Universidad de Cantabria Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación Migración de un sistema operativo de tiempo real, MaRTE OS, a un microcontrolador Proyecto fin de carrera Alberto Gutiérrez Castro Santander, octubre de 2003

Universidad de Cantabria 0. Objetivos 1. Introducción 2. Sistema operativo MaRTE OS 3. Controlador EyeBot 4. Portado de MaRTE OS al microcontrolador MC68332 5. Entorno de desarrollo cruzado 6. Aplicación de demostración 7. Conclusiones 8. Trabajo futuro Octubre 2003 AGC

0. Objetivos Elaboración de un entorno de desarrollo cruzado para el MC68332. Adaptación de un compilador cruzado para que soporte aplicaciones escritas en Ada y C. Adaptación de un depurador cruzado. Migración de MaRTE OS al MC68332. Implementación de la “Interfaz Abstracta con el Hardware”. Generación de utilidades que automaticen la compilación, enlazado, carga y depuración de aplicaciones. Desarrollo de una aplicación que haga uso de la funcionalidad POSIX proporcionada por MaRTE OS. Octubre 2003 AGC

Universidad de Cantabria 1. Introducción Sistemas de tiempo real Son sistemas computacionales fuertemente relacionados con el entorno, los resultados obtenidos sólo se podrán considerar válidos cuando, sean correctos, desde el punto de vista lógico, y hayan sido generados a tiempo. Sistemas empotrados de tiempo real Sistemas de tiempo real en los que el computador constituye una parte más de un sistema mayor en el que se encuentra altamente integrado y en el que se dedica a realizar una función o conjunto de funciones. Utilización de los sistemas empotrados Procesadores baratos, memorias menor coste y mayor escala de integración Equipos Hi-Fi, reproductores DVD, juguetes, pequeños electrodomésticos... Octubre 2003 AGC

… 1. Introducción Evolución de los sistemas informáticos De pequeños microcontroladores de 4 bits a procesadores de 64 bits Limitaciones: tamaño, peso, consumo, procesador reducido y memoria reducida Desarrollo tecnológico: mejora de tiempos de desarrollo y fiabilidad de aplicaciones. Inclusión de sistemas operativos y estrategias de diseño software para sistemas de tiempo real: programación concurrente, estrategias de planificación de tareas, programación orientada a objetos.. Normas de estandarización, permitirán independizar: arquitectura hardware, software de base, sistema operativo, y aplicación. POSIX (Portable Operating System Interface) Define la interfaz que los sistemas operativos deben ofrecer a las aplicaciones, así como la semántica de los servicios ofrecidos por esta interfaz. En estándar POSIX.13 se han definido 4 subconjuntos, para distintos tipos de aplicaciones de tiempo real. El menor se denomina ”Sistema de Tiempo Real Mínimo”. Incluye un pequeño subconjunto de toda la funcionalidad definida en el estándar POSIX, permite su implementación como un núcleo de sistema operativo pequeño y eficiente. Pensado para pequeños sistemas empotrados. Octubre 2003 AGC

2. MaRTE OS MaRTE OS (Minimal Real-Time Operating System for Embedded Applications) Pionero, S.O. escrito en Ada que permite la ejecución de aplicaciones concurrentes escritas en C, Ada o ambos. El núcleo implementa la funcionalidad incluida en subconjunto mínimo del POSIX. Entorno de desarrollo cruzado basado en los compiladores GNU GCC y GNAT, y el depurador GDB (posibilitan la creación, carga y depuración de las aplicaciones). Principales características Pensado para aplicaciones principalmente estáticas Permite ejecutar aplicaciones Ada y C Portable a distintas arquitecturas Toma forma de librería para ser enlazada con la aplicación Octubre 2003 AGC

… 2. MaRTE OS Arquitectura Requisitos (Interfaz Abstracta con el Hardware) Temporizador Reloj monótono Operaciones de conversión de tiempos Dispositivo controlador de las interrupciones Interrupciones hardware Operaciones de gestión de los manejadores de interrupción Operación de cambio de contexto entre tareas Operaciones sobre registros del procesador Octubre 2003 AGC

3. Controlador EyeBot El MC68332 el microcontrolador El EyeBot la tarjeta controladora Características 2 MB de RAM, 512 KB de flash-ROM, LCD gráfico, puerto IrDA, puertos paralelo y serie, BDM Octubre 2003 AGC

Universidad de Cantabria ...3. Controlador Eyebot CPU32 Arquitectura 32 bits Familia 68020 Manejador de excepciones Modo de depuración en segundo plano (BDM) SIM (Módulo de integración de sistema) Soporte para bus externo Lógica de protección del sistema 2 puertos de 8 bits de E/S de función dual 1 puerto de 7 bits de salida con función dual TPU (Unidad de Procesado de Tiempo) Capacidad de operación independiente de la CPU32 16 canales independientes y programables, que pueden desempeñar funciones de tiempo 2 registros de cuenta de temporizador con niveles de escala programables. Nivel de prioridad de los canales seleccionables QSM (Módulo de Cola de Periféricos Serie) interfaz de comunicación serie interfaz para la cola de periféricos serie 1 puerto d 8 bit de función dual Octubre 2003 AGC

4. Migración de MaRTE OS a MC68332 Universidad de Cantabria 4. Migración de MaRTE OS a MC68332 Interfaz Abstracta con el Hardware Conjunto de operaciones requeridas por MaRTE OS para funcionar sobre la plataforma elegida. Proporciona al resto del núcleo de MaRTE OS una visión abstracta de la plataforma. Toma la forma de un paquete Ada. Características Interfaz está formada por funciones y procedimientos Ada. Tipos, constantes, variables nombres de procedimientos y funciones independientes de la plataforma en la que se implemente. Octubre 2003 AGC

Universidad de Cantabria ...4. Migración de MaRTE OS a MC68332 Arquitectura tpu.ads & tpu.adb Generación del reloj del sistema y programación del temporizador interrupt_tables.ads & interrupt_tables.adb Interrupciones, fuentes de interrupción, instalación de manejadores de interrupción, tratamiento de interrupciones y habilitación y deshabilitación de interrupciones hardware proccessor_registers.ads & proccessor_registers.adb Habilitación/deshabilitación de todas las interrupciones, comprobación de interrupciones, operaciones de tamaño bit y operaciones de cambio de contexto hardware_interface.ads & hardware_interface.adb Comunicación entre la interfaz del hardware y el resto del sistema operativo, sólo desde aquí se llamará al resto de los paquetes. Octubre 2003 AGC

Universidad de Cantabria 5. Entorno de desarrollo Creación del entorno de desarrollo cruzado Compilador y depurador cruzados Entorno de desarrollo PC de desarrollo (Host) AMD K6 a 450 Mhz, Linux, GNAT 3.12, GCC 2.8.1 y GDB Plataforma (Target) SoccerBot a 33 Mhz, RoBios Carga de la aplicación: cable serie o BDM Octubre 2003 AGC

6. Aplicación de demostración El SoccerBot plataforma de desarrollo Octubre 2003 AGC

6. Aplicación de demostración Universidad de Cantabria 6. Aplicación de demostración Descripción de la aplicación, escrita en C. La aplicación hará que el robot utilice sus sensores de posición para evitar que colisione con los obstáculos que salgan a su paso, utilizaremos 3 threads y 1 mútex, de tal manera que cada threads corresponda a una tarea con prioridad, el mútex va a permitir asegurar la correcta ejecución de tareas. La tarea de mayor prioridad corresponderá a la que hace continuas lecturas de posición, la tarea de prioridad media, moverá los motores según corresponda, la tarea de prioridad baja, mostrará datos en LCD. Octubre 2003 AGC

...6. Aplicación de demostración Diagrama de funcionalidad de la aplicación Pthread INICIA Prioridad : alta T1 Pthread MUEVE Prioridad: media T2 Pthread PON prioridad: baja T3 mutex t1<t2<t3 video Octubre 2003 AGC

7. Conclusiones Se ha elaborado un entorno de desarrollo cruzado para el MC68332 Compilador y depurador cruzados Se ha portado MaRTE OS al MC68332 Implementando la interfaz abstracta con el Hardware en el MC68332 Se ha generado un conjunto de utilidades que automatizan la compilación, enlazado y carga de aplicaciones. Se ha desarrollado una aplicación que implementa características de POSIX en MaRTE OS, como son los pthreads y mutexes Octubre 2003 AGC

8. Trabajo futuro Adaptación de la librería runtime de GNAT Generar controladores para los periféricos del SoccerBot Integración en la distribución pública de MaRTE OS Portado a otros microcontroladores Octubre 2003 AGC