Embedded Technologies: Vom Treiber bis zur Grafik-Anbindung

337 Pages·2012·4.506 MB·German

by  Joachim Wietzke (auth.)

Xpert.press
DieReihe Xpert.press vermitteltProfessionals
in den Bereichen Softwareentwicklung,
InternettechnologieundIT-Managementaktuell
und kompetentrelevantesFachwissenüber
Technologienund ProduktezurEntwicklung
und AnwendungmodernerInformationstechnologien.
Joachim Wietzke
Embedded Technologies
Vom Treiber bis zur Grafik-Anbindung
JoachimWietzke
Karlsruhe
Deutschland
ISSN-
ISBN---- ISBN----(eBook)
DOI./----
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speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberech-
tigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der
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benutztwerdendürften.
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Danksagung
IndiesemBuchwurdeneinigeMaster-ArbeitenundVorlesungsbeiträgeausgewertet
und teilweise integriert. Bei den Autoren, die im Folgenden alphabetisch genannt
werden,bedankeichmichfürdiewertvollenBeiträge,fürihreDurchsichtundihre
Genehmigung,dieQuellenzuverwenden.
(cid:129) EnricoBedau:Linux-Treiber,JNI
(cid:129) ElmarCochlovius:Multimedia
(cid:129) ClemensFischer:Beispiele
(cid:129) TobiasHolstein:Qt-HMIs
(cid:129) AndreasKnirsch:MultiCore,Linux
(cid:129) SimonKretschmer:QNX-Treiber,Debugging
(cid:129) ChristianSteiger:Beispiele
(cid:129) ManhTienTran:Java
(cid:129) SergioVergata:VirtuelleMaschinen
v
Vorwort
Designisnotjustwhatitlookslikeandfeelslike.Designishowitworks.
[SteveJobs]
Wir haben eine Idee oder sogar schon eine SW-Lösung. Nun muss sie noch auf
einer Hardware realisiert werden. Übliche Boards laufen in einer Hauptschleife
ohneBetriebssystemodersienutzenLinuxoderQNX.WennunsereLösungenauf
existierenden fertigen Geräten installiert werden sollen, könnten wir es auch mit
Android oder iOS zu tun haben. Nun wollen wir aber nicht Betriebssysteme stu-
dieren und uns auch nicht in sieben verschiedene Frameworks einarbeiten, deren
Speicher- und Performance-Merkmaleundokumentiertsind, sondernwir möchten
nurdieerforderlichenKenntnisseerwerben,umdasBoardundunsereApplikation
inklusivedererforderlichenTreiberundInterrupt-RoutinenzumLaufenzubringen.
AuchwollenwirunsereLösungnichtnocheinmalschreiben,diesmalangepasst
aneinbeliebigesFenster-Framework,welchesdavonausgeht,dassdieganzeWelt
alsSammlungvonFensternbeschreibbarist. Eigentlichwollenwirnurdievorlie-
gendeHardwareunddie verfügbarenBedienoberflächenauf großenDisplaysnut-
zen.MöglicherweiseschreibenwiraucheineHMIinJavaundbindensiezuunserer
SWhinzu.DannbrauchtesgeschickteÜbergängezwischendenWeltenundfürdie
Java-WeltbrauchteseinpaarHinweise,wiewirmitSpeicher,Garbage-Collection
und Performance umgehen sollten. Vielleicht sollten wir auch verschiedene SW-
Komponentenauf verschiedeneCores des Prozessors verteilen, eventuellvirtuali-
sierenwirdafürauchCores,umdieKomponentenundihreKonfigurationvonein-
anderunabhängigzurealisieren.AlledieseKenntnissesolltenabersofundiertsein,
dasswirnicht,wieinderInformatik-GemeindesooftderFall,qualifiziertenAber-
vii
viii Vorwort
glaubenwaltenlassenmüssen,welcherKnopfzuwelcherZeitzudrückenist,damit
„esläuft“(das„EinHuhnschlachten-Phänomen“1).
Und wenn dann die Applikation das erste Mal läuft, kann es sein, dass wir
einenvielzulangsamenStartkonstatieren,einSpeicherleckodereinPerformance-
ProblemdesGesamtsystemserkennen.Schlimmernoch,nacheinigerZeitbleibtdas
Systemvollständigstehen,sogarderProzessorwirdkalt.AuchhierkönntenKapi-
telüberüblicheProblememitSpeichermedienoderüberdasTracenundDebuggen
einesSystemshilfreichsein.VielzuoftwirddieMethode„mitderKapuzeüberden
KopfundderTaschenlampeinderHandindendunklenKellergehenunddasPro-
blemsuchen“angewendet,das30Jahrealtesogenannte„printf-Debugging“.Einige
vorgestelltekleineToolskönntenhelfen,FehlerzufindenoderauchneueIdeenfür
eigeneToolszuentwickeln.
NocheinWortzudenverwendetenBegriffen.DieKombinationausenglischen
und deutschen Begriffen ist nicht immer schön, gelegentlich aber unvermeidlich.
Die Bezeichnungen „eingebettete“ oder „technische“ Systeme geben nicht wirk-
lich die Vorstellung wieder, die man von embedded Systemen hat, die sich durch
knappe und effizient eingesetzte Ressourcen auszeichnen. Auch die Diskussionen
umBindestricheoderGroß-/Kleinschreibunglassensichhiernichtwiederspruchs-
freiführen(mankannroot-Verzeichniswirklichnichtgroßschreiben).
Schonmöglich,dass einigeder eingestreutenGeschichtenzur Motivationnach
Benzin riechen,daskönnteandenletzten 20JahrenArbeitfürBosch, Blaupunkt,
Harman/Becker,JohnsonControlsundandereeuropäischeAutomobilherstellerlie-
gen.DieseGeschichtensollenaberimmerauchdieRelevanzdesThemasüberdie
AnekdoteundauchüberdenautomotivenBereichhinauszeigen.
Ichhoffe,diesgelingt.VielSpaßbeimLesen.
Karlsruhe,Januar2012 JoachimWietzke
1IneinemmalaysischenKurzgeschichtenbuchlasicheinmalübereinenEingeborenenstammauf
einerInsel,dernochniemitderZivilisationzutunhatteundgeradeuntereinergroßenHungersnot
litt.InletzterVerzweiflungschlachtetemanalsOpfergabeandieGöttereinHuhn.InderFolge-
nachtstrandeteeinvollbeladenesSchiff,dasmanplündernkonnte.Wannimmerindenspäteren
JahrenwiedereineHungersnotaufkam,wurdeeinHuhngeschlachtet,inderHoffnung,dassdas
wieder funktionieren würde. Diese Vorgehensweise steht im Widerspruch zu embedded Vorge-
hensweisen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung..................................................... 1
2 Hauptschleife.................................................. 3
2.1 SeriellesEEPROM......................................... 3
2.2 Emulator ................................................. 4
2.3 JTAG-Adapter ............................................ 4
3 Betriebssysteme................................................ 5
3.1 Prozesse,Threads.......................................... 5
3.2 DerScheduler............................................. 6
3.3 Kernelspace,Userspace,Kernelmode,Usermode ............... 6
3.4 ZusammenspielmitderMMU ............................... 7
4 QNX.......................................................... 9
4.1 Microkernel .............................................. 9
4.2 Resource-Manager......................................... 10
4.3 Komponentensystem ....................................... 11
5 Linux......................................................... 13
5.1 Linux-Build .............................................. 15
5.2 LinuxalsZielplattform ..................................... 21
5.3 Kernelverkleinern ......................................... 26
6 StartphaseeinesSystems........................................ 29
6.1 AllgemeineBetrachtungen .................................. 32
6.1.1 AusführungsmodelleinerCPU ........................ 32
6.1.2 Phase1:Power-On,IPL .............................. 32
6.1.3 Phase2:Bootloader,AusführungdesStartupImage ...... 35
6.1.4 Phase3:StartdesOS ................................ 37
6.1.5 Booten:Zusammenfassung ........................... 37
6.2 BootenunterQNX......................................... 38
6.2.1 BeispielQNX-IPL .................................. 38
ix
x Inhaltsverzeichnis
6.2.2 ErkennenderSystemkomponentenundKonfiguration..... 39
6.2.3 Kernel............................................. 41
6.3 QNXImagevarianten....................................... 42
6.3.1 IFS ............................................... 42
6.3.2 Flash-Filesystem .................................... 43
6.3.3 EFS............................................... 44
6.3.4 ETFS ............................................. 44
6.4 Beispiel-BuildfüreinBeagleBoard,QNX ..................... 44
6.4.1 BeagleBoard ....................................... 44
6.4.2 Bootvorgang ....................................... 45
6.4.3 Minimal-Buildfile ................................... 46
6.4.4 Beispiel-Konfigurationen............................. 47
6.4.5 FormatiereneinerETFS-Partition...................... 48
6.4.6 MMCpartitionierenundformatieren ................... 49
6.4.7 FlashenvonX-LoaderundU-Boot2.................... 50
6.4.8 FlashenvonIPLundIFS-Image ....................... 51
6.4.9 LogfileStartupX-LoaderundU-Boot,QNX............. 51
6.4.10 LogfileStartupIPL/QNX............................. 52
6.5 BootenunterLinux ........................................ 53
7 SpeichermodellfürdieApplikation .............................. 55
8 ResetundOn/off............................................... 57
8.1 ResetbeiOn .............................................. 57
8.2 ResetdurchWatchdog...................................... 60
8.2.1 SW-Watchdog ...................................... 61
8.2.2 PrioritätdesWD-Threads............................. 61
8.2.3 Reset-Strategie ..................................... 62
8.2.4 WelcheFehler-SituationensolleinWDlösen ............ 62
8.2.5 SW-DUMMY-Watchdog ............................. 63
8.2.6 Watchdog-Reset,Analysen ........................... 64
9 UmgangmitFlash-Memory ..................................... 67
9.1 Flash-Probleme ........................................... 67
9.2 Reclaim.................................................. 71
9.2.1 SnippeteinesReclaimers(QNX) ...................... 71
9.3 Notfall-Persistenz.......................................... 72
9.3.1 Persistenzrestaurieren ............................... 72
10 HDD.......................................................... 75
10.1 HDD-Probleme ........................................... 75
10.2 Fazit..................................................... 76
Inhaltsverzeichnis xi
11 Treiber........................................................ 77
11.1 Systemaufrufe............................................. 78
11.2 Linux-Treiber............................................. 78
11.2.1 Treiber/Kernel-Modul................................ 79
11.2.2 Builddeshello-Beispiels ............................. 81
11.3 Geräte,Devices ........................................... 83
11.3.1 Character-Devices................................... 83
11.4 KopierfunktionenzumÜberwindenderSpeicherkapselung....... 91
11.5 Mapping-FunktionzumÜberwindenderSpeicherkapselung...... 91
11.5.1 WarteschlangezumblockierendenLesen................ 93
11.6 Treiber-SnippetsfürLinux .................................. 94
11.6.1 BeispieleineseinfachenSystemaufrufs ................. 94
11.6.2 Beispieleinereinfachenchardev-Implementierung ....... 96
11.6.3 procfs,Datenaustausch...............................100
11.7 QNX-TreibermitResource-ManagerImplementierung ..........107
11.7.1 RegistrierendesResource-Managers ...................108
11.7.2 ImplementierenderDateioperationen...................110
11.7.3 FüllendesAnwort-Buffers: ...........................111
11.7.4 DerRückgabewert...................................111
12 Interrupts.....................................................113
12.1 Interrupt-Latenz...........................................114
12.1.1 AnforderungenanInterrupt-Service-Routinen(ISR) ......115
12.1.2 ImplementierungenderISR...........................116
12.1.3 Nested-Interrupts....................................117
12.2 Shared-Interrupts ..........................................118
12.2.1 Flankensteuerung ...................................118
12.2.2 Pegelsteuerung .....................................120
12.2.3 Zusammenfassung...................................121
13 InterruptsunterLinux .........................................123
13.1 Implementierungskonzepte..................................124
13.2 Interrupt-AblaufunterLinux ................................125
13.3 SW-SnippetsfürLinux .....................................126
13.3.1 RegistrierungeinesInterrupt-Handlers..................126
13.3.2 Deregistrierung .....................................127
13.3.3 Interrupt-Handler ...................................127
13.3.4 Shared-Interrupt-Handler.............................127
13.3.5 Design-Regeln......................................128
13.3.6 KritischeBereicheschützen...........................128
13.3.7 RingpufferoderDoppelpuffer .........................129
13.3.8 Interruptssperren ...................................130
13.3.9 EinzelneInterruptssperren/maskieren ..................131
13.3.10Spinlocks ..........................................132