Ziele #

• Embedded Betriebsysteme verstehen
• Praktische Anwendung mit Embedded Linux
• Linux OS für Applikationen Nutzen
  • Hardware nahe Programmierung
  • IoT, TCP/IP, Wireguard,
  • Linux in der Cloud

Ziele Linux #

Dev Environment #

Raspberry Pi OS (Debian) #

• Linux Basics
• Functional Testing
• Development Tools

Linux from Scratch #

• Bootloader
• Kernel
• Busybox
• Root File System

Zugriff auf Hardware #

• SysFS
• Device FS
• Peripherie mit Device Tree Binding
• Raspberryp Pi + Pi Sense Hat

Kernel #

• Eigenen Treiber schreiben
• Copy2User
• Character Device
• POSIX

Literatur / Referenzen #

Raspberry Pi 4 #

• ARMv8 Cortex-A72 64-bit SoC @ 1.5 GHz.
• Quad Core
• 2GB RAM (andere Modelle bis 8 GB)
• IO Peripherie
  • USB
  • UART
  • I2C
  • SPI
  • ....

Terminologie: SoM vs SoC #

Auswahl eines Dev-Boards #

• Board Support Package (Linux / Android)
• Schema für SoM
• Schema für Carrier
• Datenblatt für SoC
• FOSS Bootloader
• Mainline Kernel / U-Boot
• Community

Linux taugliche Boards #

• multicore System
• Video Core
  • mit Beschleuniger für 2D und 3D (OpenGL/ES o. Vulkan), H264/H265 Decoder
  • HDMI u./o. LVDS Interface
  • ev. Kamerainterface (meist MIPI-CSI2)
• Standard Peripherie
  • UART, I2C, SPI, Timer/PWM, USB, Ethernet NIC, ev. PCIe, ev. CAN
• DRAM- und Flash-Interflace (OpenFlash u/o SDIO)
• Leistungsfähiges internes Bussystem (ARM AMBA/AXI-Bus)

... weitere HW Features #

• Power Management
• DRAM
• Flash Speicher (SD-Karte / eMMC)
• ev. Audio Codec, WiFi Module, Ethernet PHY, USB3-Controller, RTC, Boot-SPI-EEPROM, ...

Raspberry Pi für Linux #

Soll man Hardware selber designen? #

Hardware selber designen #

• Das Layout von Linux Boards ist kritisch und benötigt viel Erfahrung!
• Für Privatanwendungen/Prototypen ein Community Board verwenden
• Für industrielle Anwendung ein "Compute Module" (CM/CoM/SoM) und ein anwendungsspez. IO-Board erstellen.

Linux Boards #

Weitere Lieferanten #

Einige Lieferanten industrietauglicher Linux CM/SoM/CoM

• Raspberry Pi Compute Modules (CM3, CM4)
• ARIES Embedded https://www.aries-embedded.com/
• Toradex -> https://www.toradex.com
• Phytec -> https://www.phytec.de/produkte/software/linux-bsp/
• KARO Electronics -> https://www.karo-electronics.de
• Variscite -> http://www.variscite.com/

Beispiel RPI4 CM Module Board #

• Informationen zum CM4
• Obsolescence Statement: CM4 bis 2028 lieferbar!
• Besser spezifiziert wie normales Rasbperry Pi – trotzdem sehr ähnlich
  • somit ist ein normales Raspberry Pi während der Produktentwicklung geeignet.
• Industrietaugliche eMMC (statt einer SD-Karte)
• CM4-IO Board ermöglicht frühzeitig SW-Entwicklung oder Evaluation
• KICAD Files zum CM4-IO Board vorhanden als Basis für eigene IO-Boards

Open Source Hardware / Software #

• Nur was im Linux-Kernel Adressraum läuft ist zwingend Opensource (GPL)
• Beim Raspberry Pi ist aber nicht alles Open Source!
  • Closed Source Video Core
  • ... in welchem auch der ganze Bootloader läuft ...
  • ... und dieser auch closed Source ist
  • ... gleiches gilt für Kameratreiber und Grafikbeschleunigung
  • Binary des Bootloaders befindet sich auf dem SPI-EEPROM

Auswahl: Betriebssystem #

• Zwingend nötig?
• Typ
  • RTOS
  • General Purpose
• Produkte
  • Windows
  • Linux
  • FreeRTOS

Auswahl: Dev Environment / Sprache #

• Interpreted
  • Memoryhungrig
  • Rechenleistung
  • Garbage Collection
• Komplexität
  • OOP (Java / C++)
  • Functional (RUST / Python / JS)
• UI nötig?
  • QT
  • Swing / JavaFX
  • Web
  • Jetpack Compose

Auswahl: Hardware #

• Resourcen
  • RAM
  • CPU / GPU
  • DSP / Neural Nets
• Connectivity
  • Ethernet
  • WiFi
  • 3G / 4G / 5G
  • USB
  • NFC

Auswahl: Realtime Anforderungen #

• Soft-Realtime
  • In der Regel einhalten
  • Machbar mit Windows / Linux / OSX
• Hard-Realtime
  • Immer einhalten
  • Wichtig bei kritischen Steuerungen
    • Luftfahrt, Medizin, Automobil
  • aufwändiges SW-Management
    • Performance
    • Energiebedarf

Betriebssysteme: Varianten #

• Ohne OS
• General Purpose
  • Linux / Windows / BSD
• Abgespecktes General Purpose OS
• Echtzeit mit Multitasking
  • RTOS / FreeRTOS
• Generap Purpose mit RT-Erweiterung
  • RT-Patch
  • Co-Kernel

Ohne OS #

RTOS #

Aspekte der Programmiersprache #

Native Interfaces #

• Java Native Interface
• Python C Binding
• Rust C Binding
• UNIX Sockets
• IPC