Построение практикумов по программированию встраиваемых систем (Дмитрий Костюк, OSEDUCONF-2015)

Ссылки сюда (3) →

Короткая ссылка: 20150124C

Аннотация

Докладчик

Дмитрий Костюк

Рассматриваются особенности применения процессоров семейства ARM и системы GNU/Linux для обучения студентов программированию встраиваемых электронных систем.

Проанализирована направленность и особенности практических курсов, предлагаемых в БГУ и БрГТУ. Обсуждается последовательность практических заданий.

Рассмотрены наборы инструментальных программных средств, включая средства разработки, отладки и виртуализации.

Видео

on youtube

Слайды

Тезисы

Введение

Актуальность изучения студентами-программистами принципов разработки для встраиваемых систем (embedded systems) на основе свободного ПО показывала в последние годы устойчивый рост, связанный с очередным количественным скачком внедрения интеллектуальных электронных систем на базе универсального микроконтроллерного устройства со специализированной прошивкой. Встраиваемая система не привязана к существующей инфраструктуре прикладных программ, а потому разработчикам проще обосновать выбор свободного набора инструментов системного ПО с его модульностью и масштабируемостью.

Этот рост привёл к появлению учебных курсов по программированию встраиваемых систем на основе свободного ПО в Белорусском государственном университете и в Брестском государственном техническом университете. Оба курса имеют прикладную направленность, однако рассматривают предмет на разных уровнях аппаратной абстракции, что делает интересным их комплексное сравнение.

Специфика практикумов

Практикум по разработке встраиваемых систем на факультете прикладной математики БГУ построен на базе опыта многолетней разработки подобных устройств в компании Promwad.

Вводная часть касается особенностей использования консоли GNU/Linux, базовых утилит, а также git (последнее важно из практических соображений, т. к. системы контроля версий, при их востребованности, присутствуют в учебном процессе весьма редко). При выполнении работ студенты используют язык С и, в ограниченном объеме, shell. По мере освоения необходимого материала уделяется внимание созданию модулей и взаимодействию с подсистемами ядра. Учебный курс БрГТУ больше нацелен на особенности системы команд ARM и низкоуровневую организацию встраиваемых систем.

Среди причин — исходная ориентация на специальность «Промышленная электроника» (с дополнительно адаптированным вариантом для практико-ориентированной магистратуры), а также уже имеющийся отдельный практикум по разработке модулей ядра Linux. Исходно курс предполагает как запуск ассемблерных программ непосредственно на процессоре ARM, так и выполнение программы под управлением ОС, запущенной на ARM-устройстве.

Выбор аппаратной платформы

При разработке практикумов в качестве платформы были предсказуемо выбраны микроконтроллеры семейства ARM.

В практикуме по разработке встраиваемых систем в БГУ в качестве основной аппаратной платформы планировалось использовать комплекты BeagleBone Black (ARM Cortex A8).

Однако в последствии эта идея была отложена в пользу x86.

Во-первых, это дало студентам возможность работать самостоятельно, а во-вторых несложная адаптация заданий практикума сделала исходный код всех работ практически полностью аппаратно-независимым.

Принцип работы с ассемблерной программой в курсе БрГТУ предполагал ее доводку в эмуляторе, а для некоторых работ — тестирование на реальном оборудовании (отладочные платы Atmel на базе ARM9). Однако на практике использование эмулятора также практически вытеснило исходную аппаратную платформу.

Структура практикумов

Курс БГУ можно разделить на следующие этапы:

• практическое ознакомление со средствами разработки и адаптация к предъявляемым требованиям в ходе написания простейшей консольной программы на С;
• ознакомление с особенностями создания bash-скриптов;
• работа с сокетами, процессами и потоками в С;
• написание серии программ по ядру Linux (программирование char-, sys-, dev-, proc-устройств, взаимодействие с таймерами, прерываниями и т. д.).

Требования, предъявляемые к выполнению лабораторного практикума (а также к курсовому проектированию по данной дисциплине, и далее — к дипломным проектам, имеющим отношение к компании Promwad) включают сборку с помощью make и оформление кода по Linux kernel coding style.

Код в обязательном порядке размещается студентами на каком-либо публичном git-хостинге (например, github.com) и имеет свободную лицензию.

Основа лабораторных работ в курсе БрГТУ — эмулятор QEMU, имитирующий одну из нескольких доступных отладочных плат. Для тестирования программ без ОС оттранслированный код располагается по нулевому адресу в файле-образе, соответствующем объёму памяти отладочной платы. Проверка программы в эмуляторе сводится к анализу содержимого регистров в мониторе QEMU, а также в части работ предусмотрен диалог через QEMU serial console.

Практикум включает:

• знакомство с синтаксисом ассемблера ARM и базовыми средствами кросс-компиляции;
• более детальное изучение инструментария (GAS, make) при сборке многофайлового проекта, работу с листингом, а также изучение особенностей доступа к оперативной памяти устройства;
• изучение вычислительных возможностей процессора ARM и доступа к энергонезависимой FLASH-памяти для хранения результатов;
• изучение системы прерываний, совмещение ассемблерного кода и модуля на C;
• знакомство с базовым набором инструментов для компиляции и установки GNU/Linux на ARM-устройство, изучение принципов удалённой отладки с помощью GDB.

Программные инструменты

Оба практикума ориентированы на использование Sourcery CodeBench ARM (одна из существующих сборок GCC для кросс-ком- пиляции). Адаптация курса БГУ к выполнению заданий на настольных ПК была выполнена подстановкой (на уровне make) компилятора из стандартного toolchain дистрибутива, что не повлекло практически никаких изменений в сборку учебных программ по сравнению с их кросс-компиляцией.

В курсе БрГТУ, помимо упоминавшихся инструментов, для заданий с ОС применён пакет автоматизированной сборки BuildRoot, упрощающий подготовку образа флеш-памяти с файловой системой, ядром Linux, загрузчиком uBoot и BusyBox в роли минимального набора системных утилит. При этом можно заметить, что сам набор утилит, задействованных на предлагаемых встраиваемых системах, в обоих курсах практически совпадает.

Примечания и отзывы

Plays:255   Comments:2