Редактирование: Вопросы разработки и отладки многораздельных операционных систем для ARM архитектуры микроконтроллеров STM32 (Сергей Старолетов, OSDAY-2025)

;{{SpeakerInfo}}: {{Speaker|Сергей Старолетов}}
<blockquote>
Доклад о разработке и отладке многопоточных операционных систем с раздельной архитектурой (partitioned systems) для микроконтроллеров STM32 на базе ARM. Ключевые сложности: необходимость работы с оборудованием на уровне абсолютных адресов и регистров, нехватку документации и скрытые особенности железа, что ведет к ошибкам и задержкам. В качестве решения предлагается использовать и адаптировать открытое ПО, например, концепт ОС POK (ARINC653-совместимый), разделяющий процессорное время и адресное пространство между изолированными разделами.

Для портирования подобных систем на ARM (в частности, STM32) рекомендуем использовать открытую экосистему ST: код BSP, HAL-библиотеки (GPIO, UART, CAN и др.), драйверы NVIC, MPU, а также FreeRTOS из STM32Cube. Это снижает барьер входа, несмотря на зависимость от вендора и закрытость некоторых решений. В работе демонстрируется практическая реализация многопоточного приложения с периферией на основе POK, включая применение подхода Model-Driven Development (MDD) в STM32CubeIDE для генерации кода.

Недостаточность эмуляторов типа QEMU для отладки, предлагается решить аппаратной связкой ST-Link/GDB. 
</blockquote>

{{VideoSection}}

{{vimeoembed||800|450}}
<!-- {{youtubelink|}} -->

== Thesis ==
Написание системного кода, а особенно кода операционных систем сопряжено с трудностями прежде всего в том, что приходится работать с оборудованием по абсолютным адресам и регистрами процессора, что требует наличия оригинальной документации на процессор и периферийные устройства и даже при ее наличии существует множество скрытых моментов, которые значительно увеличивают время разработки привносят ошибки и уязвимости. Поэтому целесообразнее развиваться в направлении изучения и переписывания открытого программного кода, к которому имеются примеры и который зарекомендовал себя в сообществах разработчиков.

=== Многораздельные ОС как перспективное направление ===
Перспективным направлением операционных систем являются так называемые многораздельные (системы с разделами — партициями), которые разделяют процессорное время и адресное пространство между системными программами, которые к тому же могут быть отдельно настроены для выполнения только специфицированных заранее системных вызовов, выполняя какую-то специфическую работу внутри разделов в своих потоках исполнения. Примером концепта такой ОС является <tt>РОК</tt>, представленный в диссертации Жюльеном Деланжем <ref name="Delange2011">Delange J., Lee L. POK, an ARINC653-compliant operating system released under the BSD license //13th Real-Time Linux Workshop. – 2011. – Т. 10. – С. 181-192.</ref>. 

При наличии работающего прототипа системы, который исправно планирует разделы и потоки в них, а также системных вызовов через программное прерывание (''software interrupt'') можно навесить клиентский интерфейс и сделать такую системы <tt>POSIX</tt>- или <tt>ARINC</tt>-совместимой для применения в какой-либо ответственной области.

=== Портирование проекта для ARM ===
Изучая исходные коды оригинального проекта <ref name="POK-GitHub">https://github.com/pok-kernel/pok</ref>, было установлено, что в целом он является ориентированным на <tt>х86</tt>-архитектуру (имеются также архитектурные части и для <tt>ррс</tt> и <tt>spark</tt>) и работает с устройствами, доступными в эмуляторе <tt>QEMU</tt>. Портирование для <tt>ARM</tt> такого проекта с учебными целями сопряжено с трудностями прежде всего в том, что имеется бесчисленное множество устройств с различными конфигурациями <tt>ARM</tt>-ядер и архитектура доступных решений для устройств массового применения в целом закрыта).

=== Платформы STM32 как решение ===
В это же время, в среде разработчиков микроконтроллеров для сферы Интернета вещей и <tt>DIY</tt> решений популярны <tt>STM32</tt> семейства плат, которые имеют лицензированные <tt>ARM</tt> ядра (<tt>Cortex M3</tt> или <tt>M7</tt> и даже их связки <tt>M7/M4</tt>), но тут главное прежде всего то, что компанией <tt>ST</tt> поставляется открытый код на <tt>C</tt>, адаптированный для каждого конкретного микроконтроллера, содержащий:
* <tt>BSP</tt> код инициализации устройства
* Код для работы с контроллером прерываний <tt>NVIC</tt>
* Код конфигурации часов/таймингов для всех подсистем на плате
* Код для работы с <tt>MPU</tt> (модуля защиты памяти <tt>Cortex M7</tt>)
* <tt>HAL</tt> библиотеки для работы с <tt>GPIO/UART/I2C/SPI/CAN</tt>
* Набор структур данных и функций для работы с <tt>USB Host/Device</tt>
* Код для работы с различными <tt>LCD</tt> экранами
* А также исходный код <tt>FreeRTOS</tt>, что снимает вопросы по коду переключений задач

Имеется также код и примеры работы с различными <tt>DSP</tt>, а также запуска моделей <tt>ИИ</tt> на такого рода устройствах.

Конечно, все это ведет к зависимости от производителя <tt>ST</tt> (в данном случае еще и иностранного и недоступного в настоящий момент набора микросхем), но прекрасно может быть использовано для обучения и взятия лучших практик по подходам разработки под <tt>ARM</tt>.

=== Практическая реализация и отладка ===
В докладе предполагается показать шаги из опыта автора по получению работающего решения многопоточных приложений, работающих с периферией и действующих в стиле <tt>РОК</tt>. Ранее была рассмотрена модель такой операционной системы <ref name="Staroletov2020">Staroletov S. M. A formal model of a partitioned real-time operating system in Promela (OSDAY 2020) //Труды Института системного программирования РАН. – 2020. – Т. 32. – №. 6. – С. 49-66.</ref>, а теперь и ее реализация на основе указанного открытого кода. Предполагается рассмотреть также подход в стиле <tt>MDD</tt> по графической конфигурации в средстве <tt>STM32CubeIDE</tt> с генерацией кода (что популярно для многораздельных систем).

Что касается отладки приложений, имеющиеся средства виртуализации для такого рода процессоров и периферии на основе <tt>QEMU</tt> <ref name="QEMU-STM32">https://github.com/beckus/qemu_stm32</ref> не являются достаточными, поэтому отладку целесообразнее производить на связке аппаратного отладчика <tt>ST-Link</tt> и <tt>GDB</tt>.

=== Заключение ===
В итоге предполагаемый доклад может быть полезен программистам и исследователям, прежде всего с практической точки зрения и как старт для обучения.


{{SlidesSection}}
[[File:Вопросы разработки и отладки многораздельных операционных систем для ARM архитектуры микроконтроллеров STM32 (OSDAY-2025).pdf|left|page=-|300px]]

{{----}}
[[File:{{#setmainimage:Вопросы разработки и отладки многораздельных операционных систем для ARM архитектуры микроконтроллеров STM32 (OSDAY-2025)!.jpg}}|center|640px]]
{{LinksSection}}

* 
<!-- <blockquote>[©]</blockquote> -->

<references/>

<!-- topub -->