GNU/Linux i Open Source alati za razvoj ugradenih sustava

Sadrzaj laboratorijske vjezbe

Vjezba je podjeljena na dva dijela. Prvi dio govori o Yocto projektu te diskutira o potrebnim koracima za izradu firmware za Raspberry Pi. Drugi dio se bazira na debugging aplikacija pisanih u programskom jeziku C te o potrebnim alatima i vjestinama.

U prvom djelu ce se studentima dati pristup vec unaprijed pripremljeni firmware i SDK. Studenti nece morati sami podesavat Yocto te izradivati firmware i SDK. Razlog tome je sto se na samoj izradi gubi pozamasna kolicina vremena. Unatoc tome, studenti ce pak morati sami instalirati firmware na Raspberry Pi i dovesti ga do stanja u kojem je Raspberry Pi spreman za drugi dio vjezbe.

Konfiguracija Yocto projekta

Za punu kompatibilnost, Yocto projekt zahtjeva sljedece komponente:

• Operacijski sustav. Tocna lista podrzanih operacijskih sustava se moze vidjeti na http://www.yoctoproject.org/docs/2.2.1/ref-manual/ref-manual.html#detailed-supported-distros.
• Potrebiti softverski paketi instalirani na operacijskom sustavu. Tocna lista svih paketa za sve podrzane operacijske sustave se moze vidjeti na http://www.yoctoproject.org/docs/2.2.1/ref-manual/ref-manual.html#required-packages-for-the-host-development-system.

Bez gore navedenih komponenti, postoji velika mogucnost da Yocto nece biti u stanju napraviti firmware ili da taj firmware nece biti u potpunosti stabilan. Dakle, potrebno se drzati iskljucivo gornjih uputa. Najbolji nacin da bi se to postiglo je koristeci Docker napisan iskljucivo za Yocto potrebe. Za potrebe vjezbe, napisan je Dockerfile dostupan Dockerfile. Iz Dockerfile se moze napraviti Docker Image koji ce onda sluziti da bi se u konacnici mogao startati Docker Container u kojem se onda moze koristiti Yocto.

Yocto konfiguracija za Raspberry Pi 3:

Startati Docker Container spomenut u prethodnom poglavlju te slijediti sljedece upute.

Stvoriti inicijalnu struktura direktorija:

$ cd ~
$ mkdir yocto
$ cd yocto

Klonirati Poky koristeci Git:

$ git clone -b morty git://git.yoctoproject.org/poky.git poky-morty

Pozicionirati se u direktorij poky:

$ cd poky

Klonirati meta-raspberrypi koristeci Git:

$ git clone -b morty git://git.yoctoproject.org/meta-raspberrypi

Inicijalizirati build environment:

$ source oe-init-build-env

Podesiti conf/bblayers.conf:

$ vim conf/bblayers.conf

Dodati meta-raspberrypi u BBLAYERS varijablu:

BBLAYERS ?= " \
  /home/builder/yocto/poky/meta \
  /home/builder/yocto/poky/meta-yocto \
  /home/builder/yocot/poky/meta-yocto-bsp \
  /home/builder/yocto/poky/meta-raspberrypi \
  "

Podesiti conf/local.conf:

$ vim conf/local.conf

Promjeniti vrijednost MACHINE varijable u raspberrypi3:

MACHINE ??= "raspberrypi3"

Promjeniti vrijednost EXTRA_IMAGE_FEATURES varijable dodajuci tools-debug (razmak odvaja vrijednosti).

Na kraju datoteke dodati:

ENABLE_UART = "1"

Izraditi minimalni image GNU/Linux distribucije za Raspberry Pi 3:

$ bitbake rpi-basic-image

Izraditi SDK:

$ bitbake rpi-basic-image -c populate_sdk

Kada build uspijesno zavrsi, image za Raspberry Pi 3 se moze naci u sljedecem direktoriju:

tmp/deploy/images/raspberrypi3

SDK se moze naci u:

tmp/deploy/sdk

Spojiti microSD karticu u racunalo i saznati putanju do uredaja koji reprezentira microSD karticu. Izvrsiti sljedece naredbe da bi se image prebacio na microSD karticu. Zamjeni X u donjim naredbama sa specificnom konfiguracijom uredaja. Uredaj se moze doznati sa naredbama kao sto su lsblk ili fdisk -l:

$ sudo umount /dev/sdX
$ sudo dd if=tmp/deploy/images/raspberrypi3/rpi-basic-image-raspberrypi3.rpi-sdimg of=/dev/sdX
$ sync
$ sudo umount /dev/sdX

Spojiti TTL USB adapter na Raspberry Pi 3. Za detalje o spajanju vidjeti donju shemu i podatke za sam TTL USB adapter.

Pokrenuti ckermit sa pripremljenim postavkama. Postavke ckermit serijske konzole se nalaze u direktoriju /home/student/ckermit.conf. ckermit ce omoguciti pristup konzoli ili terminalu preko serijske komunikacije.

Spojiti microSD karticu u Raspberry Pi 3 te ukljuciti ga na izvor napajanja sa prilozenim adapterom. Ukljucivanjem Raspberry Pi 3 na izvor napajanja ce rezultirati boot procesom. Ako je TTL USB adapter ispavno spojen na Raspberry Pi 3 te ckermit startan, boot poruke ce biti vidljive na terminalu. Nakon boot procesa, prikazat ce se login prompt. Koristeci korisnika root bez zaporke ulogirati se u sustav.

Debugging aplikacija pisanih u programskom jeziku C

U drugom djelu vjezbe ce studenti proci kroz nekoliko primjera aplikacija pisanih u programskom jeziku C koje u sebi imaju razne tipicne greske koje se dogadaju prilikom razvoja C/C++ aplikacija. Za potrebe debuganja aplikacija, studentima je unaprijed pripremljena VirtualBox VM masina. Na svakom racunalu je potrebno imati instaliran VirtualBox. Razlog tome je sto nam za razvoj aplikacije potreban GNU/Linux operacijski sustav koji sadrzi odredeni set alata potreban za razvoj i otkrivanje gresaka. Naglasak na ovom djelu vjezbe nisu znanja o C programskom jeziku, nego na okruzenju, skilovima i potrebnim alatima da bi se razvijala aplikacija za ugradene sustave. Cilj studentima ce biti da otkriju te greske te da njih i isprave.

Primjeri C aplikacija

Koristeci Git, klonirati github.com/hvarga/feritos-lab u direktorij po zelji:

$ git clone https://github.com/hvarga/feritos-lab.git

Gornja naredba omogucuje pristup izbornom kodu svih primjerima C aplikacija za laboratorijsku vjezbu. Svaki primjer detaljno prouciti te naci rijesenje gresaka. Svaki primjer ima greske u izvornom kodu koju treba otkriti i ispraviti. Greske, koje su namjerno postavljene, su vrlo realne i ocrtavaju tipican radni dan. Postoje greske koje uzrokuju SEGFAULT te rezultiraju trenutnom stopiranje procesa, ili greske koje uzrokuju konstantno povecanje potrosnje RAM memorije za vrijeme rada aplikacije.

Neke greske su lako uocljive, dok za neke se mora koristiti specijalizirani set alata. Za potrebe uspijesnog rijesavanja svakog primjera, studenti imaju pristup sljedecim alatima:

GCC

# build application
$ gcc source
# ... with debugging symbol
$ gcc -g source

GDB

# interactive debugg
$ gdb source

Valgrind

# debug and profile application
$ valgrind source

strace

# trace system calls and signals
$ strace source

Vim

# edit source code
vim source

Nakon cijele laboratorijske vjezbe, studenti ce dobiti uvid u sljedece tehnologije:

• GNU Toolchain
• Git
• CMake
• GDB
• Valgrind
• Vim
• Docker
• Yocto

Literatura

• Yocto Documentation (https://www.yoctoproject.org/documentation)
• An Introduction to GCC, http://www.network-theory.co.uk/gcc/intro/
• C: A Reference Manual (http://www.careferencemanual.com/)
• Expert C Programming (https://www.amazon.com/Expert-Programming-Peter-van-Linden/dp/0131774298)
• Introduction to Embedded C, Peter J. Vidler
• Pro Git (https://git-scm.com/book/en/v2)
• docker for begginers (https://prakhar.me/docker-curriculum/)
• Practical Vim (https://pragprog.com/book/dnvim2/practical-vim-second-edition)
• The Ultimate Open Source Development Environment (https://hvarga.github.io/pages/the-ultimate-open-source-development-environment/)