Apr 20 13:36 auxv
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 cgroup
--w------- 1 root root 0 Apr 20 13:36 clear_refs
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 cmdline
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 comm
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 coredump_filter
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 cpuset
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Apr 20 13:36 cwd
-r-------- 1 root root 0 Apr 20 13:36 environ
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Apr 20 13:36 exe
dr-x------ 2 root root 0 Apr 20 13:36 fd
dr-x------ 2 root root 0 Apr 20 13:36 fdinfo
-r-------- 1 root root 0 Apr 20 13:36 io
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 latency
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 limits
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 loginuid
dr-x------ 2 root root 0 Apr 20 13:36 map_files
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 maps
-rw------- 1 root root 0 Apr 20 13:36 mem
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 mountinfo
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 mounts
-r-------- 1 root root 0 Apr 20 13:36 mountstats
dr-xr-xr-x 5 root root 0 Apr 20 13:36 net
dr-x--x--x 2 root root 0 Apr 20 13:36 ns
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 oom_adj
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 oom_score
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 oom_score_adj
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 pagemap
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 personality
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Apr 20 13:36 root
-rw-r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 sched
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 schedstat
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 sessionid
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 smaps
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 stack
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 stat
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 statm
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 status
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 syscall
dr-xr-xr-x 3 root root 0 Apr 20 13:36 task
-r--r--r-- 1 root root 0 Apr 20 13:36 wchan


Par exemple, le fichier status contient des informations sur l’état du processus en question.
Le système de fichier /proc est également utilisable en écriture, ce qui permet de
modifier dynamiquement le comportement du noyau Linux sans aucune compilation.

Un exemple classique est la validation d’option comme par le transfert de paquets IP (IP forwarding). On peut connaître la valeur de l’option d’IP forwarding en faisant :
root#> cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
1

Le système retourne la valeur 1, ce qui signifie que l’IP forwarding est validé. On peut l’inhiber en faisant simplement :
root#> echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

Une description complète du pseudo-système de fichiers /proc est disponible dans le répertoire de documentation des sources du noyau Linux, soit :
root#> more usr/src/linux-2.4/Documentation/filesystems/proc.txt
pour les noyaux 2.4 et 2.6.

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Bibliographie

  • Linux embarqué (2e edition - Eyrolles)
  • wikipédia

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